Схема цифрового измерителя частоты пульса

Самый распространенный способ измерения частоты пульса (ЧП) -путем подсчета количества ударов за определенный промежуток времени. Однако этот способ не подходит в условиях, когда необходим оперативный контроль ЧП, например при занятиях спортом.

Ранее публиковались описания измерителей ЧП с применением редких и дорогостоящих ЦАПов и аналоговым видом индикации. Я сомневаюсь, чтобы кто-нибудь решился, например, во время кросса таскать с собой большой микроамперметр (маленький нельзя - низкая точность и дрожит стрелка) и кучу батареек (для двухполярного питания).

Рис. 1. Схема измерителя ЧП

Существует мнение, что “цифровой способ индикации требует усложнения схемы”, но если вспомнить, что существуют микросхемы ПЗУ, в которые можно попросту “записать” всю таблицу соответствия “число импульсов - частота пульса”, то окажется, что цифровой способ требует упрощения схемы.

Схема такого измерителя ЧП приведена на рис. 1. Входной каскад выполнен на компараторе DA1, поэтому он имеет довольно высокую чувствительность. Схема рассчитана на работу совместно с электродинамическим или пьезоэлектрическим датчиками (в последнем случае параллельно датчику следует подключить резистор на 10... 100 Ом). С выхода компаратора сигнал поступает на одновибратор, выполненный на элементах DD5.1 и DD5.2. Применение одновибратора необходимо из-за особенностей функционирования сердца. На рис. 2 приведен фрагмент из самой настоящей электрокардиограммы вполне здорового человека.

Рис. 2. Фрагмент электрокардиограммы

Видно, что в промежутке между ударами пульса (Тп- сокращение желудочков) находится еще один импульс (сокращение предсердий) с меньшей амплитудой, однако достаточной для срабатывания компаратора. Если же применить одновибратор, то схема попросту “пропустит” этот импульс (а без него - будет измерять или ТИМП1 или ТИМП2). Так как при увеличении ЧП уменьшается Тп, то для нормальной работы устройства следует также уменьшать длительность импульса одновибратора (уменьшая сопротивление резистора R10).

Кварцевый генератор и делитель частоты собран на микросхеме DD1. С вывода 4 счетчика DD1.2 частота 1024 Гц поступает на вход DD2, а с его выходов-на вход регистра памяти DD3. По сигналам одновибратора сначала записывается информация в регистр, и только потом - стирается в счетчике. К выходу регистра подключено ПЗУ DD4, которое управляет индикаторами. Для упрощения схемы применена динамическая индикация (на выводе 1 DD1.1 частота 64 Гц), но из-за этого в два раза снижается точность измерения.

Микросхема DD4 подключена к питанию несколько необычно: только через вход программирования (вывод 22). В таком режиме работоспособность большинства микросхем полностью сохраняется, при этом несколько уменьшается потребляемый ток (62 мА против 93 мА). При питании от батарей (4,5 В) экономия 30 мА - это немало.

Из-за ограниченного числа разрядов индикатора пришлось пойти на небольшую хитрость. Так, если на индикаторе число “57”, то это значит, что ЧП равна 56,75...57,25, а если “57” - 57,25...57,75.

Карта программирования ПЗУ приведена в табл. 1. Так как в исходном состоянии в микросхеме КР556РТ5 записаны “единицы”, то информация в таблице - в инверсном виде. Так, при записи кода “47’ логический “0” нужно записать по выводам 9,10,11,16 микросхемы. Сигнал на выводе 17 ПЗУ высвечивает или единицу в старшем, или запятую в младшем разрядах.

Налаживание

Для уменьшения чувствительности компаратора следует припаять резистор между выводами 4 и 9 DA1. Если счетчик DD2 не будет “обнуляться” в старших разрядах на выводах 1,2,3, следует уменьшить сопротивление R7, а если не будет записываться информация в регистр (на индикаторе “1 -1 ” при исправной DD2), следует увеличить емкость С4 и, если и это не поможет, увеличить емкость СЗ или сопротивление R7. Если на индикаторе число “1--”, значит ЧП выше 199 или ниже 30 ударов в минуту. Если цифра измерителя отличается от реаль-

Табл. 1. Карта программирования ПЗУ

ной в два или более раз, следует подобрать R10. Вместо него желательно впаять 2...3 резистора разных номиналов (для каждого значения ЧП — свой резистор) и переключать их. Подобрать их можно с помощью секундомера и НЧ-генератора, имитирующего работу сердца (рис. 3). Генератор можно собрать на микросхеме DD1 навесным монтажом. К выходу DA1 подключается светодиод HL1, а к выходу DD5.1 - HL2 (на схеме не показаны). Подключив генератор к схеме и установив частоту около 30 мерцаний светодиода HL1 в минуту, следует подобрать резистор R10 так, чтобы продолжительность горения HL2 была несколько больше, чем HL1. Частоту генератора следует увеличивать до того момента, пока продолжительность горения HL2 и не сравняются с HL1. В этот момент следует отключить R10 и вместо него подключить следующий. Вместо постоянных резисторов желательно применить переменный, но в этом случае светодиоды следует “навсегда” припаять к плате.

Рис. 3. НЧ-генератор

Микросхему DD3 желательно заменить на КР1533ИР37 (цоколевка та же); при этом можно будет вообще убрать R7, R8, С2...С4, а между выходом одновибратира и объединенными входами счетчика и регистра подключить конденсатор емкостью 100. .200 пф: эта микросхема запоминает информацию по фронту импульса; быстродействие ТТЛ-схем на порядок (в 10 раз) выше быстродействия МОП-схемы, поэтому информация сотрется в счетчике. При применении ПЗУ с большей емкостью памяти (для повышения точности при ЧП > 90 ударов/мин.) счетчик К561ИЕ16 следует заменить на ИЕ20, а вместо КР1533ИРЗЗ(37) поставить две КР1533ТМ9.

Автор статьи -А. Колдунов. Статья опубликована в РЛ, №4,2001 г.