【文章內(nèi)容簡介】 兩種方案比較起來，第一種更明了直觀，所搭構(gòu)的電路能稍稍簡單一些；第二種方案的測量誤差較第一種更小，但是電路要復(fù)雜一些。為了使其輕巧便捷，本文設(shè)計是基于第一種方案。 下面為選用方案的框圖： 圖22　整體設(shè)計的原理框圖1）脈搏傳感器 將脈搏跳動產(chǎn)生相對應(yīng)的信號。2）放大電路 把傳感器輸出的微弱信號放大。3）濾波電路 把一些不需要的干擾信號過濾。4）整形電路 把脈搏信號轉(zhuǎn)換為矩形脈沖。5）分頻器 FPGA中把50MHZ的時鐘頻率分為自己需要的時鐘頻率。6）定時器 FPGA中設(shè)計一個定時為60S的模塊。7）計數(shù)器、顯示電路 用來計算脈搏數(shù)（一分鐘），并顯示出來。8）電源電路 按電路要求提供符合要求的直流電源（用學(xué)生電源）。 3　單元電路的設(shè)計　信號的發(fā)生脈搏傳感器是脈象檢測系統(tǒng)中的重要組成部分，其性能的好壞直接影響到后續(xù)電路的處理和結(jié)果的顯示。目前常用的脈搏傳感器有光電類、壓電類和壓阻類。我們使用的是壓電類的SC0073。壓電傳感器的工作原理是以某種物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)。這些物質(zhì)在受到一定方向的壓力或拉力的作用而發(fā)生形變時，其表面會產(chǎn)生電荷；如果將外力移除，則又會回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就是壓電效應(yīng)。 圖31　SC0073的電路連接圖　前置放大電路脈搏信號具有不穩(wěn)定性，非線性和隨機性的基本特征，屬于微弱的生物電信號。所以前置放大電路對于脈搏信號采集來說至關(guān)重要，為了放大噪聲環(huán)境中脈搏傳感器輸出的弱信號，對于放大器要求具有：極高的共模和差模輸入阻抗；很低的輸出阻抗；精確和穩(wěn)定的增益；極高的共模抑制比?；谝陨戏治?，選用的是低功耗、高精度儀表放大器AD620作為前置放大電路的核心元件。 圖321　AD620芯片引腳圖 圖322　AD620原理圖表323　AD620參數(shù)表項目規(guī)格增益范圍1~1000電源供應(yīng)范圍~18V低耗電量最大供應(yīng)電流=精確度高40ppm的最大非線性度；最大偏置電壓為 50181。V ；℃低訊號1khz時低輸入噪聲9nV/Hz由于肌電干擾可能造成前置放大器靜態(tài)工作點的偏移，甚至截至飽和，所以前置放大器的增益不能太大。所以設(shè)計時考慮兩級放大,第一級采用AD620[4]。 圖324　前置放大電路圖RC1共同組成的低通濾波保證信號能夠通過，ad620內(nèi)部的三運放結(jié)構(gòu)能有效的減少共模輸入的干擾。通過調(diào)整1管腳和8管腳之間的滑動變阻器，可以改變電路的增益，使G=5，則很據(jù)G=（）+1得Rx≈。 圖325　前置放大電路仿真結(jié)果　濾波電路脈搏信號是頻率低但能量相對集中的信號，人體的脈搏頻率非常低，~4Hz，一般情況下為1Hz左右，脈搏信號復(fù)雜且易變，由于人體生理、病理、心理等不同而容易受到影響。~20Hz的帶通濾波器。在模擬電路中，（在低頻區(qū)）和上限頻率fH（在高頻區(qū)），fH與fL之間的頻率范圍稱之為通頻帶，用表示，即：。~20Hz，我們將一個高通濾波器和一個低通濾波器串聯(lián)起來形成一個帶通濾波器。一般來說有源濾波電路比無源濾波電路好一些，所以我們用的是二階的有源濾波電路。 圖331　有源濾波器幅頻特性這里的濾波電路采用雙運放的LM358。LM358是雙運放集成電路，封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式，它內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器。其主要特性有：短路保護輸出；直流電壓增益高；單位增益頻帶寬；低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流；共模輸入電壓范圍寬，包括接地；差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；電源電壓范圍寬：單電源（3~30V），雙電源（177。~177。15V）；低功耗電流，適合電池供電；低輸入偏置電流；輸出電壓擺幅大。 圖332　LM358管腳圖表333　LM358參數(shù)表參數(shù)名稱數(shù)值電源電壓3~30V或177。~177。15V差分輸入電壓30V輸入電壓~30V功耗（DIP封裝）550mW功耗（SOP封裝）530mW貯存溫度65~150℃工作環(huán)境溫度0~70℃輸入電流50mA輸出端對地短路電流持續(xù)　　帶通濾波電路如圖所示： 圖334　帶通濾波電路 設(shè)計時取電路增益為1，主要是考慮到電路中已有放大電路，濾波電路可以不必在放大信號，使分析簡單。（1） 二階低通濾波電路：若,則：二階低通濾波電路傳輸函數(shù)： 　　　　　　　　　　　　　　 (31)特征角頻率： (32)阻尼系數(shù)：，等效品質(zhì)因數(shù)：；電路中選R3=R4=；C2=C3=。其截止頻率： 由于R、C只是計算中的數(shù)值，所以實物中R=8K?。（2） 二階高通濾波電路：同理在構(gòu)成的二階高通濾波器中：二階高通濾波電路傳輸函數(shù)： (33),。其截至頻率：上述R、C是供計算的數(shù)值，實物數(shù)值R=320K?，[5]。 圖335　 圖336　50Hz信號的低通與高通濾波仿真圖，但是卻可以將其衰減到一個非常微弱的幅度值。使其仍不能對我們的測量造成影響。由于實際制作電路有時候很難挑選到與理想值完全一致的電阻，因此為了保證電路的準(zhǔn)確性，我們可以將不同的電阻串聯(lián)來得到自己需要的電阻值。 　二級放大電路二級放大電路是把信號放大到合適的輸出信號幅度，以供給后續(xù)電路的使用，由于前置放大電路的放大倍數(shù)不高而不會產(chǎn)生波形的失真。因此前置放大電路放大后產(chǎn)生的信號為50mV。二級放大電路如圖所示。 圖341　二級放大電路圖二級放大采用由運放構(gòu)成的同相比例放大器，設(shè)計使用的芯片還是上述的LM358芯片。另.由同相比例放大增益公式得：。與運放兩輸入端相連的外接電阻必須滿足平衡條件，即‖=，所以。 圖342　二級放大后的信號仿真圖放大電路采用多級放大形勢的特點是：信號逐級放大，不集中在某一級。但是一般前置電路放大倍數(shù)不宜太大，因為信號和噪聲同時經(jīng)過這一級，如果放大倍數(shù)過大，噪聲也會同樣被放大，噪聲幅度過大，則不利于后級處理，即后級難以有效的去除噪聲。二級放大電路是主要放大級，進入這一級的信號已經(jīng)經(jīng)過處理，噪聲也已經(jīng)得到有效的濾除，該級的放大倍數(shù)一般較大?！⌒盘栒坞娐吩诜糯箅娐分休斎胄盘栯m然已經(jīng)被放大，電壓也滿足后續(xù)電路驅(qū)動，但是其波形仍為模擬量，所以必須將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖之后供數(shù)字電路使用。整形電路即可實現(xiàn)這個功能。而我們采用的是施密特觸發(fā)器整形電路：施密特觸發(fā)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負向閾值電壓。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負向閾值電壓。正向閾值電壓與負向閾值電壓之差稱為回差電壓。它是一種閾值開關(guān)電路，具有突變輸入——輸出特性的門電路。這種電路被設(shè)計成阻止輸入電壓出現(xiàn)微小變化（低于某一閾值）而引起的輸出電壓的改變。利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。當(dāng)輸入電壓由低向高增加，到達V+時，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達V，輸出電壓發(fā)生突變，因而出現(xiàn)輸出電壓變化滯后的現(xiàn)象，可以看出對于要求一定延遲啟動的電路，它是特別適用的。從傳感器得到的矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變。當(dāng)傳輸線上的電容較大時，波形的上升沿將明顯變緩；當(dāng)傳輸線較長，而且接受端的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配時，在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；當(dāng)其他脈沖信號通過導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號時，信號上將出現(xiàn)附加的噪聲。無論出現(xiàn)上述的那一種情況，都可以通過用施密特反相觸發(fā)器整形而得到比較理想的矩形脈沖波形。只要施密特觸發(fā)器的vt+和vt設(shè)置得合適，均能收到滿意的整形效果。施密特觸發(fā)器有多重形式，一種是由555定時器構(gòu)成的，電路圖如下所示： 圖351　555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器還有一種是用CMOS門構(gòu)成的，電路圖如下所示： 圖352　COMS門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器還有一種是集成施密特觸發(fā)器，本設(shè)計是用也是集成施密特觸發(fā)器中的一種74LS14。其內(nèi)部原理圖如下所示： 圖353　74LS14內(nèi)部原理圖74LS14的管腳圖如下所示： 圖354　74LS14管腳圖表355　74LS14參數(shù)表推薦工作條件最小額定最大單位電源電壓Vcc5V輸入正向閾值電壓Vrr+V輸入負向閾值電壓Vrr1V滯后電壓△VtV輸出高電平電流Ioh400uA輸出低電平電流Iol8mAA端為輸入端，Y端為輸出端，一片芯片一共6路，即 1，3，5，9，11，13 為輸入端， 2，4，6，8，10，12 為輸出端。 圖356　整形后的信號圖４　PCB設(shè)計　PCB簡介 PCB(Printed Circuit Board),中文名稱為印制電路板，簡稱印制板，是電子工業(yè)的重要部件之一。幾乎每種電子設(shè)備，小到電子手表、計算器，打到計算機，通訊電子設(shè)備，軍用武器系統(tǒng)，只要有集成電路等電子元器件，為了它們之間的電器互連，都要使用印制板。在較大型的電子產(chǎn)品研究過程中，最近本的成功因素是該產(chǎn)品的印制板設(shè)計、文件編制和制造。印制板的設(shè)計和制造質(zhì)量直接影響到整個產(chǎn)品的質(zhì)量和成本，甚至導(dǎo)致商業(yè)競爭的成敗。電子設(shè)備采用印制板后，由于同類印制板的一致性，從而避免了人工接線的差錯，并可實現(xiàn)電子元器件自動插裝或貼裝、自動焊錫、自動檢測，保證了電子設(shè)備的質(zhì)量，提高了勞動生產(chǎn)率、降低了成本，并便于維修。印制板從單層發(fā)