模擬電路課程設(shè)計脈搏測試儀設(shè)計

1、華北科技學(xué)院課程設(shè)計報告脈搏測試儀設(shè)計1、設(shè)計目的（1）熟悉脈搏測試儀的電路組成，工作原理和設(shè)計方法；（2）加深對電子電路的掌握，學(xué)會基于模擬電路的課程設(shè)計。2、設(shè)計任務(wù)脈搏測試儀是用來測量一個人心臟跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分。它是用來測量頻率較低的小信號（傳感器輸出電壓一般為幾毫伏）。具體要求：（1）實現(xiàn)在3060秒內(nèi)測量1分鐘的脈搏數(shù)。正常人脈搏數(shù)為6080次/min，嬰兒為90100次/min，老人為100150次/min（2）用傳感器將脈搏跳動的轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大整形和濾波。（3）測試誤差不小于2/min。3、設(shè)計要求（1）合理的設(shè)計硬件電路，說明工作原理及設(shè)計過程

2、，畫出相關(guān)的電路原理圖（運用Multisim電路仿真軟件）；（2）選擇常用的電器元件（說明電器元件選擇的過程和依據(jù)）； (3) 對電路進(jìn)行局部或整體仿真分析；（4）按照規(guī)范要求，按時提交課程設(shè)計報告，并完成相應(yīng)答辯。4、參考資料（l）李立主編. 電工學(xué)實驗指導(dǎo). 北京：高等教育出版社，2005（2） 高吉祥主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計. 北京：電子工業(yè)出版社，2004（3）謝云，等編著.現(xiàn)代電子技術(shù)實踐課程指導(dǎo).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003 目錄一、 設(shè)計要求4二、 設(shè)計的作用、目的4三、 設(shè)計的具體體現(xiàn)51、系統(tǒng)概述52、單元電路設(shè)計、仿真與分析5四、心得體會及建議15五、附錄17六

3、、參考文獻(xiàn)17脈搏測試儀設(shè)計報告一、 設(shè)計要求脈搏測試儀是用來測量一個人心臟跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分。它是用來測量頻率較低的小信號（傳感器輸出電壓一般為幾毫伏）。具體要求：1、 實現(xiàn)在3060秒內(nèi)測量1分鐘的脈搏數(shù)。正常人脈搏數(shù)為6080次/min，嬰兒為90100次/min，老人為100150次/min。2、 用傳感器將脈搏跳的動轉(zhuǎn)換為電壓信號，并加以放大整形和濾波。3、 測試誤差不小于2/min。二、 設(shè)計的作用、目的脈搏是常見的生理現(xiàn)象，是心臟和血管狀態(tài)等重要的生理信息的外在反映；因此，脈搏測量不僅為血壓測量、血流測量及其他生理檢測提供了生理參考信息，而且脈搏波本身也

4、能給出許多有診斷價值的信息。因此研究脈搏測試儀有著非常重要的現(xiàn)實意義。為更好的運用所學(xué)的知識，加深對電子電路的掌握，達(dá)到創(chuàng)新的目的。通過實踐學(xué)會合理的利用集成電子器件制作電路基于模擬電路的課程設(shè)計與制作。三、設(shè)計的具體體現(xiàn)1、系統(tǒng)概述通過脈搏傳感器來拾取脈搏信號，經(jīng)過前級放大器進(jìn)行放大，進(jìn)入有源濾波器濾去干擾信號，再經(jīng)過后級放大器進(jìn)行充分放大，此時經(jīng)過處理后的信號還不是計數(shù)器所要的高低電平，須把信號再送入遲滯比較器進(jìn)行整形再經(jīng)過二極管進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，得到計數(shù)器所需要的脈沖信號。因為我們這里還沒有學(xué)數(shù)電，所以計數(shù)這部分我們省略了。提出方案 滿足上述設(shè)計功能可以實施的方案很多，現(xiàn)提出下面方案。 1）

5、傳感器 將脈搏跳動信號轉(zhuǎn)換為與此相對應(yīng)的電脈沖信號。 2）放大 電路將傳感器的微弱信號放大。3）濾波整形 除去雜散信號，整形輸出計數(shù)器所要信號。方案圖：原理框圖2、單元電路設(shè)計、仿真與分析（1）、脈搏傳感器的選擇脈搏傳感器的作用是將脈搏信號轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的電沖信號。脈搏傳感器是脈象檢測系統(tǒng)中重要的組成部分，其性能的好壞直接影響到后置電路的處理和結(jié)果的顯示。根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類 ： 傳感器工作原理的分類中物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮效應(yīng)現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。 這里傳感器采用了紅外光電轉(zhuǎn)換

6、器，作用是通過紅外光照射人的手指的血脈流動情況，把脈搏跳動轉(zhuǎn)換為電信號，其原理電路如圖1所示。 圖中，紅外線發(fā)光管VD采用TLN104，接收三極管V采用TLP104。用+5V電源供電，R1取500，R2取10k。 圖1 傳感器本次課程設(shè)計中在利用信號源，使用正弦波模擬人體脈搏跳動。傳感器輸出信號大概在5mv-10mv，頻率在100hz-200hz之間。為了精確數(shù)值，我們?nèi)∽钚≈?，選用5mv，100hz的信號源輸出正弦信號代替。（2）、信號放大電路的設(shè)計由于傳感器發(fā)出的信號很微弱，只有幾毫伏左右，所以采用放大電路實現(xiàn)信號放大作用，由于傳感器輸出電阻比較高，故放大電路采用了同比例放大器，如圖2所示

7、，運放采用了 LM324，電源電壓+5V。信號太弱整形無法輸出所要波形，所以我們采用兩級放大，放大了1000倍。圖2 同比例放大電路 一級放大參數(shù)計算：由圖可知這是反相比例運算電路，所以由虛短虛斷知：Uo=(1+R2/RV1)Ui 式（2-1）要保持放大倍數(shù)在100左右，有 Uo/Ui=(1+R2/RV1)=100 式（2-2） 所以取RV1=1K，R2=100K ，另外，取參數(shù) R1=910K， C1=100uF圖3 一級放大電路的仿真效果圖4 二級放大電路參數(shù)選擇 RV2=10K，R11=100K 放大倍數(shù)為10倍左右，原理同一級放大。圖5 二級放大仿真圖圖6 總的放大仿真效果圖（3） 、

8、有源濾波電路采用了二階壓控有源低通濾波電路，如圖4所示，作用是把脈搏信號中的高頻干擾信號去掉，同時把脈搏信號加以放大，考慮到去掉脈搏信號中的干擾尖脈沖，所以有源濾波電路的截止頻率為1kHz左右。為了使脈搏信號放大到整形電路所需的電壓值，通常電壓放大倍數(shù)選用1.6倍左右。集成運放采用LM324。圖4 有源濾波電路電路中既引入了負(fù)反饋，又引入了正反饋。當(dāng)信號頻率趨于零時，由于C1的電抗趨于無窮大，因而正反饋很弱；當(dāng)信號頻率趨于無窮大時，由于C2的電抗趨于零，因而Up（s）趨于零?？梢韵胂?，只要正反饋引入得當(dāng)，就可以 在f=fo時使電壓放大倍數(shù)數(shù)值增大，又不會因正反饋過強(qiáng)而產(chǎn)生自己振蕩。因為同相輸入

9、端電位控制由集成運放和R1、R2組成的電壓源，故稱之為壓控電壓源濾波電路。參數(shù)分析： 式（3-1）P點的電流方程為 (Um(s)-Up(s)/R=Um(s)SC 式（3-2）由式（3-1）和式（3-2）聯(lián)解得Au(s)=Aup(s)/1+(3-Aup(s)sRC+(sRC)² 式（3-3） 在式（3-3）中，只有當(dāng)Aup（s）小于3時，即分母中S的一次項系數(shù)大于零，電路才能穩(wěn)定工作，而不產(chǎn)生自己振蕩。若令S=jw，fo=1/2RC,則電壓放大倍Au=Aup/1-(f/fo)²+j(3-Aup)f/fo 式（3-4） 若令Q=1/(3-Aup),則f=fo時，有Auf=fo=

10、Aup/3-Aup=QAup,即 Q=Auf=fo/Aup 式（3-5）可見，Q是f=fo時的電壓放大倍數(shù)與通帶放大倍數(shù)數(shù)值之比由圖可知通帶放大倍數(shù) Aup=1+R2/R1 式（3-6）所以根據(jù)實際要求 Aup=1.6 所以由Q=1/(3-Aup)和式（3-5）知 Auf=fo= QAup=0.7Aup 式（3-7）因此，通帶截止頻率fp=fo=1KHz fo=1/2RC=1KHz 綜上可以選取R1=10K，R=1K， 所以 R2=R1（1.6-1）=6K C=fo/2R=1nf圖5濾波后的仿真效果（4）、整形電路 經(jīng)過放大濾波后的脈搏信號仍是不規(guī)則的脈沖信號，且有低頻干擾，仍不滿足計數(shù)器的要

11、求，必須采用整形電路，這里選用了滯回電壓比較器，如圖6所示，我們采用虛擬電壓比較器代替電路中的集成電運放。圖6 滯回比較器參數(shù)設(shè)定： R1=50K，R2=10K 圖7 滯回比較器的電壓傳輸特性如圖6所示，模擬電壓比較器最大輸出電壓設(shè)置為5V，即正電源+5V，負(fù)電源0V。經(jīng)過滯回比較器后即輸出滿足計數(shù)器所需的穩(wěn)定規(guī)則的脈沖信號。圖8整形后的仿真效果圖9總原理電路圖圖10 最后的仿真效果四、心得體會及建議在這次課程設(shè)計中，我和同學(xué)們在一起交流，學(xué)習(xí)如何將課本上的知識應(yīng)用于實際的問題之中。所以在這期間，鍛煉了我對所學(xué)知識應(yīng)用的能力，也讓我對所學(xué)的知識有了一次深刻的復(fù)習(xí)和清晰的認(rèn)識。當(dāng)然這次設(shè)計更重要

12、的是鍛煉了自己解決實際問題能力，如何分析問題，理清思路，簡化問題，找出最佳方案，這是最關(guān)鍵的方面。還有在設(shè)計時，讓我對畫電路圖的軟件有了一個基本的了解，對Multisim仿真有了很大接觸，學(xué)會了一些基本操作，相信這些將為我以后的學(xué)習(xí)設(shè)計打下一個良好的基礎(chǔ)。因此這次設(shè)計對我的意義很大，讓我受益匪淺！在這次課程設(shè)計過程中，我也遇到了很多問題。比如在選擇傳感器的時候，開始我們用函數(shù)發(fā)生器代替，結(jié)果仿真不出來，這我們弄了很長時間，先是不清晰問題出在哪，這直接導(dǎo)致了我無法很順利地出想要的結(jié)果，從而無法順利的進(jìn)行模擬。然后問老師，翻閱了書籍，查資料。最后終于正確的模擬出了所要的效果。這次的制作也讓我感受到

13、，我們在電子方面學(xué)到的只是很小的一部分知識，我們需要更多的時間來自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識。只有這樣，我們以后才能具備較強(qiáng)的動手能力和自己獨特的設(shè)計思路和方法！在做運放的時候，我們剛開始選的是AD620這個運放器但是因為對其不夠熟悉，運放一直都沒有做成功，后來用LM324構(gòu)成了同比例放大電路，因為以前實驗時對這個運放器的功能做過檢測所以做起來就輕松了很多，最終還是成功了?？傊O(shè)計電路之前要對所要設(shè)計電路的原理要有非常清楚的認(rèn)識，在這個基礎(chǔ)上我們才能把電路設(shè)計成功，在設(shè)計的過程中遇到困難要用所學(xué)的東西把問題解決掉，不要輕易放棄，同時多和同學(xué)們交流交換彼此的想法這樣可以更好的優(yōu)化我們的設(shè)計。這次課程中，第一次我們出現(xiàn)了嚴(yán)重錯誤，經(jīng)過老師提點，還有我和同組同學(xué)的討論終于解決問題所在，并加以改正，終于完成這次設(shè)計。通過這次的錯誤，我認(rèn)識到課本上學(xué)的東西一定要充分掌握好才能運用到實際中，多思考，才能真正成為自己的東西。 最后我覺得不管自己要做什么，一定不能輕言放棄并且要全身心的把精力突入進(jìn)去，只有這樣我們才能成功而其一定可以成功。五、附錄元件名稱數(shù)量及說明信號源1個（5mv,100hz,正弦信號）集成運放兩塊（LM324）100uf電容2個1n