数电模电大作业设计.docx

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数电模电大作业设计

数电模电大作业设计

脉搏与心电信号采集与监测系统

小组成员：

李伟龙02089014

武俊强02089020

张欢02089028

一设计目的和背景

近年来随着改革开放的不断深入以及我国经济的迅猛发展，人民的生活水平有了很大的提高。

人们也越来越注重自己的健康问题，脉搏与心率测试作为一种预防手段也被越来越多的人接受。

因此如果设计和生产一种廉价、性能灵敏可靠的脉搏与心率系统用于居民家中，必将在健康预防方面发挥更加有效的作用。

该系统使用于便捷快捷的心率测试。

其特点是灵敏、可靠，出现异常情况，可以立即报警；。

报警时警灯会闪亮，提示人们应该进一步关注健康问题。

。

二设计任务与要求

1设计题目

脉搏与心电信号采集与监测系统设计

2设计任务与要求

1.设计脉搏或心电信号采集与监测系统

·增益：

60dB～70dB～80dB三档可调；

·带宽;0.01HZ～200HZ，可插入50HZ陷波器。

2.设计测量和显示心率的数字电路（用七段数码管）。

3.设计心率越限报警电路（报警范围为f。

<40次/分f。

>150次/分），报警方式，屏幕显示。

4.完成模拟电路和数字电路的仿真和虚拟实验。

5.完成电路元器件的选择。

6.。

完成印刷版设计。

三设计方案论证及方块图

目综合各种心率监测系统的优缺点，并根据本设计要求及性能指标，兼顾可行性、可靠性和经济性等各种因素，确定心率监测系统主要组成部分的方块图如图1所示。

它由仪用放大器，滤波器，整形电路，心率监测电路，心率显示和报警器六部分组成。

首先，传感器将采集到的心电信号输入放大器进行放大，因为通常直接采集到得心电信号很是微弱，不利于后续电路对其进行处理，而放大器主要可以使用仪用放大器，因为仪用放大器具有输入电阻大，共模抑制比高，增益调节方便等许多优点，很适合于放大生物信号，再次是滤波，因为在电路工作时总会在有用信号里加入工频信号，而工频信号的频率以50HZ为主，因此应该滤除工频频率波减少实验误差，至此模拟部分便得以完成，接下来是数字部分，这就要求中间要有一个模拟和数字的转化器件，即就是整形电路，它将连续变化的模拟信号转化为只有高低电平的数字信号以便后续数字电路使用，这一部分设计时还要考虑干扰信号的作用，故采用抗干扰比较强的迟滞比较的办法，再下来就是该设计的主要部分---心率测量部分，根据频率的概念，测量心率必须在一分钟内进行，考虑到时间太长，可以先将心电信号进行4倍频，这样就可以将测量时间缩短到15秒，大大缩短了测量所用的时间，测量可以采用计数器来实现，接下来信号分两路传输，一路到显示部分进行显示，一路到报警系统，显示采用七段显示管，报警则可以采用数字比较器进行，基准比较数字为40和150,通过测量的心率与基准数字的大小关系产生相关信号控制灯的亮和灭，已达到报警的作用，根据以上分析可以得出总体设计流程如下表所示：

图1脉搏与心电信号采集与监测系统

四电路的组成及工作原理

模拟部分

首先这部分的总体设计电路图如下所示：

图2心电信号放大与50HZ陷波电路

1单元电路的分析设计

（一）仪用放大器设计

其主要功能为通过改变开关和变阻器改变电阻值，实现不同倍数的放大。

电路图如下：

图3仪用放大器电路

该部分是三个运算放大器构成的仪用放大器，其增益表达式为:

其中

为变换放大倍数所变化的三个电阻，

为U1,U2的负反馈电阻，

为U1,U2和U3之间的

当放大增益分别为60dB～70dB～80dB时，有公式

可知对应的放大倍数为1000，

，10000，现给输入放大器分配的放大倍数分别是20，63，200；R1赋值100千欧，R2赋值5千欧，由以上增益表达式和分配的放大倍数即可求出不同放大倍数下的电阻值，各控制增益的电阻的选取用三个开关来实现，

的作用是隔直流，

微调电阻，可以使得结果更加精准，电路仿真结果为;

图4心电信号放大模拟结果

由仿真结果的对应的放大倍数分别是;20.0165.34214.87,由于电阻精确度所限存在一定的误差，可经过微调电位计R11来修正。

（二）陷波器设计

陷波器通过双T网络进行滤波，滤除50Hz的工频干扰波。

经推倒该滤波器的传输函数为

将其与标准的二阶带阻滤波器传递函数

比较得到陷波器的角频率

还可以得到-3dB带宽为

（R即是R18,R19。

RP是R21。

R1是R22变阻器，C是C5,C4）,给定R的值，便可由陷波中心角频率50HZ计算出电容C的值，通过调节

的值来改变阻带宽度，模拟用两个交流源实现，其中一个频率为50HZ，用示波器和波特仪分别观察波形和幅频特性，模拟如下：

图550HZ滤波电路设计

图650HZ滤波幅频特性电路仿真图

可见电路实现了对50Hz信号的滤波，从而可以有效地避免了噪声信号的干扰，保证了测量的准确性。

（三）输出放大器设计

输出放大器实现对输入信号进行50倍的放大，加上之前输入仪用放大器的放大，从而完成对心电信号60dB～70dB～80dB的放大。

这部分采用简单的同相比例放大器实现输出放大，并且采用负反馈稳定输出结果，其中同相比例放大器的增益表达式为

其中R16为微调电阻器，可以使得模拟结果更加精确，根据50倍的放大倍数，给定R15的值确定R6的值，

图7放大器电路输出电路图及仿真结果

由仿真结果可见电路对输入信号实现了50.78倍的放大，可通过微调电位器使其接近50倍。

（四）模电部分总体仿真结果

由仿真结果得电路对心电信号实现了60dB～70dB～80dB的放大，且满足带宽;0.01HZ～200HZ，并实现了对50HZ信号的陷波，总体上达到要求。

图8模电部分总体仿真图

数字部分

数字部分主要由以下几部分组成：

（1）心电信号整形电路。

此部分主要是将连续的模拟信号通过整形电路转化为可被计数的数字信号。

便于计数器计数

（2）倍频与15秒门信号的产生，此部分主要是对整形后的心电信号进行4倍频，产生15秒的们信号，两者相与后通过计数器即可直接测出心率（3）计数显示和报警部分

一整形电路

这部分的电路及其仿真结果如图所示：

图9心电信号整形电路图及其仿真结果图示

采用555进行整流，由图可以看出当输入信号上升至1.5V时输出信号由低电平转化为高电平，而当输入信号下降至760mV时输出信号由高电平转化为低电平，从而对连续的心电信号实现了数字化，此整形电路采用了迟滞比较的思路，使得比较电平不唯一，使得上限电压不同于下限电压，之间存在落差，只要干扰信号的强度不超过该回执电压就不会影响电平的变化，从而有效降低了外部干扰对信号的影响。

器件参数及型号选择：

比较是主要采用555进行，此电路中的四个交流电压源可以随意选取，其作用只是为了测试该电路的正确性，1.5V的电压源可以影响整形时的上下门限电压，进而可以调节上门限电压和下门限电压，

二4倍频电路及其15秒门信号的产生

首先，15秒门信号的产生电路图如下：

图1015秒信号的产生

首先利用555产生一个秒信号，然后经过74160各位计数进位直至产生15秒信号，期间该电路输出一直为高电平，秒信号的产生由LM556CN产生，计数由74LS160进行，0到15秒时输出信号为高，大于15秒时输出信号为低，各个参数及型号见表三

三计数显示及报警电路

这部分电路如图所示

图11计数显示及报警电路

用1khz的方波信号模拟作为心电信号，与15秒信号的与信号，以40次/分钟和150次/分钟作为比较对象，用74LS160D作为计数器，用74LS85D作为数字比较器与基准心率进行比较，小于40时蓝灯亮，大于150时红灯亮，显示器选择HEX-DISPLAY,具体器件型号见表2，显示时可以将各位右移两位，显示到数码显示器即实现4倍频，

总结：

通过验证证明，该设计方案是比较成功的。

但是其中难免存在一些错误和缺陷，请老师能给予批评和指证，使该设计更加完善。

此次设计让我们能够亲身参予电子产品的设计，使得我们更加深刻地体会到：

现代的社会是信息的社会，而各类电子产品也在我们的生活中发挥着越来越重要的作用。

我们也认识到不仅要学好课本上的知识，还要学会将所学到的知识联系并应用到现实生活中，做到理论联系实际。

七参考文献

1.孙肖子等，《模拟电子电路及技术基础》，（第二版），西安，西电出版社，2008.1

2.杨颂华等，《数字电子技术基础》（第二版），西安，西电出版社，2009.2

3.孙肖子等，《现代电子线路和技术实验简明教程》（第二版），北京，高等教育出版社，2009.2

4.孙肖子等，《模拟及数模混合器件的原理与应用》（上、下册），北京，科学出版社，2009.9

5.孙肖子等，《电子设计指南》，北京，高等教育出版社，2006.1

6、《经典集成电路400例》主编：

任致程机械工业出版社

7.网上各种参考资料