一、設(shè)計(jì)任務(wù)

仿真原理圖文件 聯(lián)系企鵝號(hào)?3270516346

1.1???課題概述

本課題的要求是設(shè)計(jì)出一款數(shù)字心率計(jì)，通過(guò)傳感器將測(cè)量的心率信號(hào)通過(guò)處理，能夠用數(shù)碼管顯示心率大小出來(lái)，并且要求效率高。本課題的思路為用壓力傳感器測(cè)量人脈搏跳動(dòng)，壓力傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)一系列電路處理，形成可用于檢測(cè)的脈沖信號(hào)，再經(jīng)電路處理，最后由數(shù)碼管顯示其數(shù)值。 用multisim仿真軟件進(jìn)行電路的仿真設(shè)計(jì)。

1.2 ?系統(tǒng)功能要求

1、能夠在15S左右的時(shí)間測(cè)量出心率的大??；

2、顯示范圍為 40~200次/分；

3、測(cè)量誤差≤± 4 次/分；

4、3位七段數(shù)碼管顯示；

1.3?數(shù)字電路設(shè)計(jì)要求

1、在選擇器件時(shí)，應(yīng)考慮成本，使系統(tǒng)成本盡可能的低；

2、使設(shè)計(jì)的電路使用的芯片的種類和數(shù)量盡可能的少；

3、根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)分析計(jì)算確定電路和元器件參數(shù)；

4、傳感器輸出電壓較小，頻率較低，所以器件應(yīng)該有良好的低頻特性，且精度高。

1.4?EDA仿真實(shí)驗(yàn)要求

1、熟練使用multisim仿真軟件；

2、電路連接排布整齊，美觀

二、總體方案設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)方案方框圖

?

2.2??方案介紹

1、用傳感器將心臟的跳動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，一般的傳感器輸出的電壓很小，只有幾毫伏的電壓，所以需要用放大器進(jìn)行放大。傳感器輸出的電壓中，常常會(huì)伴有高頻或低頻電壓，形成干擾信號(hào)，所以需要濾波器進(jìn)行濾波，將干擾信號(hào)去除掉，由于信號(hào)頻率很低，所以采用低通濾波器。將濾波后的電路，通過(guò)一施密特電路整形為方波，使電路計(jì)數(shù)方便。

???2、我們測(cè)量的心率為一分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)，為了縮短測(cè)量的時(shí)間、提高測(cè)量的精度，我們可以選擇測(cè)量15s內(nèi)的次數(shù)，然后將次數(shù)在乘四倍，但是精度較低；所以我們將整形后的電路，通過(guò)四倍頻電路將其頻率變?yōu)樵瓉?lái)的四倍，這時(shí)15s內(nèi)測(cè)得的頻率就為原來(lái)一分鐘內(nèi)的頻率。

3、通過(guò)時(shí)間基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生一個(gè)周期為15s的信號(hào)來(lái)控制邏輯控制電路。當(dāng)時(shí)基電路在控制周期內(nèi)時(shí)，控制電路使閘門電路導(dǎo)通，計(jì)數(shù)器、鎖存器工作，開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)15s后，閘門電路關(guān)閉。這時(shí)通過(guò)譯碼電路將計(jì)數(shù)的大小顯示出來(lái)，數(shù)碼管顯示的數(shù)字就為心率的大小。

三、單元電路設(shè)計(jì)

3.1??傳感器的選擇

采用MPX2050GP壓力傳感器

特點(diǎn)：該傳感是帶溫度補(bǔ)償?shù)臄U(kuò)散硅壓力傳感器，它具有良好的線性和溫度穩(wěn)定，并且靈敏度高、造價(jià)低，是一種專門用于血壓測(cè)量的傳感器。

輸出電壓范圍：-15mV到15mV。

????傳感器靈敏度：0.8V/KPa

在multisim仿真中，用正玄波信號(hào)代替?zhèn)鞲衅鳟a(chǎn)生的信號(hào)。

3.2??放大電路選擇與參數(shù)計(jì)算

3.2.1??放大電路的選擇

????放大電路采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，輸入、輸出電壓恒定；在信號(hào)源與放大電路之間在接一電壓跟隨器，使負(fù)反饋放大電路輸入電壓穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)放大器的放大后，使輸出電壓為5到10V。下圖為放大電路原理圖。

3.2.2??放大電路參數(shù)計(jì)算

1、集成運(yùn)算放大器采用型號(hào)為L(zhǎng)M324的集成運(yùn)放，用正負(fù)15V的電壓供電。

2、電壓跟隨器輸出電壓U0=UI,輸出電壓不變，只起穩(wěn)定作用。

3、輸入電壓UI一般為10mV左右，想要使輸出電壓為5V到10V，則電壓放大倍數(shù)為500；由電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路電壓放大倍數(shù) Au=1+R1/R2，所以Au=500時(shí)，取R1/R2=500。

4、當(dāng)R2=1K時(shí)，R1則為500K。

5、當(dāng)輸入電壓為有效值為10mV，頻率為60Hz時(shí)，放大后的輸出電壓波形如圖所示：

3.3?濾波電路設(shè)計(jì)

3.3.1?電路的選擇與計(jì)算

1、濾波電路選用同相輸入有源低通濾波器，將疊加的高頻波去除，電路原理圖如圖：

2、人心跳頻率約為60到150次每分鐘，所以最高頻率為2.5Hz?？紤]到其他因素影響，所以將頻率高于5Hz的波形濾除掉，即此低通濾波器的截至頻率為5Hz。

??3、截至頻率f0=1/2πRC;所以1\RC=31.4；取R=10k，則電容C約為3uF;

4、此電路也有電壓放大的作用，放大倍數(shù)為1+R2/R1，我們使它的放大倍數(shù)為1.1，來(lái)補(bǔ)償因?yàn)V波器而損耗的電壓；取R2=1k,則R1=10K。

3.3.2??濾波器電路圖

采用型號(hào)為L(zhǎng)M324的放大器，用正負(fù)15V電壓供電。

3.4?整形電路的設(shè)計(jì)

3.4.1?電路的選擇

???1、采用施密特觸發(fā)電路進(jìn)行整形，將模擬信號(hào)變?yōu)楦叩碗娖降臄?shù)字信號(hào)

???2、施密特觸發(fā)電路能夠?qū)⑦呇刈兓徛男盘?hào)變?yōu)檫呇囟盖偷男盘?hào)，還可以有效去除噪音，能夠?qū)崿F(xiàn)波形的變換，將其他的波形變?yōu)榉讲?，性能良好?/span>

???3、用集成運(yùn)放和電阻組成施密特電路

3.4.2??電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算

??1、施密特電路的電壓傳輸特性為：

施密特電路為：

2、采用同相的施密特電路，使正負(fù)閾值電壓分別為3V、-3V；由UT=R1/R2UZ, UZ約為6V，所以R1/R2=1/2，取R1=1K，則R2=2K。

3、電路圖為：

3.5?四倍頻電路

3.5.1??電路原理

一個(gè)二倍頻電路原理為：

電路由一個(gè)同或門與一個(gè)時(shí)鐘上升沿有效的D觸發(fā)器（連接成翻轉(zhuǎn)器）組成，其中clk_in為外部輸入時(shí)鐘周期信號(hào)，clk_out為二倍頻輸出信號(hào)。下圖為其輸入輸出波形：

根據(jù)上圖可以看出，輸出clk_out的頻率變?yōu)閏lk_in頻率的二倍。

在同或門的輸入端，Q*信號(hào)上再加上一RC延時(shí)電路，就可以使輸出高電平的時(shí)間延長(zhǎng)，增大占空比。電路為：

3.5.2???電路圖和計(jì)算

1、用兩個(gè)二倍頻電路串行連接，就構(gòu)成了四倍頻的電路；

2、兩個(gè)電路的延時(shí)應(yīng)不同，即兩個(gè)電路RC不同；

3、取第一個(gè)電路R=500K,C=2uF,則RC=2S；第二個(gè)電路R=100K，C=2uF;

4、選擇74LS86異或門芯片和74LS04非門芯片，兩芯片組成一個(gè)同或門；選用74LS74芯片，74LS74芯片為上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器，D觸發(fā)器的特征方程為Q*=D。

5、整體倍頻電路為：

3.6?時(shí)間基準(zhǔn)電路

3.6.1?采用電路

??1、時(shí)基信號(hào)是測(cè)量的基礎(chǔ)，這個(gè)信號(hào)可以用多諧振蕩電路產(chǎn)生，而多諧振蕩電路可以用555定時(shí)器構(gòu)成；

??2、要使有效電平維持時(shí)間為15S，所以周期要大于15S，我們采用占空比為50%的方波電路作為時(shí)基電路，則周期為30S。由于電路的頻率太小，如果用555定時(shí)器直接產(chǎn)生，則誤差會(huì)非常大，所以我們用多諧振蕩器產(chǎn)生一個(gè)周期為1S的方波，然后再將其進(jìn)行15分頻，在將分頻后的電路接入一個(gè)T觸發(fā)器，作為T觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào) 輸入端，則T觸發(fā)器輸出的則為周期為30S，占空比50%的方波；

3、分頻電路用計(jì)數(shù)器代替，計(jì)數(shù)器有分頻的作用。用74LS161計(jì)數(shù)芯片作為分頻的芯片，74LS161為十六進(jìn)制芯片再將其用置數(shù)法接為十五進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，進(jìn)位端輸出的則為十五分頻，74LS161的功能表為：

3、常用的555定時(shí)器為NE555定時(shí)器，NE555定時(shí)器的功能表為：

4、T觸發(fā)器采用JK觸發(fā)器制成，將JK觸發(fā)器的J、K兩端相接，則構(gòu)成T觸發(fā)器。JK觸發(fā)器采用74LS76芯片。74LS76芯片的功能表為：

3.6.2?電路和參數(shù)計(jì)算

???1、用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器的電路原理圖為：

2、要產(chǎn)生周期為1S的電路，則T=（R1+2R2）cln2;取電容C=1uF，則R1+2R2=1440K，取R1=R2，則R1=R2=480K；

3、將振蕩電路的輸出作為74LS161芯片的時(shí)鐘信號(hào)輸入端，將74LS161接成15進(jìn)制芯片：

4、所以，時(shí)基電路為：

3.7計(jì)數(shù)和鎖存電路

3.7.1?電路設(shè)計(jì) ?

1、計(jì)數(shù)器對(duì)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，鎖存器是在控制信號(hào)結(jié)束時(shí)將記得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使數(shù)碼管能穩(wěn)定的顯示此時(shí)計(jì)數(shù)器的值；

2、計(jì)數(shù)器采用芯片74LS160，74LS160為同步十進(jìn)制芯片。因?yàn)橛?jì)數(shù)的范圍為40到200，所以采用3片74LS160構(gòu)成同步三位計(jì)數(shù)器，74LS160的功能表與74LS161芯片的功能表相同；

3、鎖存器的輸入為計(jì)數(shù)器的輸出，鎖存器采用74LS373；74LS373的功能表為：

3.7.2??電路圖：

3.8?譯碼和顯示電路

通過(guò)譯碼器和數(shù)碼管將計(jì)數(shù)所得的頻率數(shù)顯示出來(lái)，譯碼器選用數(shù)碼管顯示專用譯碼器7448芯片，數(shù)碼管采用共陽(yáng)極數(shù)碼管，為防止數(shù)碼管電流過(guò)載，在7448芯片與數(shù)碼管之間再加以電阻值為200的電阻；7448芯片的邏輯圖為：

芯片功能表為：

譯碼顯示電路總體為：

3.9?顯示控制電路

??所有的功能子模塊都有了，還需要控制電路將其有機(jī)的連接在一起。顯示控制電路如圖所示：

在時(shí)基信號(hào)有效時(shí)（高電平，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)），電阻R13和電容組成的積分電路對(duì)與門輸入端為高電平，而與門的另一個(gè)輸入端為低電平，與門輸出為低電平；在此時(shí)，計(jì)數(shù)器清零端為高電平，計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)。

當(dāng)時(shí)基信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，由于積分電路的存在，與門會(huì)輸出一段時(shí)間的高電平，使鎖存器鎖存當(dāng)前計(jì)數(shù)值；當(dāng)鎖存完成后計(jì)數(shù)器清零端會(huì)輸入低電平，使計(jì)數(shù)器清零，15S后計(jì)數(shù)器再次計(jì)數(shù)。這樣就將計(jì)數(shù)器、鎖存器、時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)結(jié)合在一起工作。

四、電路的測(cè)試和仿真運(yùn)行

4、1?總體電路運(yùn)行調(diào)試

??1、?操作方法與運(yùn)行過(guò)程：

??首先設(shè)置好正玄波的頻率和幅值，即設(shè)置傳感器的頻率，人心跳的頻率一般為1到2Hz，幅值10mV左右；然后運(yùn)行電路，等待電路運(yùn)行15S后，數(shù)碼管就會(huì)顯示心率的大小；然后電路會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，計(jì)數(shù)器被清零，在有15S后電路重新開始計(jì)數(shù)，留有15S的時(shí)間讓觀察者觀察，而數(shù)碼管保持上次計(jì)數(shù)的大小，提高了效率，計(jì)數(shù)15S后數(shù)碼管顯示的數(shù)值為再次計(jì)數(shù)的心率大小。

2、測(cè)試

以正玄波代替?zhèn)鞲衅鳟a(chǎn)生的信號(hào)，假設(shè)信號(hào)頻率分別為1.7Hz、1.2Hz，有效值為5mV。則啟動(dòng)電路運(yùn)行一段時(shí)間后，數(shù)碼管理論上顯示的心率為102次/min、72次/min；在計(jì)數(shù)器的輸出端外加一個(gè)虛擬數(shù)碼管，用以顯示此時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。

運(yùn)行15S后，信號(hào)頻率為1.7Hz的電路數(shù)碼管顯示為：

與理論值相同。

??運(yùn)行15S后，信號(hào)頻率為1.2Hz的電路，數(shù)碼管顯示為：

?與理論值的誤差為2，在誤差允許的范圍內(nèi)。

4.2濾波電路測(cè)試

?????我們?cè)O(shè)定濾波器的截至頻率為5Hz，當(dāng)傳感器輸出的電壓中混有頻率為50Hz的干擾信號(hào)時(shí)，在濾波器輸出的信號(hào)波形為（通道一信號(hào)為傳感器輸出信號(hào)，通道二為濾波器輸出信號(hào)）；

通過(guò)此圖可以看出，可以將干擾信號(hào)有效的去除。

4.3?倍頻電路測(cè)試

????倍頻電路的功能是將原波形的頻率變?yōu)樗谋?，通過(guò)下圖示波器顯示，通道一波形為倍頻前的波形，通道二的波形為倍頻后的波形，通過(guò)觀察，在原波形運(yùn)行一個(gè)周期后，倍頻后的波形已經(jīng)運(yùn)行了四次，所以實(shí)現(xiàn)了將原波形的四倍頻。

五 總體電路與元器件

5.1、元器件清單

5.2、總體電路圖