无锡工艺职业技术学院毕业设计（论文）
题目：脉搏波提取电路的设计
系部：电子信息系
专业：应用电子技术
姓名：于鹏
学号：2009261231
指导教师：李冬
职称：高级实验师
二0一二年五月十日
目录
第一章绪论 (3)
第二章设计方案论证 (4)
2.1设计任务 (4)
2.2系统统计原则 (4)
2.3总体结构框架 (5)
2.3.1脉搏信号的提取 (5)
2.4信号调理电路设计 (5)
2.4.1设计要求 (5)
2.4.2滤波电路设计 (6)
2.4.3电压提升电路设计 (8)
2.4.4信号调理电路的仿真分析 (8)
第三章硬件电路设计 (9)
3.1单片机的选择 (9)
3.1.1数据采集 (10)
3.1.2MAX1240模数转换器简介 (10)
3.1.3串行通讯 (12)
3.2整体单片机电路模块 (15)
3.2.1电源模块设计 (15)
3.2.2+5v电源设计 (16)
3.2.3负电源设计 (16)
第四章软件设计 (17)
4.1初始化程序设计 (17)
4.2中断处理子程序设计 (17)
4.3输入口处理子程序设计 (18)
第五章总结 (19)
参考文献 (20)
附录 (21)
第一章绪论
人体的脉搏波可用特制的脉搏描记器记录下来。从可见每个脉搏波描记
曲线都由升支A和降支K构成。随后心室舒张，心室内压低于主动脉血压，
于是动脉血倒流，导致主动脉瓣关闭，在曲线上形成降支切迹N，也叫降中
峡或重波谷降支的形状与外周阻力的大小有关；如阻力大则降支坡度较缓，
其切迹的位置较高；反之，切迹的位置较低。脉搏波的形状，因循环系统的
情况改变而不同。本设计的的系统的主要功能是希望对所检测到的脉搏信号
进行动脉硬化程度的识别，需要对系统不断进行改进以提高识别的准确率，
从而提高检测的精确度和准确度，为广大病友提供医疗保障，保证他们的生
命健康。
脉搏波检测系统的数字化设计方法:从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号,脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号,必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。
目前的指端脉搏检测系统都是采用模拟技术来完成滤波,放大整型等处理，再经过模数转换和进一步处理。这种方法不仅增加了硬件的复杂程度，增大了功耗和体积，更主要的是增加了系统不可靠和不稳定因素。随着电子测量技术的迅速发展，现代电子测量仪器以极快的速度向数字化、自动化的方向发展。本文针对目前的脉搏波检测系统的问题，提出了脉搏波检测系统的数字化设计思想，采用了MAX1240芯片，它的体积小，功耗低。本课题利用过采样技术，通过对光电转换后的电信号高速采样实现高分辨率模数转换，然后再进行数字滤波处理，从而代替原有模拟电路完成放大滤波等工作，以简化设计，提高系统稳定性。
第二章设计方案论证
2.1设计任务
本设计采用一种采用新型模数转换器MAX1240芯片进行电压数据采集，并由单片机串口将数据发送出去的简单电路，MAX1240由单片机发出的时钟信号与使能信号驱动，将输入的模拟电压值转换为12位的数字值输入到单片机，单片机再将此数据处理为2个字节，低位字节为低8位数据，高字节的低4位为数字电压值的高4位，进行数据处理后再通过串口发送出去。
2.2系统统计原则
基于脉搏信号的动脉硬化分析系统由硬件检测和上位机软件分析两部分组成，在设计和研发过程中要遵循以下原则。
（1）安全原则
脉搏信号检测系统是一款直接与人体接触的医疗仪器，因此应将人身安全作为设计的首要原则。
（2）准确原则
设计系统后期分析诊断的准确性取决于所提取脉搏信号的完整性。脉搏信号的缺点决定了它易受到外界的干扰，因此在系统设计中要采取一切手段保证信号不失真。
（3）可靠原则
医用系统必须保证能够长时间稳定可靠的工作。
（4）易用原则
考虑到此所设计的脉搏信号检测与分析系统的设计主要面向家庭用户，用于动脉硬化的早期检测，因此大多数用户对电子产品和计算机的操作水平有限，因此易学、易用是对系统的基本要求。
（5）便于升级
由于所设计的系统的主要功能是希望对所检测到的脉搏信号进行动脉硬化程度的识别，需要对系统不断进行改进以提高识别的准确率，因此设计需要考虑
对系统功能的不断升级。
2.3总体结构框架
本系统主要由脉搏信号调理模块、A/D采样电路、单片机、电源系统、通信接口电路和脉搏信号和智能处理模块组成，如图2-1所示。其中，脉搏信号调理模块包括信号放大、滤波和电压提升电路；调理后的信号由12位A/D转换器MAX1240采样到AT89S52单片机；电源系统为各功能模块提供所需的直流电压；脉搏信号的智能分析软件是在上位机中运行的。
2.3.1脉搏信号的提取
设计所选取的脉搏传感器是华科电子生产的HK2000B型压电脉搏传感器。HK-2000B型脉搏传感器采用高度集成化工艺将力敏原件（PVDF压电膜）、灵敏度温度补偿原件、感温原件、简单信号调理电路集成在传感器内，其输出信号为模拟信号。HK2000B型传感器其具体出厂技术指标如下：
1）电源电压：DC5~6V
2）压力量程：-50~+300mmHg
3）灵敏度：2000Uv/mmHg
4）灵敏度温度系数：1*10/c
5)精度：0.5%
6)重复性：0.5%
7)迟滞：0.5%
2.4信号调理电路设计
2.4.1设计要求
搏传感器所提取的脉压信号幅值小、频率低、随机性强、易受干扰，选择硬件电路时，必须从增益、频率响应、共模抑制比、噪声和漂移等方面综合考虑。1．增益
由于HK2000B型压电脉搏传感器的输出范围约为-0.2~0.8V,为了提高AD采样后信号的分辨率，应对信号进行适当放大。根据所选择的A/D转换器的输入参考电压范围为0~3.3V,所以脉搏信号放大器的放大倍数应在10倍内可调。2．频率响应
体脉搏信号的频谱范围为0.1~40Hz,脉搏信号调理电路在此频率范围内必须不失真地放大所检测到的脉搏信号，为了减少不需要的带外噪声，用高通，低通滤波器来压缩通频带，这样，经过脉搏信号调理电路的脉搏信号才具有可靠的诊断价值。
3．共模抑制比
脉搏信号的检测可能受到很多电气设备运行的干扰，尤其是市电的共模干扰，还有其他共模干扰。因此一般要求CMMR应达到80dB以上。
4．低噪声、低漂移
在脉冲信号调理信号电路中，噪声和漂移是两个较重要的参数。正状态分布。为了获得一定信噪比的输出信号，对所用到的放大器的低噪声性能有严格的要求。根据设计要求，本设计所用到的所有运算放大器均采用TL084，其主要特性如下：
1）输入阻抗极高，大于1012Ω;
2）失调电流极低，小于5Pa;
3)低温漂，小于1uV/.C;
4)共模抑制比大于80dB;
5)开环效益较高，大于110Db;
2.4.2滤波电路设计
常规脉搏信号的主要频带范围是0.1~40Hz。为防止处于干扰状态环境时脉冲信号中混入各种噪声，因此在本系统中设计了通带频率为0.1~44Hz的带通滤波电路，将脉冲信号的有用成分从采集到的信号中分离出来。本设计的带通滤波器由44Hz的低通滤波器级联0.1Hz的高通滤波的方法实现的。
1．二阶有源低通滤波器
为降低元件灵敏度，获得较好的高频衰减特性和失真特性，本文采用多重反
馈型二阶有源滤波器，电路图如图2—2所示。
图中电阻和电容的计算公式如下；R f =R 1=R 2=R 32-1Fc=1/2πC f R f 2-2C 1=3QC f 2-3C 2=C f /3Q
2-4
图2—2二阶有源低通滤波器
2．二阶有源高通滤波器
多重反馈型二阶有源滤波器的电路如图2—3所示二阶有源高通滤波器的参数计算公示如下：C F =C 3=C 4=C 52-5
Fc=1/2πC f R f R 5=R f /3Q R 6=3QR
f
1
2
图2—3多重反馈型二阶有源滤波器
将前面设计的低通和高通滤波器级联起来，便得到所需要的带通滤波器。
2.4.3电压提升电路设计
采集到大脉搏信号有负电压，而A/D转换器MAX1240定义的最低转换极限为0V，为了保证A/D转换时不出现负峰失真，必须将滤波后的心电信号通过一个电压提升电路，使得心电信号的电平值都为正值。电路如图2—4所示。
图2—4电压提升电路
TL431和电位器RP2提供0~2.5V可调电压，为保证TL431正常工作，应选择合适的电阻值以保证阴极电流在1~100mA。
2.4.4信号调理电路的仿真分析
完整的信号调理电路如图2-5所示，将该图进行仿真，其结果如下。
零输入电压：当电路的输入电压为0时，电路的输出电压为为伏级，可以忽略。噪声分析：噪声分析是分析电路内原件所产生的噪声对电路的影响。可以看到采用已选元器件进行电路设计，对电路噪声影响很小。
V CC
图2-5信号调理电路
第三章硬件电路设计
3.1单片机的选择
本设计中单片机及其外部电路部分主要完成信号的A/D转换及与上位机的串口通信，因此对单片机的要求比较低。MCS-51系列单片机造价低廉且通用性好，市场应用成熟，用此类单片机足以完成课题要求，使资源利用率较高。AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8单片机，支持ISP（在系统可编程）下载方式，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。AT89S52具有如下特点：40个引脚，8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据时钟，3个16位定时/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
因此本设计采用AT89S52单片机，不仅满足设计要求，而且可在电路板上进行在线程序下载，方便程序调试。
3.1.1数据采集
如图3—1所示，RV1产生0~3.3V直流电压，可以模拟实际采集电压，经转换器MAX1240转换为12位数字量时，DOUT端输出高电平，通知单片机转换已完成，单片机再连续发送13个脉冲到SCLK，完成一个转换值的采集。
图3—1数据采集电路
3.1.2MAX1240模数转换器简介
本设计需要对采集到的脉搏信号进行只能分析，提取信号的细节信息，因此要求所采集的信号具有较高的分辨率。考虑硬件设计的性价比，可选择12位的A/D转换器进行数据采集。本设计A/D转换器采用MAX1240，它是MAXIM 公司生产的一种单通道12位逐次逼近型串行A/D转换器，具有低功耗、高精度、高速度、体积小、接口简单、不需外部时钟电路、也不需外部基准电压、允许电源电压变化范围宽等特点。其外部共有8个管脚，所以外围电路非常简单，经实际使用，其转换速度快，工作可靠，很适于应用在嵌入式数据采集系统中。
它具有普通方式和待机方式两种工作模式，为减少系统功耗提供了方便;芯片的参考电压既可以使用片内+2.5V参考电压，也可以由外部管脚提供，其范围1.0V~V DD;模拟输入信号为单级性输入，其范围为0~V REF I；三线串行外设接口兼容于SPI/QSPI/MICROWIBE,可与标准微处理器I/O口直接相连。
MAX1240芯片的主要功能参数如下：
1）2.7~3.6V单电源供电；
2）12位分辨率；
3）最大采样率73千次采样/S；
4）低功耗;37Mw(73Ksps),5Uw(待机工作方式)；
5）内部提供采样/保持电路；
6）内部提供转换时钟。
MAX1240引脚分布如图3—2所示，其个引脚功能可以对应为时钟信号读出时的虚拟终端进行输出信号。
图3-2MAX1240引脚分布图
SHDN是芯片的工作方式控制端，当取值为0时，MAX1240工作在待机模式；当取值为1时，MAX1240工作在普通工作方式，使用内部参考电源；当该端悬空时，MAX1240内部电源无效，允许在REF管脚输入外部参考电源。
图3—2所示是MAX1240最简单的外围配置电路。其中，1脚是电源输入端为2.7~3.6V。2脚是模拟信号输入端，输入电压范围是0V~V REF，可以在9us内实现将输入信号转换为数字信号。3脚是关断控制输入端，利用其可实现两种工作模式的切换，将3脚外接低电平，芯片工作于关断模式，输入电流可减少至10uA以下，处于节能状态；如外接高电平，芯片是标准工作模式，可实现模/数转换。管脚4是内置基准电压，需外接4.7uF的电容，芯片具有内置基准电压，基准值是2.5V。5脚是接地端。管脚6是数据输出端，当其由0翻转为高电平时，表示数据转换已经完成，可以读数据了。7脚是片选端，低电平有效。管脚8是外部读数时钟脉冲输入端，最高频率可达2.1MHZ，当数据转换完成，输入外部读数时钟，每个读数时钟，每个度数时钟脉冲的上升沿读出一位数据，数据读出的顺序是由高位到低位，第一个读数时钟脉冲的下降沿表示数据传输开始，MAX1240是12位A/D转换器，所以要完整的读出转换数据，至少需要外部输
出13个脉冲。
工作过程：
1）SHDN=1前提下，令片选有效，同时保持输入端为低电平。
2）大约9us后，可在SLCK端送入外部时钟脉冲，读出数据。转换是在输入脉冲由高电平变成低电平时有效，上升沿读出。当模/数转换完成后，数据输出端DOUT由低电平翻转成高电平，所以也可以通过查询DOUT的状态确定是否转换完成。
3）在外部输入13脉冲后，数据读取完成，将片选置高电平。只要令片选再次有效，就可以重新开始一轮新的模/数转换和读取过程。
4）数据读取完成后，如果仍然保持片选有效，则DOUT端始终输出低电平。
3.1.3串行通讯
1．串行通信简介
串行通信的线路简单，设计成本较低，在速度要求不高的近距离数据传送中应用比较广泛。串行通信可分为异步传送和同步传送两种基本形式。异步传送特点是数据在线路上传送不连续，但通信双方必须在事先约定好的字符格式和波特率。同步传输得速度高于异步传输，但硬件比较复杂，而且对同步时钟信号的相位一致性要求非常严格。
为使计算机、电话及其其他通信设备相互沟通，现在，已经对串行通信建立了几个一致的概念和标准，这些概念和标准包括：
1）传输率：所谓传输率就是指每秒传输多少位，传输率也叫波特率。大多数CRT终端能够按110~9600范围中的任何一种波特率工作。
2）RS232-C标准：RS232-C标准对两个方面做了规定，即信号电平标准和控制信号线的定义。RS232-C采用负逻辑规定逻辑电平，信号电平与通常的TTL电平也不兼容，RS232-C标准采用EIA电平，其中高电平为+3~+15V，低电平为-3V~-15V，标准TTL电平中高电平为+2.4V~+5，低电平为0~0.4V。
实现两种电平的相互转换，需要专门的电平转换芯片。目前比较常用的电平转换芯片为MAX3232，其主要功能参数如下：
3）3.0~5.5V电源供电;
4）300uA低供电电流；
5）只需外接0.1uF的电容。
MCS-51单片机有一个全双工串行口。全双工的串行通信只需要一根输出线(TXD)和一根输出线(RXD)。串行通信中主要有两个技术问题，一个是数据传输、另一个是数据转换。数据传送主要解决传送中的标准、格式及工作方式等问题。数据转换是指数据的串并行转换。MCS-51单片机的串口编程涉及的几个主要特殊功能寄存器分别为串口数据缓冲器SBUF、串行口控制器SCON、特殊功能寄存器PCON和中断允许寄存器IE。
如图3—3所示，单片机将从MAX1240采集到的12位数据经处理分成两个字节的数据后，在经过串口通信电路将其发到COM，可以连接电脑等常规D 型串行接口。
其中MAX232主要起到电平转换的电功能，将单片机串口输出逻辑电平转换为用于传输的常规RS232电平。
图3—3串行接口电路
2．MAX232简介
MAX232芯片是由美信公司专门为电脑的RS232标准串口设计的接口电路，使用+5V单电源供电。该产品是由德州仪器(TI)推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口RS232电平是-10V~+10V，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平+5V，MAX232就是用来进行电平转换的，该器件汗两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA232-F电平。
该器件符合TIA/EIA232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA232-F电平转换成
5VTTL/CMOS电平。每个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA232-F电平。
主要特点：
1）单5V电源工作；
2）limBiCMOSTM工艺艺术；
3）两个驱动器及两个接收器；
4）±30V输入电平；
5）低电源电流；典型值是8Ma;
6）符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA232-E及ITU推荐标准V.28；
7）ESD保护大于MIL-STD-883（方法3015）标准2000V。
图为MX232双串口的连接图，可以分别接单片机的串行通信口或者实验板的其他串行通信接口内部结构基本可分为三个部分，如图3—4所示。
D
XD
TX D
R XD
图3—4MX232双串口的连接图
（1）第一部分是电源泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS232串口电平的需要。（2）第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据转换通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、
14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10
脚（T2IN）7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从TIIN、
T2IN输入转换成RS232数据从TIOUT、T2OUT送到电脑DB9插头；
DB9插头的RS232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后
从R1OUT、R2OUT输出。
（3）第三部分是供电。15脚GND、16脚Vcc（+5V）.
3.2整体单片机电路模块
单片机整体及外围电路中A/D转化器的供电电压为3.3V，并采用供电电压作为外部参考电压。MAX1240的SPI时序由单片机软件编程来模拟。MAX1240的采样率远大于串口的传输速率，因此整个硬件采集系统的采样率最终由串口的传输率即波特率决定。
由于脉搏波的频率在100HZ以内，根据采集定理，硬件电路的采样频率应大于200HZ。当选择串口的波特率为9600时，因波特率定义为传输一个二进制的速率，A/D采样厚的数据是分两个字节发送，因此传输一个数据的频率为600HZ，在考虑软件的延时，最终硬件的数据采样率为400HZ，满足采样定理的要求，又不会产生大量冗余数据。
通信双方波特率完全匹配是保证串行通信正常进行的必要保证。本文的串口选择工作方式1，波特率B由定时器T1的溢出率S来决定，并可用式（3-1）和式（3-2）表示。
B=2SMOD S/303-1
S=F O/12(2N-X)3-2
式中，X为定时器T1的位数（定时器选择工作方式2时，N=8），串行波特率倍增SMOD取值为0。
应为单片机选择合适的大小的晶振，是系统所产生的波特率与上位机设定的波特率相同。本文希望单片机产生的波特率等于9600MHZ，所以选择14.7456MHZ的晶振作为单片机的晶振。
单片机电路的程序收割机串口工作选择查询方式，将A/D采样后的数据分为2个字节发送，高位在前，低位在后。
3.2.1电源模块设计
在本设计中，脉搏信号调理电路需要+5V和-5V两组模拟电源，A/D转换器和MAX3232需要数字3.3V的电源。为抑制数字电路的对模拟信号产生的干扰，需要将数字地和模拟地隔离。
根据系统设计需求，权衡个方面因素，初步确定系统电源的基本参数如下；
1)输入电压：7.5V直流电压；
2)输出电压：+5V、-5V、+3.3V；
3)输出电流：各主要元器件正常工作所需的电流分别是几到几十毫安
因此各电源提供的电流一般不到100Ma.
3.2.2+5v电源设计
为了降低电源系统自身功耗，提高电源效率，减小整个电源系统的发热量，应选择低压差的稳压器。本设计中选择RT9163系列稳压器来提供各级所需的电压，该芯片的主要特性如下：
1)低压差：500mA时最大1.4V；
2)瞬时响应快；
3)±2%总输出调整率；
4)0.1%线性调整率；
5)0.1%负载调整率；
6)输出电流：0.5A
+5V数字和模拟电源电路三端稳压器RT9163输出5V电压作为数字+5V电源，其后的电感L1和电容C18构成LC低通滤波器，截止频率为
LC=1/2π√L1L2
数字电压经LC滤波器滤除高频音后，可作为模拟电源VCC5P。+5V数字电源后接3.3V输出的三端稳压器RT9163，可得+3.3V数字电源。
3.2.3负电源设计
脉搏信号调理电路中需要±5V的电源供电，需要利用电源变换芯片+5V的电压产生-5V电压。本设计采用MAX860作为电源转换芯片。
将输入范围+2.5~5.5V的电压变化为双倍输出，本文应用其输出负压的功能。MAX860的高电压转换频率使得其外部只需要两个电容就能实现电压转换功能。转换效率超过90%，典型工作电流仅仅200UA。转换电路其中VCC5
为+5V模拟电源，VCC5N为-5V模拟电源。
第四章软件设计
为了方便程序调试和提高可靠性，程序设计采用自上而下、模块化、结构化的程序设计方法，把总的编程过程逐步细分，分解成一个个功能模块，每个功能模块相互独立，每个模块都能完成一个明确的任务，实现某个具体的功能。本设计按任务模块划分的程序主要有初始化程序设计、主程序设计、中断处理子程序流程、处理子程序流程、报警及控制子程序流程构成。
4.1初始化程序设计
单片机系统上电后，进入初始化程序，完成单片机片内各模块的设置和A/D 转换器的功能设置初始化，然后进入主程序。主程序设计如图（4—1）
图4—1主程序设计流程图
4.2中断处理子程序设计
中断处理程序设计流程如图（4—2）
图4—2中断处理程序设计流程如图4.3输入口处理子程序设计
输入口采用P3口，程序设计流程见图4-3
图4—3输入口程序设计流程图
第五章总结
本文针对目前的脉搏波检测系统的问题，提出了脉搏波检测系统的数字化设计思想，采用美信公司生产的MAX1240就是这样一种新型的12位串行输出模数转换器，它功耗低，转换速度快，外部有8个管脚，体积小，不需外部时钟电路，也不需外部基准电压，所以外围电路非常简单，很适于应用在嵌入式数据采集系统中。本系统利用过采样技术，通过对光电转换后的电信号高速采样实现高分辨率模数转换，然后再进行数字滤波处理，从而代替原有模拟电路完成放大滤波等工作，这样非常有利于脉搏波的数字化和图形化为将来中医把脉提供了又一利器。
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[10]樊昌信.通信原理(第五版)[M].北京：国防工业出版社,2001.
基于E MD的指端光电容积脉搏波中呼吸波提取方法研究 李文彪1,陈真诚1,刘福彬2 (1.中南大学信息物理工程学院生物医学工程研究所,湖南长沙410083;2.武警江苏省总队医院设备科,江苏扬州225003) 摘要:目的通过人体指端的脉搏波,提取人体呼吸波信号。方法使用多参数临床生理监护仪,同步采集人体指端光电容积脉搏波信号和胸阻抗法检测的呼吸波信号,对光电容积脉搏波信号做各层的经验模式分解,选择合适频率的本征模函数,与采集的呼吸波信号做相关性分析。结果经验模式分解由脉搏波中所提取的呼吸波与采集的呼吸波有很好的相关性。结论经验模式分解法可有效提取人体指端光电容积脉搏波中所包含的呼吸波成分,对改进医疗监护设备设计、实现生理信号的多参数提取和精确分析有重要意义。 关键词:光电容积脉搏波;经验模式分解;本征模函数;呼吸波 中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:1002 0837(2010)04 0279 04 Ex traction of Res p iratory Wave fro m F inger T i p Photolet h ys m ography Si g nals Based on EMD M ethod LI W en b i a o,C HEN Zhen cheng,LIU Fu bin.Space M edic i n e&M ed ical Eng ineeri n g,2010,23(4):279~282 Abst ract:Objective To extract resp iratory w ave i n for m ation fr o m photo lethys m ography(PPG)si g na ls.M et h ods U si n g a cli n ica lm ulti para m eter physi o log ica lm on ito r,the fi n ger ti p PPG si g nals w ere acqu ired synchro nousl y and the resp iratory wave w as detected by the tho rac ic i m pedance m ethod.Then e m p irica lm ode deco m position w as conducted for the PPG si g na ls,se lecting the i n tri n sic m ode functi o n(I M F)w ith appr opriate fre quency to carry out corre lation analysis togetherw ith respirato r y w ave signals.R esults The resp iratory w ave di rectly acqu ired had a good co rre l a ti o n w ith t h at deri v ed fr o m photo lethys m og raphy signals by e m p irica lm ode deco m position m ethod.Conclusi o n It is indicated that e m pirical mode deco m positi o n m ethod can effectively ex tract t h e respiratory infor m ati o n conta i n ed i n PPG si g na ls.Th is a ll o w s for i m prov i n g the desi g n o fm ed ica l m on ito ri n g dev ices and is useful i n physi o l o g ica lmu lti para m eter ex tracti o n and accurate ana l y sis. K ey w ords:photo lethys m ography;e mp iricalm ode deco m positi o n;i n trinsic m ode function;resp iratory w ave Address repr i n t requests to:L I W en b iao.I nstit u te of B i o m edical Eng i n eering,Schoo l o f Info physics& Geo m atics Eng i n eering,C entra l South U niversity,Changsha H unan410083,China 近年来,在任意时间、任意地点、对人们日常生活影响最小的情况下提供健康诊断或治疗服务,特别是无创、简易、舒适地获取人体生命体征信号(如心电、血压、心率、呼吸等)的方法,越来越受到科研人员的关注。 作为无创检测典型应用之一的光电容积描记法(photo lethys m og raphy,PPG)是采用光电传感器,在人体指端、耳垂、额部位等,利用红外或近红外光在人体内透射或反射的原理,检测由心脏搏动引起的血管内血容量的脉动性变化而获得相关生理信号。PPG信号中含有多种生理参数信息[1],如心率、血压、血氧、呼吸等。由于其无创、多参数、操作简单、低成本的特点,日益为生物医学工作者所青睐,但受到检测手段和分析方法的局限,目前仅在血氧饱和度检测方面得到了广泛的应用。呼吸波(resp iratory w ave,R W)是睡眠监测的重要内容,目前获取呼吸波的方法主要 修回日期:2010 03 19 通讯作者:李文彪 ti ger830611@163.co m 有热敏传感器和胸阻抗检测法等,操作繁琐,检测不便。如果能提取PPG信号中所蕴含的呼吸波,将大大降低仪器成本,增加检测舒适度。文献[2 3]中提到了在脉搏波信号中呼吸波成分的形成机理,却忽视了其临床应用价值,仅将其作为干扰而去除,文献[4]提出了由PPG信号中提取呼吸参数的3种方法,但其基本原理都是线性平滑滤波,而PPG是典型的生物医学信号,在呼吸运动缓变的调制作用下,表现为非平稳随机性的特征,故其参数提取的效果或有效性非常有限。目前,针对非平稳信号通常的分析方法主要有短时傅里叶变换、小波变换等。短时傅里叶变换的基础是傅里叶变换,无法摆脱傅里叶变换的局限性[5]。小波分析本质上也是一组可调的窗口傅里叶变换,并且在信号分析过程中存在小波基选择、分解层数选取、阈值确定等问题,通过小波分析得到的小波分量和小波谱只相对于所选的小波基有意义,不具自适应性和广泛通用性。经验模式分解(e m pirical m ode deco m positi o n,E MD)是 第23卷 第4期 航天医学与医学工程 V o.l23 N o.4 2010年 8月 Space M edic i ne&M edical Eng i neer i ng A ug.2010
波形发生电路 要求：设计并制作用分立元件和集成运算放大器组成的能产生方波、三角波和正弦波的波形发生器。 指标：输出频率分别为：102H Z、103H Z和104Hz；方波的输出电压峰峰值V PP≥20V （1）方案的提出 方案一： 1、由文氏桥振荡产生一个正弦波信号。 2、把文氏桥产生的正弦波通过一个过零比较器 从而把正弦波转换成方波。 3、把方波信号通过一个积分器。转换成三角波。 方案二： 1、由滞回比较器和积分器构成方波三角波产生电路。 2、然后通过低通滤波把三角波转换成正弦波信号。 方案三： 1、由比较器和积分器构成方波三角波产生电路。 2、用折线法把三角波转换成正弦波。 （2）方案的比较与确定
方案一： 文氏桥的振荡原理：正反馈RC网络与反馈支路构成桥式反馈电路。当R1=R2、C1=C2。即f=f0时，F=1/3、Au=3。然而，起振条件为Au略大于3。实际操作时，如果要满足振荡条件R4/R3=2时，起振很慢。如果R4/R3大于2时，正弦波信号顶部失真。调试困难。RC串、并联选频电路的幅频特性不对称，且选择性较差。因此放弃方案一。 方案二： 把滞回比较器和积分比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，就构成三角波发生器和方波发生器。比较器输出的方波经积分可得到三角波、三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波和方波发生器。 通过低通滤波把三角波转换成正弦波是在三角波电压为固定频率或频率变化围很小的情况下使用。然而，指标要求输出频率分别为102H Z、103H Z和104Hz 。因此不满足使用低通滤波的条件。放弃方案二。 方案三： 方波、三角波发生器原理如同方案二。 比较三角波和正弦波的波形可以发现，在正弦波从零逐渐增大到峰值的过程中，与三角波的差别越来越大;即零附近的差别最小,峰值附近差别最大。 因此，根据正弦波与三角波的差别，将三角波分成若干段，按不同的比 例衰减，就可以得到近似与正弦波的折线化波形。而且折线法不受频率 围的限制。 综合以上三种方案的优缺点，最终选择方案三来完成本次课程设计。 （3）工作原理：
波形发生电路 令狐文艳 要求：设计并制作用分立元件和集成运算放大器组成的能产生方波、三角波和正弦波的波形发生器。 指标：输出频率分别为：102H Z、103H Z和104Hz；方波的输出电压峰峰值V PP≥20V （1）方案的提出 方案一： 1、由文氏桥振荡产生一个正弦波信号。 2、把文氏桥产生的正弦波通过一个过零比较器 从而把正弦波转换成方波。 3、把方波信号通过一个积分器。转换成三角波。方案二： 1、由滞回比较器和积分器构成方波三角波产生电 路。 2、然后通过低通滤波把三角波转换成正弦波信号。方案三： 1、由比较器和积分器构成方波三角波产生电路。 2、用折线法把三角波转换成正弦波。 （2）方案的比较与确定 方案一：
文氏桥的振荡原理：正反馈RC网络与反馈支路构成桥式反馈电路。当R1=R2、C1=C2。即f=f0时，F=1/3、Au=3。然而，起振条件为Au略大于3。实际操作时，如果要满足振荡条件R4/R3=2时，起振很慢。如果R4/R3大于2时，正弦波信号顶部失真。调试困难。RC串、并联选频电路的幅频特性不对称，且选择性较差。因此放弃方案一。 方案二： 把滞回比较器和积分比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，就构成三角波发生器和方波发生器。比较器输出的方波经积分可得到三角波、三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波和方波发生器。 通过低通滤波把三角波转换成正弦波是在三角波电压为固定频率或频率变化范围很小的情况下使用。然而，指标要求输出频率分别为102H Z、103H Z和104Hz。因此不满足使用低通滤波的条件。放弃方案二。 方案三： 方波、三角波发生器原理如同方案二。 比较三角波和正弦波的波形可以发现，在正弦波从零逐渐增大到峰值的过程中，与三角波的差别越来越大; 即零附近的差别最小,峰值附近差别最大。因此，根 据正弦波与三角波的差别，将三角波分成若干段， 按不同的比例衰减，就可以得到近似与正弦波的折 线化波形。而且折线法不受频率范围的限制。
一设计实验目的 （1）掌握电子系统的一般设计方法 （2）掌握模拟IC器件的应用 （3）会运用EDA工具对所作出的理论设计进行模拟仿真测试，进一步完善理论设计 （4）通过查阅手册和文献资料，熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用元器件的原则 （5）掌握模拟电路的安装\测量与调试的基本技能,熟悉电子仪器的正确使用方法，能力分析实验中出现的正常或不正常现象(或数据)独立解决 调试中所发生的问题 （6）学会撰写课程设计报告 （7）培养实事求是，严谨的工作态度和严肃的工作作风 （8）培养综合应用所学知识来指导实践的能力 （9）完成一个实际的电子产品；进一步提高分析问题、解决问题的能力 设计一个正弦波-方波-三角波发生电路 （1）正弦波-方波-三角波的频率在100HZ~20KHZ范围内连续可调； （2）正弦波-方波的输出信号幅值为6V。三角波输出信号幅值为0~2V连续可调 （3）正弦波失真度≦5%。 二实验中的仪器设备 三实验所用电路 调节方波脉冲宽度 调节正弦波失真程度 调节方波电压大小
调节反馈电路的放大倍数 四实验结果 1.正弦波-方波-三角波的频率在~范围内连续可调；对应的时,对应的电容大小为1uf；对应的时,对应的电容大小为 2.方波的输出幅值为6V；正弦波的一级输出幅值为,二级输出幅值为；三角波峰值在0~4V内连续可调 3.正弦波失真度 一讨论 1.实验中发生的问题 (1) 我们由一级电路得到的方波峰峰值达到24V左右,后通过分压电路得到 所需要的方波电压峰值为6V
(2) 正弦波也可以通过负反馈电路适当放大
2.建议或其它 555电路产生方波，通过RC电路得到三角波，也可以通过积分器得到三角波，三角波到正弦波的转化，可以通过RC电路，或者通过低通滤波器，另外频率的调节可以通过可调电容！ 器件清单表: 数量 LM358芯片 1 电阻 R8=R9 22kΩ 2 R1 1kΩ 1 R2 62kΩ 1 R3 100Ω 1 R4=R5=R6=10k 3 可调电阻 A 20k 1 R10 100k 1 电容 C3=470nF 1 C4=C5=10nF 2 可调电容 A=B=20nF 2 直流电源 Vcc=6v 1 555电路板 1
实验报告五 一、实验目的 设计相应的信号调理电路，然后利用通过对脉搏信号进行测量，来进行实时显示测量结果。 二、实验内容 设计一个脉搏测量仪可实现对人体脉搏信号的测量和显示功能。 三、实验环境 计算机、MULTISIM仿真软件 四、实验方案 脉搏测量仪系统总框图，如图1所示。系统由五个部分组成：信号采集单元，信号调理单元，信号整形单元，频率计测量单元，显示单元。 信号采集单元主要是选用合适的传感器将脉搏的压力信号转换为电信号，一般传感器输出的电压都在几毫伏左右。 信号调理单元主要包括信号的低通滤波，以及实现信号的放大，经过信号调理单元，几毫伏的脉搏信号的电压被放大为4V-5V左右。 信号整形单元则将模拟信号转化成数字信号，将脉搏信号转换为同频率的脉冲。 频率计测量单元和显示单元由一个数字频率计完成其功能。 信号整形单元信号调理单元脉搏采集单元 频率计测量显示单元
图1 系统总体框图 五、实验步骤 1、数字频率计仿真设计 如图所示，当给予方波信号时，频率计开始计数，计数范围取决于上输入信号的频率及选通信号的频率，这里取输入信号频率f=1000Hz，选通信号F=10Hz，相当于在1秒内可计100个脉冲，计数范围可由选通信号的频率和输入的计数信号的频率来决定 2、采集信号放大电路电路 由于对于脉搏测量仪，其要求在脉搏信号频率范围内，不失真的放大所采集的微弱信号,因此需要对所采集的信号进行放大；由于脉搏信号的频率在1.33HZ 左右，正常情况下不会出现高于2HZ的信号，因此需要设计一个低通滤波器，用来滤去高频信号；而整形的时是为了将输入的信号变为方波。滤波器的载止频率
方波-三角波产生电路的设计 1 技术指标 设计一个方波-三角波产生电路，要求方波和三角波的重复频率为500Hz ，方波脉冲幅度为6-6.5V ，三角波为1.5-2V ，振幅基本稳定，振荡波形对称，无明显非线性失真。 2 设计方案及其比较 产生方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以直接产生三角波—方波。由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波。 2.1 方案一 非正弦波发生器的组成原理是电路中必须有开关特性的器件，可以是电压比较器，、集成模拟开关、TTL 与非门等；具有反馈网络，它的作用是通过输出信号的反馈，改变开关器件的状态；具有延迟环节，常用RC 电路充放电来实现；具有其他辅助部分，，如积分电路等。 矩形经过积分器就变成三角波形，即三角波形发生器是由方波发生器和反向积分器所组成的。但此时要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。 如图1所示为该电路设计图。 由集成运算放大器构成的方波和三角波发生器，一般均包括比较器和RC 积分器两大部分。如图所示为由迟滞比较器和集成运放组成的积分电路所构成的方波和三角波发生器。1U 构成迟滞比较器，用于输出方波；2U 构成积分电路，用于把方波转变为三角波，即输出三角波。
图1 方案一电路设计图 U1构成迟滞比较器，同相端电位p V 由1O V 和2O V 决定。利用叠加定理可得： 21211211211) ()(O V V O V P V R R R R R V R R R R V ?++++?++= 当0>P V 时，U1输出为正，即Z O V V +=1 当0
一种新型信号调理电路的设计 娄莹１，王雪洁２ （１鞍山科技大学电子信息工程学院，辽宁鞍山１１４０４４；２浙江大学城市学院信息与 电子学院，杭州３１００１５） 摘要：介绍一种能对各种不同的标准信号、非标准信号进行采集的通用电路。采用一种很新颖的设计方法，在不改变硬件情况下，使用软件进行简单的设定，通过单片机完成对光继电器的控制及数字电位器的调节从而实现对不同信号的采集。 关键词：单片机；光继电器；数字电位器 中图分类号：ＴＰ２１２文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－１３９０（２００５）０８－００４３－０３ !ＬＯＵＹｉｎｇ１JＷＡＮＧＸｕｅ－ｊｉｅ２ （１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎJＡｎｓｈａｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙJ Ａｎｓｈａｎ１１４０４４JＬｉａｏｎｉｎｇJＣｈｉｎａZ２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＣｉｔｙＣｏｌｌｅｇｅJＨａｎｇｚｈｏｕ３１００１５JＣｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ_Ｄｅｓｃｒｉｂｅｓａｇｅｎｅｒａｌｃｉｒｃｕｉｔｕｓｅｄｔｏｓａｍｐｌｅｆｏｒａｌｌｋｉｎｄｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔａｎｄａｒｄａｎｄｎｏｎ－ｓｔａｎｄａｒｄｓｉｇｎａｌｓ．ＡｎｅｗｔｙｐｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄJｉｔｄｏｅｓｎｏｔｃｈａｎｇｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｏｎｌｙｃａｒｒｉｅｓｏｕｔｓｉｍｐｌｅｓｅｔｔｉｎｇ－ｕｐｂｙｓｏｆｔｗａｒｅJｃｏｕｌｄｆｉｎｉｓｈｃｏｎｔｒｏｌｌｉｇｈｔｍｉｃｒｏｒｅｌａｙａｎｄａｄｊｕｓｔｄｉｇｉｔａｌｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒｔｈｒｏｕｇｈＳＣＭJａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｇｎａｌｃｏｕｌｄｂｅｓａｍｐｌｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ_ＳＣＭZｌｉｇｈｔｍｉｃｒｏｒｅｌａｙZｄｉｇｉｔａｌｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ ＤｅｓｉｇｎｏｆａＳｉｇｎａｌＡｄｊｕｓｔＣｉｒｃｕｉｔ ０引言 在实际生产中往往需要对多种物理信号进行检测以便实现计量和控制，针对不同的信号往往需要不同的采集电路［１－５］，这样一来在设计、安装与调试方面就存在很多不便之处。本文提出一种通用的可对多种信号进行采集的信号调理电路。若将此电路应用于仪器仪表中，则不必开箱，只需通过软件设定即可接收工业现场常见的各种信号，并可同时对八个通道模拟量进行采样记录，各个通道完全隔离。本电路适用于精密物理量测量的场合，如煤气、水、蒸汽、重油等资源流量的测量。 １硬件设计 信号调理电路单路输入的硬件结构如图１所示，包括信号输入、放大、单片机控制等几大部分。 信号输入电路由精密基准电源ＭＡＸ８７２、光继电器ＡＱＷ２１２Ｅ、运放４５０２及精密仪表开关电容模块ＬＴＣ１０４３等组成。其中精密基准电源的使用一方面提升输入信号的电位，避免低电位测量时的干扰误差；另一方面作为一路检测电路，其测量结果可以修正其它回路的检测结果，实现系统的在线自校正。ＭＡＸ８７２具有较宽的电压输入范围（２．７～２０Ｖ），输出精度可达２．５００Ｖ±０．２％。ＬＴＣ１０４３ＣＮ是双精密仪表开关电容，电容外接，多用于精密仪表放大电路、压频转换电路和采样保持电路等。当内部开关频率被设定在额定值３００Ｈｚ时，ＬＴＣ１０４３ＣＮ的传输精确度最高，此时电容器ＣＳ和ＣＨ大小均为１μＦ。ＬＴＣ１０４３ＣＮ和运放ＬＴ１０１３组成差分单端放大器，采用ＬＴＣ１０４３ＣＮ为差分输入的电压采样值，电压保持在电容器ＣＳ上并送到接地参考电容器ＣＨ中，而ＣＨ的电压送到ＬＴ１０１３的非反相输入端放大。ＬＴＣ１０４３ＣＮ是通过电容完成电压的传输，使电压由差分输入变为单端输入，并起到了很好的信号隔离作用，在本设计中双电容的巧妙 ４３ －－
第1章概述 随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器的研究。起初用于体育测量的脉搏测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降：耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确[3]。过去在医院临床监护和日常中老年保健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量,但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点。 近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。 其中光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。通过光电式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪已经应用到临床医学等各个方面并收到了理想效果。 人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，是血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波成为脉搏波[4]。从脉搏波中提取人体的心理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景[5]。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号,因此必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。 第2章总体设计思想
课程设计报告 课程名称：模拟电子技术基础 设计题目：三角波信号发生电路设计 姓名： 学号： 系别： 专业班级： 开始日期： 完成日期 指导教师： 成绩评定等级（分数）
课程设计任务书 班级：姓名：学号：
目录 一、设计意义 (1) 1.1信号发生器的概述 (1) 1.2预计完成步骤 (1) 1.3制定的措施 (1) 二、设计方案比较 (1) 2.1三角波发生电路设计方案一 (1) 2.2三角波发生电路设计方案二 (3) 三、电路组成框图 (5) 四、电路原理图 (5) 五、组装及仿真指标测试 (7) 六、总结 (8) 七、参考文献 (9)
一、设计意义 1.1信号发生器的概述 信号发生器在电子技术应用领域里的用途非常广泛，在数字系统和自动控制系统也常常需要方波，三角波，的非正弦波信号发生器。目前我们实验室用的较多的波形发生器主要有两种：低频正弦波发生器和通用多波形发生器，前者只能产生正弦波，调节范围不大，但是信号稳定，失真度底，主要用在对波形有很高的要求的实验中；后者能产生正弦波、方波和三角波，也有的能产生三种以上波形。 本次课程设计是做一个能够产生三角波电路的设计。 由理论分析知,电压比较器可以产生方波,积分电路可以产生三角波。 1.2预计完成步骤 任务一 总体设计 任务二 方波-三角波产生电路设计 任务三 方波-三角波产生电路的安装 任务四 方波-三角波产生电路的仿真和调试 1.3制定的措施 使用National Instruments Multisim 编辑电路原理图。并且进行理论仿真。 在几个方案中选择具有可行性以及稳定性强的的电路原理图。 对选定的原理图进行安装调试。 二、设计方案比较 2.1三角波发生电路设计方案一 图1 三角波发生电路（一） 三角波电路波形可以通过积分电路实现，把方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算电路的输出就得到了三角波。 如图1所示电路输入方波电压，可见，输出为三角波。图中滞回比较器的输出电压 Z U U ±=01 ,他的输入电压时积分电路的输出电压0U ，根据叠加原理，集成运放1A 同相输 入端电位
摘要 信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。是指利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等…)来改变输入的讯号类型并输出之。把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等。信号调理将把数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统，这是通过直接连接到广泛的传感器和信号类型来实现的。信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。若信号很小，则要经过放大将信号调理到采集卡能够识别的范围，若信号干扰较大，就要考虑采集之前作滤波了。 关键词：放大器，传感器，滤波，信号采集
1设计任务描述1.1设计题目：信号调理电路 1.2设计要求 1.2.1设计目的 （1）掌握传感器信号调理电路的构成，原理与设计方法（2）熟悉模拟元件的选择，使用方法 1.2.2基本要求 （1）输出幅度在0-3V，线性反应输入信号的幅值 （2）信号的频率范围在50Hz-10KHz （3）匹配的信号源一般复读在100mv，内阻10KΩ左右（4）匹配的负载在100kΩ左右，信号传输的损失尽量小 1.2.3发挥部分 （1）超出上下限的保护电路及指示 （2）电桥信号采集 （3）其他
2设计思路 这次我们小组课程设计的题目是信号调理电路。 信号调理往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。 在初始阶段用一个电压跟随器来发出信号，利用一个电桥收集信号并发出差分电压，选择放大器与传感器正确接口，使放大器与传感器特性匹配，测量应变片传感器通常要通过桥网络，用高精度和非常低漂移(随温度)的精密电压基准驱动放大器A1。这可为桥提供非常精确、稳定的激励源。因为共模电压大约为激励电压的一半，所以被测信号仅仅是桥臂之间小的差分电压。放大器A2、A3、A4必须提供高共模抑制比，所以仅测量差分电压。这些放大器也必须具有低值输入失调电压漂移和输入偏置电流，以使得从传感器能精确地读数。 在电路的输出端接入一个小绿灯，来判定电路的电压是否超出题目要求范围，并由示波器显示激励源的波形
脉搏信号调理电路的设计 摘要：脉搏作为人体重要的生理及病理参数之一，其信号具有重要的研究价值。针对其信号微弱、频率低且易受干扰的特点，文中首先提出了信号调理电路设计的要求，然后有针对性地选择元器件并设计硬件电路，最后对所设计的硬件电路进行实际测试。结果表明该调理电路具有输出波形稳定、噪声小和共模抑制比高的特点，提高了脉搏信号采集的精度。关键词：脉搏；信号调理；电路设计 Design of Circuit for Conditioning the Pulse Signals ZHANG Jin-bang，LIU Jun （Graduate Management Team，Engineering University of CAPF，Xi”an710086）Abstract: Pulse is one of the most important index of the human physiology and pathology，and provided with important medical researchful value . Basede on the characteristic of weak，low frequency and easily can be disturbed of pulse signals. The request of conditioning circuit for pulse signals is proposed，and the necessary compinents are elected in accordance with the characters of pulse，and the circuit is design. There are the circuit of prepose amplification，the circuit of zero，the circuit of restricting the signals 50 Hz，the circuit of band-pass filter and the circuit of secondary amplification. The circuit of hardware designed has been tested，and the measurement shows that the conditioning circuit of pulse signals possesses the advantages of high CMMR(common model restrain ration)，low noise，the output is stabilization，and has enhanced the precision of collection for pulse signals.
河西学院物理与机电工程 学院 综合设计实验 方波-三角波产生电路 实验报告 学院：物理与机电工程学院 专业：电子信息科学与技术
：侯涛 日期：2016年4月26日 方波-三角波发生电路 要求：设计并制作用分立元件和集成运算放大器组成的能产生方波、三角波的波形发生器。 指标：输出频率分别为：102HZ、103HZ和104Hz；方波的输出电压峰峰值VPP≥20V 一、方案的提出 方案一： 1、由文氏桥振荡产生一个正弦波信号。 2、把文氏桥产生的正弦波通过一个过零比较器从而把正弦波转换成方波。 3、把方波信号通过一个积分器。转换成三角波。 方案二： 1、由滞回比较器和积分器构成方波三角波产生电路。 2、然后通过低通滤波把三角波转换成正弦波信号。 方案三： 1、由比较器和积分器构成方波三角波产生电路。
2、用折线法把三角波转换成正弦波。 二、方案的比较与确定 方案一： 文氏桥的振荡原理：正反馈RC网络与反馈支路构成桥式反馈电路。当R1=R2、C1=C2。即f=f0时，F=1/3、Au=3。然而，起振条件为Au略大于3。实际操作时，如果要满足振荡条件R4/R3=2时，起振很慢。如果R4/R3大于2时，正弦波信号顶部失真。调试困难。RC串、并联选频电路的幅频特性不对称，且选择性较差。因此放弃方案一。 方案二： 把滞回比较器和积分比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，就构成三角波发生器和方波发生器。比较器输出的方波经积分可得到三角波、三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波和方波发生器。通过低通滤波把三角波转换成正弦波是在三角波电压为固定频率或频率变化围很小的情况下使用。然而，指标要求输出频率分别为102HZ、103HZ和104Hz 。因此不满足使用低通滤波的条件。放弃方案二。 方案三： 方波、三角波发生器原理如同方案二。比较三角波和正弦波的波形可以发现，在正弦波从零逐渐增大到峰值的过程中，与三角波的差别越来越大即零附近的差别最小,峰值附近差别最大。因此，根据正弦波与三角波的差别，将三角波分成若干段，按不同的比例衰减，就可以得到近似与正弦波的折线化波形。而且折线法不受频率围的限制。 综合以上三种方案的优缺点，最终选择方案三来完成本次课程设计。 三、工作原理： 1、方波、三角波发生电路原理
1.设计前言 心率是人体的一项重要生理参数，在现代医学中，心率对于血液循环和心脏功能领域的研究具有重要意义。心率计是医学中用来测量人体心率的装置，高精度心率计的研究开发历来是医学仪器领域的一项重要课题。本设计便旨在通过已学的电路和硬件知识，设计一款简易的数字心率计。在本设计中由于脉搏频率与心率相同，测量心率可以用测量脉搏近似得到，因此本设计将人体脉搏作为测量对象。本设计将采用multisim软件来绘制电路。 设计流程： 要实现对脉搏的测量，首先要用传感器测量得到脉搏信号。 信号得到后，因为原始信号比较微弱，需要用放大电路将其放大到一个合适的幅度。 放大后的信号中会夹杂有各种噪声，因此需要经过滤波电路对其进行滤波处理，以消除噪声，提高信号信噪比。 为使信号能够在计数器中实现计数，需要对信号进行整形处理，将信号由一个不规则信号整理为可用于计数的方波或脉冲信号。 信号经过整形后，由于设计要求实现在短时间内测量一分钟心率的功能，需要在计数前对信号进行倍频处理，以实现上述功能。 经过之前一系列处理后，信号将进入计数器进行计数，其中计数器需要用相应的定时器配合完成该步骤，定时器同样要实现短时间内测量一分钟心率的功能。 计数器输出的信号是可用于显示频显示的七位BCD码，将其连入显示频显示。同时将该信号送入比较器中与预设的数值进行比较，当测量值在预设范围之外时将通过报警电路进行LED灯报警，表示所测得的心率超出正常范围。 设计流程的图示如下：
附：心率的生理意义 人的心脏比握紧的拳头稍大，平均重量为300g。它是人体内“泵器官”，负责人体血液循环。心脏每天跳动超过10万次，累计使8千多公升的血液，流经约1万9千公里长的动静脉，从而维持血液循环。心脏有四个腔，分别是左心房、右心房、左心室和右心室。右心房接受全身各器官回流的含氧低静脉血并输入右心室，右心室把血液泵入肺脏进行氧气与二氧化碳的气体交换。左心房将自肺脏返回的含氧高的动脉血输入左心室，左心室再将血液输送至全身器官。从我们出生的那一刻起，心脏便24小时不停地工作，为全身输送氧气和养分。心脏能够这样周而复始地有规律地工作，是因为心脏有一个天然的起搏器——窦房结，它能自发地、有节律地发放电脉冲，并沿着结间束、房室结、希氏束和左右束支这一固定的激动传导途径由上向下传遍整个心脏，使心脏各个腔室顺序收缩，完成运送血液的工作。心脏的正常工作要求心脏节律发放和传导系统的结构和功能正常。心率(heart rate)指心脏分钟搏动的次数，它能够反映心脏的工作状态。正常心率决定于窦房结的节律性，成人静息时约60～100次/min，平均约75次/min。心率可因年龄、性别及其他因素而变化。初生儿心率约130次/min，随年龄增长而逐渐减慢，至青春期乃接近成人的心率。女性心率比男性稍快；运动员心率较慢。成人安静心率超过120次/min者，为心动过速；低于40次/min者为心动过缓。心率受植物性神经和体液因素调节。安静或睡眠时，心迷走中枢紧张性增高，心交感中枢紧张性降低，心率减慢。运动、情绪激动、精神紧张时，心迷走中枢紧张性降低，心交感中枢紧张性升高，心率加快。肾上腺素、去甲肾上腺素、甲状腺素等体液因素也会增快心率。此外，体温每升高1℃，心率加快12～20次/min。
三角波发生器设计 制作人：朱立超 西安建筑科技大学
一、工作原理： 1. 基本原理图： 2.工作原理： 1)如图1，三角波发生器电路，有两部分组成。其中集成运放A1组成滞回比较器，A2组成积分电路。滞回比较器可以产生稳定的方波信号，再通过积分电路积分产生所需要的三角波。 由积分电路2031(z)dt T U R C --? 可知积分电路输出电压同u o1 反向。 设t=0时积分电路电容上的初始电压为零，而滞回比较器输出端u o1=+Uz 。又有电路图可以看出，两级电路分别都引入了反馈， A 1同相输入端的电压u p1同时与u o1和u o 有关，根据叠加定理 可得 121o1o 1212 u u u p R R R R R R =+++ 由积分回路同向和反向输入端“虚短”“虚断”u p2= u n2=0,从而可 图1 三角波发生电路图
知u o =u p2.由于t 0时电容两端电压为了零，所以 u o =0，而u 01=+Uz ，故u p1也为正。而当u o1=+Uz 时，经反向积分，输出电压u o 将随着时间往负方向线性增长，则u p1将随之逐渐减小，当减小至u p1=u n1=0时，滞回比较器的输出端电压发生跳变，使u o1由+Uz 跳变为-Uz ，此时u p1也将跳变成为一个负值。当u o1=-Uz 时，积分电路的输出电压u o 将随着时间往正方向线性增长，u p1将又逐渐增大，当增大至u p1= u n1=0时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，u 01由-Uz 跳变为+Uz 。如此重复上述过程，于是滞回比较器的输出电压u 01成为周而复始的矩形波，从而积分电路的输出电压u o 也成为周期性重复的三角波。 滞回比较器和积分电路特性： 2)输出幅度： 在u o1=-Uz 期间，积分电路的输出电压u o 往正方向线性增长，此时u p1也随着增长，当增长至u p1= u n1=0时，滞回比较器的输出电压u o1发生跳变，而发生跳变时的u o 值即是三角波的最大值Uom 。将条图3 电路的波形图 图2 电压输出特性
目录 第1章绪论 (1) 1.1 课题背景与意义 (1) 1.2 设计目的与要求 (1) 1.2.1 设计目的 (1) 1.2.2 设计要求 (1) 第2章设计原理与内容 (2) 2.1 热电偶的种类及工作原理 (3) 2.1.1热电偶的种类 (3) 2.1.2工作原理分析 (4) 2.2 设计内容 (4) 2.2.1 总体设计 (4) 2.2.2 原理图设计 (5) 2.2.3 可靠性和抗干扰设计 (7) 第3章器件选型与电路仿真 (8) 3.1 器件选型说明 (8) 3.2 电路仿真 (8) 第4章设计心得与体会 (9) 参考文献 (10) 附录1：电路原理图 (11) 附录2：PCB图 (11) 附录3：PCB效果图 (11)
第1章绪论 1.1 课题背景与意义 温度是一个基本的物理量，在工业生产和实验研究中，如机械、食品、化工、电力、石油、等领域，温度常常是表征对象和过程状态的重要参数，温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。本设计中正是关于温度的测量，采用热电偶温度测量具有很多的好处，它具有结构简单，制作方便，测量范围广，精度高，惯性小和输出信号便于远传等许多优点。 同时，热电偶作为有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常在日常生活中被应用，如测量炉子，管道内的气体或液体温度及固体的表面温度。热电偶作为一种温度传感器，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。热电偶可直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。 1.2 设计目的与要求 1.2.1 设计目的 (1) 了解常用电子元器件基本知识（电阻、电容、电感、二极管、三极管、集成电路）； (2) 了解印刷电路板的设计和制作过程； (3) 掌握电子元器件选型的基本原理和方法； (4) 了解电路焊接的基本知识和掌握电路焊接的基本技巧； (5) 掌握热电偶温度传感器信号调理电路的设计，并利用仿真软件进行电路的调试。 1.2.2 设计要求 选用热电偶温度传感器进行温度测量，要求测温范围100-300℃、精度为0.1℃。设计传感器的信号调理电路，实现以下要求： （1）将传感器输出4.096-12.209mV的信号转换为0-5V直流电压信号； （2）对信号调理电路中采用的具体元器件应有器件选型依据； （3）电路的设计应当考虑可靠性和抗干扰设计内容； （4）电路的基本工作原理应有一定说明； （5）电路应当在相应的仿真软件上进行仿真以验证电路可行性
创作编号：BG7531400019813488897SX 创作者：别如克* 方波和三角波发生器电路 由集成运算放大器构成的方波和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。如图6. 5所示为由迟滞比较器和集成运放组成的积分电路所构成的方波和三角波发生器。 方波和三角波发生器的工作原理 A1构成迟滞比较器，同相端电位Vp由VO1和VO2决定。利用叠加定理可得： 当Vp＞0时A1输出为正，即VO1 = +Vz；当Vp＜0时，A1输出为负即VO1 = -Vz A2构成反相积分器 VO1为负时，VO2 向正向变化，VO1 为正时，VO2 向负向变化。假设电源接通时VO 1 = -Vz，线性增加。 当VO2上升到使Vp略高于0v时，A1的输出翻转到VO1 = +Vz 。
四、报告要求 1、课题的任务和要求。 2、课题的不同方案设计和比较，说明所选方案的理由。 3、电路各部分原理分析和参数计算。 4、测试结果及分析： （1）实测输出频率范围，分析设计值和实测值误差的来源。 （2）对应输出频率的高、中、低三点，分别实测输出电压的峰－峰值范围，分析输出电压幅值随频率变化的原因。 （3）频率特性测试，在低频端选定一个输出幅值，而后逐步调高输出频率，选12～15个测试点，用示波器观测输出对应频率下的输出幅值，填入自己预做的表格，画出电路的幅频特性。 注意：输出幅值一旦选定，在调节输出测试频率点过程中，不能再动！ （4）画出示波器观测到的各级输出波形，并进行分析；若波行有失真，讨论失真产生的原因和消除的方法。 5、课题总结 6、参考文献 2、方波、三角波发生器 （1）按图11-2所示电路及参数接成方波、三角波发生器。