电子脉搏计的设计
1. 总体方案：
2. 课题分析:
电子脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。由给出的设计技术指标可知，脉搏计是用来测量频率较低的小信号(传感器输出电压一般为几个毫伏) ，它的基本功能应该是：
①用传感器将脉博的跳动转换为电压信号，并加以放大、整形和滤波。 ②在短时间内(15s内) 测出每分钟的脉搏数。
3. 选择总体方案:
提出方案满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出下面两种方案。
3.1方案I:
如图1-1所示，图中各部分的作用如下：
图1-1 脉搏计方案I
3.1.1传感器:
将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。 3.1.2放大与整形:
电路将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。 3.1.3倍频器:
将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将15s 内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。
3.1.4基准时间产生电路:
产生短时间的控制信号，以控制测量时间。
3.1.5控制电路:
用以保证在基准时间控制下，使4倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。
3.1.6计数、译码、显示电路:
用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。 3.1.7电源电路:
按电路要求提供符合要求的直流电源。
上述测量过程中，由于对脉冲进行了4倍频，计数时间也相应地缩短了4倍(15s)，而数码管显示的数字却是lmin 的脉搏跳动次数。用这种方案测量的误差为±4次／min ，测量时间越短，误差也就越大。
3.2方案Ⅱ:
如图1-2所示。该方案是首先测出脉搏跳动5次所需的时间，然后再换算为每分钟脉搏跳动的次数，这种测量方法的误差小，可达±1次／min 。此方案的传感器、放大与整形、计数、译码、显示电路等部分与方案I 完全相同，现将其余部分的功能叙述如下：
3.2.1六进制计数器:
用来检测六个脉搏信号，产生五个脉冲周期的门控信号。
3.2.2基准脉冲(时间) 发生器:
产生周期为0.1s 的基准脉冲信号。
3.2.3门控电路:
控制基准脉冲信号进入8位二进制计数器。
3.2.4八位二进制计数器:
对通过门控电路的基准脉冲进行计数，例如5个脉搏周期为5s ，即门打开5s 的时间，让0.1s 周期的基准脉冲信号进入8位二进制计数器，显然计数值为50，反之，由它可相应求出5个脉冲周期的时间。
3.2.5脉冲数产生电路:
产生定脉冲数信号，如3000个脉冲送入可预置8位计数器输入端。
3.2.6可预置8位计数器:
以8位二进制计数器输出值（如50）作为预置数，对3000个脉冲进行分频，所得的脉冲数（如得到60个脉冲信号），即心率，从而完成计数值换成每分钟的脉搏次数。现在所得的结果即为每分钟的脉搏数。
图1-2 脉搏计方案Ⅱ
3.3方案比较:
方案Ⅰ结构简单，易于实现，但测量精度偏低；方案Ⅱ电路结构复杂，成本高，测量精度较高。根据设计要求，精度为 ±4次／min ，在满足设计要求的前提下，应尽量简化电路，降低成本，故选择方案Ⅰ。
4. 单元电路的设计:
4.1放大与整形电路:
如上所述，此部分电路的功能是由传感器将脉搏信号转换为电信号，一般为几十毫伏，必须加以放大，以达到整形电路所需的电压，一般为几伏。放大后的信号波形是不规则的脉冲信号，因此必须加以滤波整形，整形电路的输出电压应满足计数器的要求。
4.1.1选择电路:
所选放大整形电路框图如图1-3 所示。
图1-3 放大与整形电路框图 整
形
4.1.2传感器:
传感器采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号，其原理电路如图1-4 所示。
图1-4 传感器信号调节理电路
图1-5 同相放大器电路
图中，红外线发光管VD 采用TLN104，接收三极管TLP104。用+5V电源供电，R 1取500Ω，R 2取10k Ω。
4.1.3放大电路:
由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器，如图1-5 所示，运放采用了LM324，电源电压±5V ，放大电路的电压放大倍数为10倍左右，电路参数如下：R 4=100kΩ，R 5=910kΩ，R 3为10k Ω电位器， C1=100μF 。
4.1.4有源滤波电路:
采用了二阶压控有源低通滤波电路，如图1-6 所示，作用是把脉搏信号中的高频干扰信号去掉，同时把脉搏信号加以放大，考虑到去掉脉搏信号中的干扰尖脉冲，所以有源滤波电路的截止频率为lkHz 左右。为了使脉搏信号放大到整形电路所需的电压值，通常电压放大倍数选用1.6倍左右。集成运放采用LM324。
4.1.5整形电路:
经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有低频干扰，仍不满足计数器的要求，必须采用整形电路，这里选用了滞回电压比较器，如图1-7 所示，其目的是为了提高抗干扰能力。集成运放采用了LM339，其电路参数如下：R 10=5.1kΩ，R 11=100kΩ，R 12=5.1kΩ。电源电压±5V 。由于LM339属于集电级开路输出，使用时输出端应加2k Ω的上拉电阻。
图1-6 二阶有源滤波
图1-7 施密特整形电路和电平转换电路
4.1.6电平转换电路:
由比较器输出的脉冲信号是一个正负脉冲信号，不满足计数器要求的脉冲信号，故采用电平转换电路，见图1-7。
4.2放大与整形部分电路:
如图1-8
所示
4.2.1倍频电路:
该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频，以便在15s 内测出l min 内的人体脉搏跳动次数，从而缩短测量时间，以提高诊断效率。
倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的异或门组成的4倍频电路，如图1-9
所
G1和G2构成二倍频电路，利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用，当输入由“0”变成“1”或由“1”变成“0”时，都会产生脉冲输出。
电容器c 的作用是为了增加延迟时间，从而加大输出脉冲宽度。根据实验结果选用C 4=33μF ，R 13=10kΩ，R 14= l0kΩ，C 5= 6.8μF 。由两个二倍频电路就构成了四倍频电路。其中异或门选用了CC4070。
4.2.2基准时间产生电路:
基准时间产生电路的功能是产生一个周期为30s(即脉冲宽度为15s) 的脉冲信号，以控制在15s 内完成一分钟的测量任务。实现这一功能的方案很多，我们采用如图1-10 的方案。
图1-10 基准时间产生电路
图1-9 四倍频电路
由框图可知，该电路由秒脉冲发生器、十五分频电路和二分频电路组成。
a. 秒脉冲发生器:
电路如图1-11 所示。为了保证基准时间的准确，采用了石英晶体振荡电路，石英晶体的主频为32．768kHz ，反相器采用CMOS 器件， R15可在5～30M Ω范围内选择，R 16可在10～150k Ω范围内选择，振荡频率基本等于石英晶体的谐振频率，改变C 7的大小对振荡频率有微调的作用。这里选用 R15为5.1M Ω，R 16为51k Ω，C 6为56pF ，C 7为3～56pF ，反相器利用了 CC4060中的反相器，如图1-11和1-12所示。选用CC4060 14位二进制计数器对32．768kHz 进行14次二分频，产生一个频率为2Hz 的脉冲信号，然后用双D 触发器CC4013进行二分频得到周期为1s 的脉冲信号。
图1-11 石英晶体振
C
b. 十五分频和二分频器: 图1-12 秒脉冲发生器
电路如图1-13所示，由SN74161组成十五进制计数器，进行十五分频，然
后用CC4013组成二分频电路，产生一个周期为30s 的方波，即一个脉宽为15s
的脉冲信号。
c. 基准时间产生部分的电路图: 11
图1-13 十五分频二分频电路
图1-14 基准时间产生
d. 计数、译码、显示电路:
该电路的功能是读出脉搏数，以十进制数形式用数码管显示出来，如图1-15所示。 12
图1-15 计数、译码、显示电路
因为人的脉搏数最高是150次／min ，所以采用3位十进制计数器即可。该电路用双BCD 同步十进制计数器CC4518构成3位十进制加法计数器，用 CC4511BCD-七段译码器译码，用七段数码管LT547R 完成七段显示。
13
4.3控制电路:
控制电路的作用主要是控制脉搏信号经放大、整形、倍频后进入计数器的时间，另外还应具有为各部分电路清零等功能如图1-16所示。
图1-16 控制电路
14
画总电路图
根据以上设计好的单元电路和图1-1所示的框图，可画出本题的总体电路，如图1-17所示。
1-17 脉搏计的总体电路图
15
5. 设计小结:
通过紧张有序的设计实践，我觉得自己的动手能力有了很大的提高; 自信心也增强了. 在课程设计中自己动脑子解决遇到的问题，书本上的知识有了用武之地，这巩固和深化了自己的知识结构。
通过这次实习我学到了很多的东西. 我是电子信息工程专业的学生，设计是我们将来必需的技能，这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路定位的再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。可以说，本次设计有苦也有甜。
设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备，像
查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。
我们要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。
留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如控制电路，基准时间电路等。在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在老师的耐心指导下，使整个电路可稳定工作。我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。
总体来说，这次实习我受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。我觉得以后更要加强这方面的设计，提高自己的能力。
16
参考文献:
1．电路与电子学 刘淑英 蔡胜乐主编 清华大学出版社
2．音响设备原理与维修 钟光明主编 清华大学出版社
3．数字电子技术基础 周亮全主编 北京高等教育出版社
4．电子技术基础实验指导书 孙芳仪主编 机械工业出版社
5．常用电子元器件简明手册
唐新主编 高等教育出版社 17
18
电子脉搏计的设计
1. 总体方案：
2. 课题分析:
电子脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。由给出的设计技术指标可知，脉搏计是用来测量频率较低的小信号(传感器输出电压一般为几个毫伏) ，它的基本功能应该是：
①用传感器将脉博的跳动转换为电压信号，并加以放大、整形和滤波。 ②在短时间内(15s内) 测出每分钟的脉搏数。
3. 选择总体方案:
提出方案满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出下面两种方案。
3.1方案I:
如图1-1所示，图中各部分的作用如下：
图1-1 脉搏计方案I
3.1.1传感器:
将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。 3.1.2放大与整形:
电路将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。 3.1.3倍频器:
将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将15s 内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。
3.1.4基准时间产生电路:
产生短时间的控制信号，以控制测量时间。
3.1.5控制电路:
用以保证在基准时间控制下，使4倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。
3.1.6计数、译码、显示电路:
用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。 3.1.7电源电路:
按电路要求提供符合要求的直流电源。
上述测量过程中，由于对脉冲进行了4倍频，计数时间也相应地缩短了4倍(15s)，而数码管显示的数字却是lmin 的脉搏跳动次数。用这种方案测量的误差为±4次／min ，测量时间越短，误差也就越大。
3.2方案Ⅱ:
如图1-2所示。该方案是首先测出脉搏跳动5次所需的时间，然后再换算为每分钟脉搏跳动的次数，这种测量方法的误差小，可达±1次／min 。此方案的传感器、放大与整形、计数、译码、显示电路等部分与方案I 完全相同，现将其余部分的功能叙述如下：
3.2.1六进制计数器:
用来检测六个脉搏信号，产生五个脉冲周期的门控信号。
3.2.2基准脉冲(时间) 发生器:
产生周期为0.1s 的基准脉冲信号。
3.2.3门控电路:
控制基准脉冲信号进入8位二进制计数器。
3.2.4八位二进制计数器:
对通过门控电路的基准脉冲进行计数，例如5个脉搏周期为5s ，即门打开5s 的时间，让0.1s 周期的基准脉冲信号进入8位二进制计数器，显然计数值为50，反之，由它可相应求出5个脉冲周期的时间。
3.2.5脉冲数产生电路:
产生定脉冲数信号，如3000个脉冲送入可预置8位计数器输入端。
3.2.6可预置8位计数器:
以8位二进制计数器输出值（如50）作为预置数，对3000个脉冲进行分频，所得的脉冲数（如得到60个脉冲信号），即心率，从而完成计数值换成每分钟的脉搏次数。现在所得的结果即为每分钟的脉搏数。
图1-2 脉搏计方案Ⅱ
3.3方案比较:
方案Ⅰ结构简单，易于实现，但测量精度偏低；方案Ⅱ电路结构复杂，成本高，测量精度较高。根据设计要求，精度为 ±4次／min ，在满足设计要求的前提下，应尽量简化电路，降低成本，故选择方案Ⅰ。
4. 单元电路的设计:
4.1放大与整形电路:
如上所述，此部分电路的功能是由传感器将脉搏信号转换为电信号，一般为几十毫伏，必须加以放大，以达到整形电路所需的电压，一般为几伏。放大后的信号波形是不规则的脉冲信号，因此必须加以滤波整形，整形电路的输出电压应满足计数器的要求。
4.1.1选择电路:
所选放大整形电路框图如图1-3 所示。
图1-3 放大与整形电路框图 整
形
4.1.2传感器:
传感器采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号，其原理电路如图1-4 所示。
图1-4 传感器信号调节理电路
图1-5 同相放大器电路
图中，红外线发光管VD 采用TLN104，接收三极管TLP104。用+5V电源供电，R 1取500Ω，R 2取10k Ω。
4.1.3放大电路:
由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器，如图1-5 所示，运放采用了LM324，电源电压±5V ，放大电路的电压放大倍数为10倍左右，电路参数如下：R 4=100kΩ，R 5=910kΩ，R 3为10k Ω电位器， C1=100μF 。
4.1.4有源滤波电路:
采用了二阶压控有源低通滤波电路，如图1-6 所示，作用是把脉搏信号中的高频干扰信号去掉，同时把脉搏信号加以放大，考虑到去掉脉搏信号中的干扰尖脉冲，所以有源滤波电路的截止频率为lkHz 左右。为了使脉搏信号放大到整形电路所需的电压值，通常电压放大倍数选用1.6倍左右。集成运放采用LM324。
4.1.5整形电路:
经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有低频干扰，仍不满足计数器的要求，必须采用整形电路，这里选用了滞回电压比较器，如图1-7 所示，其目的是为了提高抗干扰能力。集成运放采用了LM339，其电路参数如下：R 10=5.1kΩ，R 11=100kΩ，R 12=5.1kΩ。电源电压±5V 。由于LM339属于集电级开路输出，使用时输出端应加2k Ω的上拉电阻。
图1-6 二阶有源滤波
图1-7 施密特整形电路和电平转换电路
4.1.6电平转换电路:
由比较器输出的脉冲信号是一个正负脉冲信号，不满足计数器要求的脉冲信号，故采用电平转换电路，见图1-7。
4.2放大与整形部分电路:
如图1-8
所示
4.2.1倍频电路:
该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频，以便在15s 内测出l min 内的人体脉搏跳动次数，从而缩短测量时间，以提高诊断效率。
倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的异或门组成的4倍频电路，如图1-9
所
G1和G2构成二倍频电路，利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用，当输入由“0”变成“1”或由“1”变成“0”时，都会产生脉冲输出。
电容器c 的作用是为了增加延迟时间，从而加大输出脉冲宽度。根据实验结果选用C 4=33μF ，R 13=10kΩ，R 14= l0kΩ，C 5= 6.8μF 。由两个二倍频电路就构成了四倍频电路。其中异或门选用了CC4070。
4.2.2基准时间产生电路:
基准时间产生电路的功能是产生一个周期为30s(即脉冲宽度为15s) 的脉冲信号，以控制在15s 内完成一分钟的测量任务。实现这一功能的方案很多，我们采用如图1-10 的方案。
图1-10 基准时间产生电路
图1-9 四倍频电路
由框图可知，该电路由秒脉冲发生器、十五分频电路和二分频电路组成。
a. 秒脉冲发生器:
电路如图1-11 所示。为了保证基准时间的准确，采用了石英晶体振荡电路，石英晶体的主频为32．768kHz ，反相器采用CMOS 器件， R15可在5～30M Ω范围内选择，R 16可在10～150k Ω范围内选择，振荡频率基本等于石英晶体的谐振频率，改变C 7的大小对振荡频率有微调的作用。这里选用 R15为5.1M Ω，R 16为51k Ω，C 6为56pF ，C 7为3～56pF ，反相器利用了 CC4060中的反相器，如图1-11和1-12所示。选用CC4060 14位二进制计数器对32．768kHz 进行14次二分频，产生一个频率为2Hz 的脉冲信号，然后用双D 触发器CC4013进行二分频得到周期为1s 的脉冲信号。
图1-11 石英晶体振
C
b. 十五分频和二分频器: 图1-12 秒脉冲发生器
电路如图1-13所示，由SN74161组成十五进制计数器，进行十五分频，然
后用CC4013组成二分频电路，产生一个周期为30s 的方波，即一个脉宽为15s
的脉冲信号。
c. 基准时间产生部分的电路图: 11
图1-13 十五分频二分频电路
图1-14 基准时间产生
d. 计数、译码、显示电路:
该电路的功能是读出脉搏数，以十进制数形式用数码管显示出来，如图1-15所示。 12
图1-15 计数、译码、显示电路
因为人的脉搏数最高是150次／min ，所以采用3位十进制计数器即可。该电路用双BCD 同步十进制计数器CC4518构成3位十进制加法计数器，用 CC4511BCD-七段译码器译码，用七段数码管LT547R 完成七段显示。
13
4.3控制电路:
控制电路的作用主要是控制脉搏信号经放大、整形、倍频后进入计数器的时间，另外还应具有为各部分电路清零等功能如图1-16所示。
图1-16 控制电路
14
画总电路图
根据以上设计好的单元电路和图1-1所示的框图，可画出本题的总体电路，如图1-17所示。
1-17 脉搏计的总体电路图
15
5. 设计小结:
通过紧张有序的设计实践，我觉得自己的动手能力有了很大的提高; 自信心也增强了. 在课程设计中自己动脑子解决遇到的问题，书本上的知识有了用武之地，这巩固和深化了自己的知识结构。
通过这次实习我学到了很多的东西. 我是电子信息工程专业的学生，设计是我们将来必需的技能，这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路定位的再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。可以说，本次设计有苦也有甜。
设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备，像
查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。
我们要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。
留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如控制电路，基准时间电路等。在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在老师的耐心指导下，使整个电路可稳定工作。我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。
总体来说，这次实习我受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。我觉得以后更要加强这方面的设计，提高自己的能力。
16
参考文献:
1．电路与电子学 刘淑英 蔡胜乐主编 清华大学出版社
2．音响设备原理与维修 钟光明主编 清华大学出版社
3．数字电子技术基础 周亮全主编 北京高等教育出版社
4．电子技术基础实验指导书 孙芳仪主编 机械工业出版社
5．常用电子元器件简明手册
唐新主编 高等教育出版社 17
18