电子系统设计

电子系统设计举例

设计题目设计一个脉搏计，要求实现在15s内测量1min的脉搏数，并且显示其数字。正

常人脉搏数为60～80次/min，婴儿为90～100次/min，老人为100～150次/min。

一总体方案

1．题目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），它的基本功能是：

①用传感器将脉搏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。

2．选择总体方案

（1）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。

方案Ⅰ如图7-1所示，图中各部分的作用如下：

传感器放大与整形

计数

译码

显示

倍频器

基准时间产生电路

控

制

电

路

图7-1脉搏计方案Ⅰ

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。

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）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。

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。

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。

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。

7）电源电路按照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，误差也越大。

方案Ⅱ如图7-2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：

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。

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）门控电路控制基准脉冲信号进入8位二进制计数器。

4）8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。

5）定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。

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60次的脉搏数。

图7-2脉搏计方案Ⅱ

（2）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。

二单元电路设计

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，整形电路经电平转换电路使输出电

压满足计数器的要求。

⑴选择电路所选放大整形电路框图如图7-3所示。

传

感

器

放

大

整

形

有

源

滤

波

整

形

电

平

转

换

图7-3放大与整形电路框图

1）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7-4所示。图中，红外线发光管VD采

用TLN104，接收三极管V采用TLP104。用+5V电源供电，R

1

取500Ω，R

2

取10kΩ。

2）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7-5

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10kΩ电位器，C

1

＝100μF。

图7-4传感器信号调节原理电路图7-5同相放大器电路

3）有源滤波电路采用了二阶压控有源低通滤波电路，如图7-6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1kHz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）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7-7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属于集电极开路输出，使用时输出

端应加2kΩ的上拉电阻。

图7-6二阶有源滤波电路图7-7施密特整形电路和电平转换电路

R

6

、R

7

1.6kΩR

8

15kΩR

9

1kΩC

2

、C

3

0.1μF

5）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7-7。

（2）参数计算由于在本书的实验部分已经介绍了由集成运放组成的电压放大电路、

有源滤波电路、电压比较器的设计方法和参数计算，这里不再重复。

（3）放大与整形部分电路如图7-8所示。

图7-8放大与整形部分电路

2．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lmin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7-9所

示。

图7-9四倍频电路

G

1

和G

2

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，输入输出波形如

图7-10所示。

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，C

5

=6.8μF，R

14

＝10kΩ，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。

图7-10二倍频电路的输入输出波形

3．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7-11的方案。

图7-11基准时间产生电路框图

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。

⑴秒脉冲发生器电路如图7-12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，R

15

可在5～30MΩ范围

内选择，R

16

可在10～150kΩ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R

15

为5.1MΩ，R

16

为51kΩ，C

6

为56pF，

C

7

为3～56pF，反相器利用了CC4060中的反相器，如图7-12和7-13所示。选用CC406014

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7-12石英晶体振荡器图7-13秒脉冲发生器

（2）十五分频和二分频器电路如图7-14所示，由SN74161组成十五进制计数器，

进行十五分频，然后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。

（3）基准时间产生部分的电路图如图7-15所示。

图7-14十五分频和二分频电路

图7-15基准时间产生电路图

4．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7-16所示。

图7-16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。

5．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7-17所示。

图7-17控制电路

三画总电路图

根据以上设计好的单元电路和图7-1所示的框图，可画出本题的总体电路，如图7-18

所示。该例子也可以采用可编程器件来实现，在此不再赘述。

图7-18脉搏计的总体电路图