【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，但是電路要復雜一些。為了使其輕巧便捷，本文設計是基于第一種方案。 下面為選用方案的框圖： 圖22　整體設計的原理框圖1）脈搏傳感器 將脈搏跳動產(chǎn)生相對應的信號。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（用學生電源）。 3　單元電路的設計　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的壓電效應為基礎。這些物質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。 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。基于以上分析，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電源供應范圍~18V低耗電量最大供應電流=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)部的三運放結構能有效的減少共模輸入的干擾。通過調整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；低輸入失調電壓和失調電流；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成的同相比例放大器，設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)電路驅動，但是其波形仍為模擬量，所以必須將模擬量轉換成數(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。它是一種閾值開關電路，具有突變輸入——輸出特性的門電路。這種電路被設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。當傳輸線上的電容較大時，波形的上升沿將明顯變緩；當傳輸線較長，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；當其他脈沖信號通過導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定時器構成的，電路圖如下所示： 圖351　555定時器構成的施密特觸發(fā)器還有一種是用CMOS門構成的，電路圖如下所示： 圖352　COMS門構成的施密特觸發(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。幾乎每種電子設備，小到電子手表、計算器，打到計算機，通訊電子設備，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)品的印制板設計、文件編制和制造。印制板的設計和制造質量直接影響到整個產(chǎn)品的質量和成本，甚至導致商業(yè)競爭的成敗。電子設備采用印制板后，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，保證了電子設備的質量，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)