【正文】 B(ElectronicsWorkbench，虛擬電子工作臺)的升級版。Multisim是一個(gè)完整的設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)，提供了非常強(qiáng)大的元件數(shù)據(jù)庫，并提供原理圖輸入接口、全部的數(shù)模Spice仿真功能FPGA/CPLD綜合RF設(shè)計(jì)能力和后處理功能。還可以進(jìn)行從原理圖到PCB布線工具包（如Electronics Worbench的Ultiboard）的無縫隙數(shù)據(jù)傳輸。Multisim2001用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”和“軟件即儀器”。Multisim2001是一個(gè)原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測試的虛擬仿真軟件。Multisim2001的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用，同時(shí)也可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫，而且建庫所需的元器件參數(shù)可以從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品使用手冊中查到，因此可很方便地在工程設(shè)計(jì)中使用 Multisim2001的虛擬測試儀器儀表種類齊全，有一般實(shí)驗(yàn)用的通用儀器，如萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒有的儀器，如波特圖儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等。Multisim2001具有較為詳細(xì)的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點(diǎn)分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法，以幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的性能。Multisim2001可以設(shè)計(jì)、測試和演示各種電子電路，包括電工電路、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及部分微機(jī)接口電路等?？梢詫Ρ环抡娴碾娐分械脑骷O(shè)置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。在進(jìn)行仿真的同時(shí)，軟件還可以存儲(chǔ)測試點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有元器件清單，以及存儲(chǔ)測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等。Multisim2001有豐富的Help功能，其Help系統(tǒng)不僅包括軟件本身的操作指南，更重要的是包含有元器件的功能說明，Help中這種元器件功能說明有利于使用Multisim2001進(jìn)行CAI教學(xué)。另外，Multisim2001還提供了與國內(nèi)外流行的印刷電路板設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件Protel及電路仿真軟件PSpice之間的文件接口，也能通過Windows的剪貼板把電路圖送往文字處理系統(tǒng)中進(jìn)行編輯排版，同時(shí)還支持VHDI和VerilogHDI語言的電路仿真與設(shè)計(jì)。利用Multisim2001可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與虛擬實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方法相比，具有如下特點(diǎn)：設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)可以同步進(jìn)行，可以邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)，修改調(diào)試方便；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)用的元器件及測試儀器儀表齊全，可以完成各種類型的電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)；可方便地對電路參數(shù)進(jìn)行測試和分析；可直接打印輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測試參數(shù)、曲線和電路原理圖；實(shí)驗(yàn)中不消耗實(shí)際的元器件，實(shí)驗(yàn)所需元器件的種類和數(shù)量不受限制，實(shí)驗(yàn)成本低，實(shí)驗(yàn)速度快，效率高；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)成功的電路可以直接在產(chǎn)品中使用。Multisim200l易學(xué)易用，便于電子信息、通信工程、自動(dòng)化、電氣控制類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)和進(jìn)行綜合性的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)綜合分析能力、開發(fā)和創(chuàng)新的能力。 測量電路傳感器電路不需要仿真，其供電電路為恒流源，仿真電路圖如圖41所示，其輸出完全符合傳感器的電源要求。圖41 恒流源電路 放大電路放大電路：被測信號的幅值為毫伏級，所以放大電路要將被測信號放大1000被左右，由集成運(yùn)放U4A組成放大電路，元件參數(shù)設(shè)置如下：R1=5KΩ，R2=100KΩ，C1=100uF為隔直電容。 圖42 放大電路 圖43 函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)置參數(shù)圖44 放大電路的波形說明：波形圖中幅度較小的波形為放大前信號，幅度較大的為放大后信號，注意兩個(gè)波形的縱坐標(biāo)每格代表的幅值不同。 濾波電路濾波電路：已知正常人心率數(shù)為60到80次每分，嬰兒為90到100次每分，老人為100到150次每分?！?Hz之間，在此應(yīng)采用截止頻率為5Hz的低通濾波器，參數(shù)選擇為R4=R5=，C2=C5=1uF,放大倍數(shù)為2。其設(shè)計(jì)電路圖如圖45所示。圖45 濾波電路圖46 被測信號經(jīng)放大后再濾波的波形說明：幅度小的為被測信號放大后的波形，幅度較大的為濾波電路。 整形電路整形電路就是將模擬信號轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字信號的電路。仿真電路如圖47所示。圖47 整形電路仿真圖48 整形波形說明：正弦波為輸入的放大濾波后的信號，矩形波為經(jīng)過施密特觸發(fā)器后的整形波形。 倍頻電路倍頻電路由最基本的二倍頻電路級聯(lián)而成，其工作原理在上一章中已論述，這里不再贅述，下圖是由兩個(gè)實(shí)用二倍頻電路和一個(gè)快速二倍頻電路組成的8倍頻電路。圖49 8倍頻電路其各部分的倍頻波形如下圖410所示：圖410 8倍頻電路波形說明：第一個(gè)為倍頻前波形，第二個(gè)為二倍頻后波形，第三個(gè)為4倍頻波形，第四個(gè)為8倍頻波形。 閘門控制電路 閘門電路本電路是由時(shí)基電路555和芯片4024BD組成閘門時(shí)間信號，由555時(shí)基電路組成多諧振蕩器，經(jīng)芯片4024BD分頻后得到想要的時(shí)間脈沖，從Q1到Q7的分頻輸出脈沖的寬帶不同。其仿真電路圖和輸入輸出波形如下圖所示。圖411 閘門時(shí)間電路圖412 閘門信號波形 控制電路控制電路用來控制電路的啟動(dòng)、清零等，具體仿真電路如圖413所示，圖中開關(guān)K1為單刀單擲開關(guān)，控制555電路的啟動(dòng)，同時(shí)，當(dāng)開關(guān)K1接高電平時(shí)，6線接4024的清零端，使4024清零，不致影響下次的測量。開關(guān)K2為單刀雙擲開關(guān)，開關(guān)打到1線時(shí)計(jì)數(shù)器4518BD清零，打到0線時(shí)，4518BD可以開始計(jì)數(shù)，同時(shí)經(jīng)過簡單RS觸發(fā)器2線輸出1，當(dāng)4線的閘門時(shí)間信號為1時(shí)，則此時(shí)允許倍頻后的信號通過，進(jìn)行計(jì)數(shù)譯碼顯示。圖413 控制電路 計(jì)數(shù)顯示電路本設(shè)計(jì)要求測量并顯示結(jié)果，計(jì)數(shù)范圍在1～999之間，三位十進(jìn)制靜態(tài)顯示，因此需要三個(gè)七段LED數(shù)碼顯示管。由計(jì)數(shù)器4518BD計(jì)數(shù)脈沖在閘門時(shí)間內(nèi)的個(gè)數(shù)，送往4511BD譯碼鎖存，驅(qū)動(dòng)三位數(shù)碼管顯示，電路圖如圖414所示。它的清零、計(jì)數(shù)由控制電路控制。圖４14 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路以上是對各個(gè)電路模塊的具體設(shè)計(jì)、仿真分析，通過結(jié)合每一個(gè)電路模塊，設(shè)計(jì)出一個(gè)總的電路方案，其整機(jī)電路圖如附錄1所示，總的電路仿真圖如附錄2所示。在能夠?qū)ζ溥M(jìn)行電路仿真的前提下，我認(rèn)為此方案達(dá)到了預(yù)期效果。在設(shè)計(jì)電路的過程中，對每一個(gè)可以進(jìn)行仿真的模塊電路都進(jìn)行了可行性仿真，包括濾波整形電路、控制電路和計(jì)數(shù)顯示電路，實(shí)現(xiàn)了給定一個(gè)模擬人體心率的脈沖信號，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行計(jì)數(shù)，并在數(shù)碼顯示管上顯示出來。通過對放大電路以后的電路仿真，基本可以達(dá)到要求，但在計(jì)數(shù)數(shù)值上與給定的計(jì)數(shù)脈沖還存在差距，通過檢測，查出了是閘門電路的時(shí)間信號不夠準(zhǔn)確的原因，由于定時(shí)時(shí)間由電阻與電容的參數(shù)決定，所以解決的方法是與電阻R1串聯(lián)一個(gè)可以進(jìn)行微調(diào)的電位器即可，通過反復(fù)測試，完全可以達(dá)到精確定時(shí)的目的，同時(shí)倍頻電路也是產(chǎn)生誤差的一個(gè)原因，應(yīng)該盡量做到倍頻后的信號對稱，這樣才能更精確。 整機(jī)電路整機(jī)圖的仿真見附錄，其中附錄1為8倍頻的整機(jī)電路，附錄2為16倍頻的整機(jī)電路，通過仿真，可得到在輸入不同頻率的信號時(shí)，兩種不同整機(jī)電路在6次仿真時(shí)記錄的心率值。表41 輸入信號為1Hz時(shí)的心率值1234568倍頻時(shí)59606059605916倍頻時(shí)585959605759表42 輸入信號為2Hz時(shí)的心率值1234568倍頻時(shí)11812011912112011816倍頻時(shí)112117108112106116由數(shù)據(jù)比較可知，8倍頻時(shí)的數(shù)據(jù)較可靠，雖然16倍頻時(shí)測量時(shí)間縮短一倍，但是測量結(jié)果誤差太大。40結(jié) 論結(jié) 論在將近三個(gè)月的設(shè)計(jì)中，我們從搜集參考大量相關(guān)材料確定設(shè)計(jì)方向及思路，到選擇傳感器，然后解決從傳感器出來的信號如何轉(zhuǎn)化為脈沖，到最終的畫仿真電路，得出以下結(jié)論。心率計(jì)的工作過程主要分為：通過壓電傳感器，采集信號將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娦盘?；然后將得到的電信號通過放大電路、濾波整形電路進(jìn)行放大、濾波、整形；由閘門電路產(chǎn)生閘門時(shí)間信號控制信號的計(jì)數(shù)時(shí)間，同時(shí)由控制電路進(jìn)行啟動(dòng)控制、清零計(jì)數(shù)控制；將測量結(jié)果由4511BD譯碼鎖存；最終的結(jié)果由三位數(shù)碼管顯示電路顯示出來。本次設(shè)計(jì)的核心部分是對傳感器的選擇，壓電傳感器是心率計(jì)的測量主體。壓電傳感器發(fā)展迅速，技術(shù)成熟。基于壓電傳感器上的心率計(jì)，是利用人體的血壓變化來測量心跳頻率的變化，血壓隨心跳變化，引起力敏元件的物理效應(yīng)，由傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，從而實(shí)現(xiàn)測量目的。我們此次設(shè)計(jì)用到的仿真測試，根據(jù)方案的正確選擇得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)成功進(jìn)行了仿真結(jié)果分析。雖然沒有做出成型的產(chǎn)品實(shí)物，但其工作原理是一致的，再利用仿真測試，同樣可以達(dá)到更可靠、更多分析化的效果。隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷提高，心率計(jì)的型號、工作方式、功能等將會(huì)隨之不斷更新，其工作原理也將會(huì)越來越完善。心率計(jì)的各個(gè)組成部分也將更加現(xiàn)代化、智能化，讓我們共同努力來實(shí)現(xiàn)這美好的未來。41參 考 文 獻(xiàn)參考文獻(xiàn) [1] [2] [3] 蔡建新,[4] [5] 荀殿棟, [6] [7] [8] [9] [10] —基于Multisim 7amp。Ultiboard [11] [12] 李磊,[13] [14] 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