心律检测仪——心跳倍频
相关实验
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方案回顾
心律检测仪——心跳脉冲产生中，将血管舒张和收缩经过脉搏光电传感器转化为电信号。然后经过反向放大器，比较器和单稳态触发器形成可以被逻辑电路使用的心跳脉冲。在心律检测仪——方案分析方案3中使用锁相环将心跳脉冲倍频60倍，这样计数1秒钟就可以得到每分钟心律。每隔一秒刷新一次。锁相环原理
锁相环是倍频和分频常用的器件。它由几个基本单元组成：鉴相器，压控震荡器，分频器M，分频器N，环路低通滤波器。
鉴相器的功能是检测两个信号的相位差，输出这个相位差给低通滤波器转换为1个电压信号。电压信号控制VCO的频率，然后逐步使相位差缩小，达到锁定状态。达到锁定状态后，可以得到一个基本频率等式。
fin / M = fout / N
所以fout= fin /M *N
调节M和N的值可以实现分频和倍频。例如M=100，N=10则fout= fin/10，实现10分频。当M=10，N=100时fout = fin *10，实现10倍频。
CD4046锁相环
电路设计时使用锁相环芯片CD4046. 它是外置分频器N，外置环路低通滤波器的锁相环。没有分频器M。它的原理如图
CD4046的VCO需要R1 R2 C1来进行振荡。它内部有两个鉴相器，可以选择使用其中一个。R3和C2是它的外置环路低通滤波器。鉴相器1的特点是应对噪声能力强。设计中使用鉴相器1的输出给外部低通滤波器。要倍频60倍，所以外置N分频器使用模60的计数器。模60计数器用两片74161来完成。
锁相环设计步骤
1、先确定VCO的频率范围
心律一般在50次到150次每分钟，所以设计VCO的频率范围为50Hz到150Hz。
2、确定C1和R2的值
根据数据手册里的图，Y轴是对数频率，X轴是C1的电容值pF。看5V供电R2=100KΩ的线。可以看到50Hz跟线交叉点对应的C1为4*10^5 pF。所以选择R2=100KΩ，C1取 0.47uF。
3、确定R1的值
根据手册里的图，X轴是频率比例的对数坐标，Y轴是电阻比例的对数坐标。fmax/fmin = 150 /50 =3. 对应的R2/R1为3左右。因为振荡器是模拟电路，所以R1的值要在实际中再调节一下，这里先选取一个初始值方便调节，取R1 = 100KΩ/3= 33KΩ 。
4、确定外部环路低通滤波器
R3和C2的值。心跳间隔时间大约1秒钟，所以鉴相器的工作频率在1Hz左右，选择低通滤波器的截止频率1Hz。截止频率太低会导致锁定缓慢甚至失锁，截止频率太高会导致频率误差增大。
fc= 1/（23.14RC）
取R3=10KΩ，C = 22uF，则fc=0.72Hz。满足要求。
各元件参数计算出来了，锁相环原理图如下
锁相环调试测试步骤
1、 锁定频率范围测试
将分频器N =1，就是将3和4管脚连接在一起。用硬木课堂测试仪的PWM1提供脉冲信号，示波器测试锁定频率范围。这时鉴相器的工作频率跟PWM频率一致，需要将C1先换为0.22uF，fc= 1/（23.14RC）= 79.6Hz，在50Hz到150Hz的中间频率。
开启电源供电，使电路工作起来
设置 
里面的PWM1输出50Hz，75Hz，150Hz
示波器测试锁定情况。黄色1通道是PWM1信号，蓝色2通道是锁相环第3管脚，红色第3通道是9管脚，低通滤波器位置。可以看到蓝色信号跟随黄色信号，也就是锁定在黄色信号上。可以覆盖50Hz到150Hz。注R1调试值在15KΩ。
2、 倍频测试
倍频测试时需要使用外部N=60计数器。用两片74ls161和组合逻辑来搭建N=60计数器。模60计数器，计数周期是60。74ls161是低电平有效异步清零。设计组合逻辑在60时清零计数器，这样计数器以模60来工作。60的二进制计数从0到59.
先测试N=60计数器
将PWM1的输出接在input上，设置频率为6000Hz，用示波器测试输出，频率应该在100Hz。可以看到CH2的频率为99.96Hz，计数器工作正常。
测试倍频功能
将N计数器接入锁相环。将input接在锁相环的4管脚。将output接在锁相环的3管脚。测试倍频功能。注意，倍频时鉴相器工作在1Hz左右，需要将C2更换为22uF。PWM1信号接锁相环14管脚。设置PWM1输出1Hz频率信号。
黄色1通道是PWM1信号，蓝色2通道是锁相环4管脚，倍频后的信号。红色3通道是锁相环3管脚，也是N分频器的输出。绿色4通道是锁相环9管脚，低通滤波器。
可以看到红色信号锁定黄色信号，N分频器输出是1Hz，则分频器的输入就是60Hz，也就是倍频后的频率。展宽波形可以看到，压控振荡器VCO的频率是动态调节过程，1秒内的总脉冲数量是60，虽然每个脉冲的周期有不同。绿色信号的电压在波动，对压控振荡器进行调频。
3、 联调真实的心跳脉冲测试
将PWM1信号取下。将调试好的心跳脉冲信号接入锁相环14管脚。将指尖放在光电脉搏传感器上，力度合适。用示波器观察传感器信号（1通道），心跳脉冲（2通道），锁相环的N分频器输出（3通道），VCO的低通滤波器压控信号（4通道）。
可以看到红色信号锁定在黄色信号上，心跳倍频正常。
电路实物照片
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