數(shù)字顯示脈搏及心電圖模塊

1、人體脈搏測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?）掌握應(yīng)用數(shù)字電路系統(tǒng)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的方法。【實(shí)驗(yàn)原理】圖3.1是脈搏測(cè)試系統(tǒng)組成方框圖，借助壓電陶瓷將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在單位時(shí)間被進(jìn)行計(jì)數(shù)，并用數(shù)字顯示其計(jì)數(shù)值，從而得到每分鐘的脈搏數(shù)。1.放大與整形電路通常采用運(yùn)算放大器對(duì)微小電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，但在數(shù)字電路系統(tǒng)中可采用非門(mén)構(gòu)成線性放大器。由門(mén)電路的轉(zhuǎn)換特性可知，如果使它工作在線性區(qū)，它就有電壓放大能力。放大與整形電路如圖3.2所示，其中非門(mén)G1和G2構(gòu)成兩級(jí)放大器，G3和G4構(gòu)成施密特觸發(fā)器，完成整形功能。為使G1和G2工作非門(mén)處于傳輸特性的線性區(qū)，需適當(dāng)選取反饋電阻R1的阻值。注意：R1阻值不能

2、太小，否則非門(mén)的輸出與輸入之間的信號(hào)直接饋通。一般R1值比非門(mén)的輸出電阻Ro大兩個(gè)數(shù)量級(jí)（非門(mén)Ro=815k），但R1的阻值也不能太大，否則將使工作點(diǎn)穩(wěn)定性變差，甚至有可能偏離出線性區(qū)。因此，R1值應(yīng)比非門(mén)的輸入電阻Ri小12個(gè)數(shù)量級(jí)。G3和G4通過(guò)正反饋構(gòu)成施密特觸發(fā)器，電阻比值R2/R3影響其回差值，一般先確定電阻R3，可根據(jù)確定R3的值。當(dāng)R3選定后，即可確定電阻R2的值，通常按R2=(0.010.1)R3的關(guān)系來(lái)選取電阻R2的值。2.計(jì)數(shù)器電路計(jì)數(shù)器是脈搏測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分，若選用有選通脈沖輸出控制的計(jì)數(shù)器，可使得電路設(shè)計(jì)中采取動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，將大大簡(jiǎn)化電路，節(jié)省器件。此次實(shí)驗(yàn)采

3、用CD4553作為計(jì)數(shù)器。CD4553是3位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，但只有1個(gè)輸出端，要完成3位輸出，采用掃描輸出方式，通過(guò)它的選通脈沖信號(hào)，依次控制3位十進(jìn)制的輸出，從而實(shí)現(xiàn)掃描顯示方式。3.譯碼和顯示電路譯碼器的功能使把計(jì)數(shù)器CD4553輸出的計(jì)數(shù)結(jié)果(BCD)碼轉(zhuǎn)換成七段字形碼，以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)數(shù)字或符號(hào)的顯示。CD4511是常見(jiàn)的BCD碼七段顯示譯碼器，譯碼顯示采用掃描方式，輸出最大電流可達(dá)25mA，可直接驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管。電路顯示采用掃描方式，各位數(shù)碼管的共陰極分別被計(jì)數(shù)器CD4553輸出的掃描時(shí)序脈沖控制，從而實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通顯示。但為了顯示穩(wěn)定，應(yīng)使掃描時(shí)序脈沖的頻率合適。掃描頻

4、率與顯示數(shù)碼管的位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多掃描頻率越高，通常掃描頻率取幾百赫茲，可通過(guò)調(diào)整CD4553的電容Cs值來(lái)決定。數(shù)碼管限流電阻需根據(jù)數(shù)碼管電流的允許值進(jìn)行計(jì)算。若把某位顯示電路單獨(dú)畫(huà)出來(lái)（如圖3.3所示），限流電阻可按下式進(jìn)行估算：。式中，UOH為CD4511的輸出高電平，UD為L(zhǎng)ED正向工作電壓（約為1.5V2V）,IS為數(shù)碼管的每段電流（約為510mA），UCE是三極管VT的管壓降（約為1V），則可求得R1R7約為0.5k。4.時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生電路時(shí)基電路應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)方波定時(shí)脈沖，用來(lái)控制計(jì)數(shù)器CD4553的計(jì)數(shù)允許INH端，以便使計(jì)數(shù)器在定時(shí)脈沖寬度固定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行對(duì)脈搏電脈沖計(jì)數(shù)，固定時(shí)間

5、為1min或30s。為得到精確的定時(shí)信號(hào)，采用振蕩、分頻的方法，在實(shí)驗(yàn)中選用CD4060組件來(lái)完成這種功能。為得到60s脈寬的定時(shí)信號(hào)，RC振蕩器的輸出脈沖需經(jīng)214次分頻得到，電路若如圖3.4所示，則RC振蕩器的脈沖的頻率。當(dāng)CD4060接成RC振蕩器時(shí)，振蕩頻率f0與RC之間有近似關(guān)系：。電阻RT的值應(yīng)大于1k，電容CT應(yīng)大于或等于100pF。一般可先選定電容CT的容量，再根據(jù)上式估算出電阻RT的值。電阻RS是為了改善振蕩器的穩(wěn)定性，減少由于器件參數(shù)差異而引起的振蕩周期的變化而接入的，RS的值應(yīng)盡量大于RT，一般可取RS=10RT，此時(shí)振蕩周期的變化可大大減小。為了得到準(zhǔn)確的振蕩頻率值，實(shí)

6、際上RT和RS均應(yīng)采用電位器，以便調(diào)整。【實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器件】l 示波器l 電源l 面包板l 萬(wàn)用表l 壓電陶瓷HTD、CD4060串行計(jì)數(shù)器、CD4553計(jì)數(shù)器、CD4511譯碼器、電位器、電阻、電容等元器件若干【實(shí)驗(yàn)參考電路】由以上各單元電路可組合出脈搏測(cè)量系統(tǒng)的總體電路，如圖3.5所示?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1.分析實(shí)驗(yàn)參考電路，運(yùn)用Protel99SE軟件將各個(gè)單元電路部分繪制出來(lái)，并進(jìn)行PCB印制電路板設(shè)計(jì)；2.根據(jù)自己的印制電路板設(shè)計(jì)安裝實(shí)驗(yàn)電路?！緦?shí)驗(yàn)報(bào)告】1.分析各個(gè)電路單元塊的功能及其在設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題；2.說(shuō)明在裝配過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法；3.設(shè)計(jì)一個(gè)采用運(yùn)算放大器放大微弱脈沖信

7、號(hào)的放大電路?？焖贉y(cè)心率計(jì)本電路只要采樣兩次心跳，就可以“推算”出1分鐘的心跳次數(shù)，迅速直觀、觀察方便，耗電少，成本低、體積小?；驹恚罕倦娐钒研奶}沖輸入給計(jì)器之前，作了100倍頻處理，組成方框圖，如圖16-1所示。假設(shè)心跳每分鐘為n次，相當(dāng)頻率n/60Hz，則100倍頻后為5/3nHz，這時(shí)，只要計(jì)數(shù)閘門(mén)設(shè)置為0.6秒，則能準(zhǔn)確顯示出心率來(lái)。如n=76，100倍頻后頻率為127Hz，通過(guò)脈沖為127×0.6=76，正好與實(shí)際心率相符。圖16-1電路工作原理：(1)傳感、放大部分：壓電陶瓷片與CMOS反相器配合完成脈搏采樣，如圖16-2所示。    

8、      圖16-2第二級(jí)反相器工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)前一級(jí)的心跳脈沖進(jìn)行整形，當(dāng)有脈沖輸入時(shí)，輸出高電平“1”，靜態(tài)時(shí)輸出低電平“0”。(2)倍頻器電路：采用帶鎖相環(huán)的100倍頻器CD4046。調(diào)整其、腳間的VCO振蕩電容C及環(huán)路濾波器，可使環(huán)路頻率工作在0.1100Hz上。電阻R3決定最低工作頻率fmin；R4決定VCO控制電壓，它們的取值為(R3為11腳對(duì)地電阻；R4為12腳對(duì)地電阻)。若N=100，VCO：1100Hz，f=100-1=99Hz取C=0.047F，R31/f(C3-33pF)=200k。則R41/fmin(C3+33pF)

9、-21.3M。R1、R2和C5構(gòu)成的環(huán)路濾波網(wǎng)絡(luò)決定著鎖相環(huán)的傾響。與鎖相環(huán)一起構(gòu)成倍頻器的另一個(gè)重要部件是100分頻器，它實(shí)際上是一個(gè)串接的雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路。(3)譯碼、驅(qū)動(dòng)及顯示電路如圖16-3，電路核心為一片CD4553三位BCD計(jì)數(shù)器。圖16-3其內(nèi)部三個(gè)負(fù)沿觸發(fā)的BCD計(jì)數(shù)器以同步工作方式級(jí)聯(lián)在一起，每位BCD計(jì)數(shù)器輸出端都有一個(gè)四位鎖存器，可將任意時(shí)刻的計(jì)數(shù)值加以?xún)?chǔ)存，并與多路轉(zhuǎn)換器配合，完成三組BCD計(jì)數(shù)器值的分時(shí)輸出。數(shù)字選擇器輸出(DS1DS3)提供輸出同步信號(hào)，完成動(dòng)態(tài)顯示方式，低電平有效。由于循環(huán)掃描周期(本電路為0.83ms)遠(yuǎn)小于人眼的視覺(jué)暫留時(shí)間，所以可以得到穩(wěn)定的數(shù)字顯示。此電路實(shí)現(xiàn)了三位顯示而只需用一位譯碼器的簡(jiǎn)化。其中CD4511為一片BCD一鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)器。元件選擇：傳感器用