數(shù)電課設(shè)報告電子脈搏計設(shè)計.docx

附頁數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計報告題目:電子脈搏計設(shè)計班 級: 姓 名: 指 導(dǎo) 老 師: 組 號: 21目錄第一章 設(shè)計設(shè)計任務(wù)及要求.1第二章 方案設(shè)計與論證.12.1方案一.12.2方案二.22.3總結(jié)方案.22.4設(shè)計原理及方框圖.3第三章 各單元電路電路設(shè)計與分析.33.1四倍頻電路.33.2脈搏計數(shù)電路.43.3計時控制電路.53.4時鐘信號產(chǎn)生電路.63.5譯碼顯示電路.7第4章 總體電路原理圖及元件清單.7第5章 電路仿真及仿真結(jié)果分析.9第6章 作品照片圖.10第7章 心得體會.11第8章 參考文獻(xiàn).12第9章 附頁.131 電子脈搏計一、設(shè)計設(shè)計任務(wù)及要求用中小規(guī)模集成塊模擬世賢電子脈搏計邏輯控制電路的具體要求如下：（1） 實現(xiàn)在15s內(nèi)測量1min的脈搏數(shù)。（2） 用數(shù)碼管將測得的脈搏數(shù)用數(shù)字的形式顯示。（3）正常人的脈搏數(shù)為6080次/min,嬰兒的為90100次/min，老人為100150次/min,可通過與上述正常脈搏數(shù)比較，給出測脈搏人的脈搏數(shù)高出或低出正常范圍的數(shù)值。二、方案設(shè)計與論證方案一1. 傳感器 將脈搏跳動信號轉(zhuǎn)換為與此相對應(yīng)的電脈沖信號。2. 放大整形電路 把傳感器的微弱電流放大，微弱電壓放大。3. 四倍頻器 將整形后所得到的脈沖信號的頻率提高。如將15s內(nèi)傳感器所獲得的信號頻率4倍頻，即可得到對應(yīng)一分鐘的脈沖數(shù)，從而縮短測量時間。4. 控制電路 用555定時器以保證在基準(zhǔn)時間控制下，使4倍頻后的脈沖信號送到計數(shù)、顯示電路中。5. 計數(shù)、譯碼、顯示電路 用來讀出脈搏數(shù)，并以十進(jìn)制數(shù)的形式由數(shù)碼管顯示出。 6. 電源電路 按電路要求提供符合要求的直流電源。 上述測量過程中，由于對脈沖進(jìn)行了4倍頻，計數(shù)時間也相應(yīng)地縮短了4倍(15s)，而數(shù)碼管顯示的數(shù)字卻是lmin的脈搏跳動次數(shù)。用這種方案測量的誤差為4次min，測量時間越短，誤差也就越大。方案二與方案一相比，信號發(fā)生與采集、定時電路、計數(shù)譯碼顯示電路不變。其他有所改變。2）放大電路用普通運放進(jìn)行發(fā)大，為達(dá)到高輸入阻抗的要求，采用同相比例放大。3）低通濾波在運放的反饋電阻上并聯(lián)一個電容，達(dá)到濾波的效果。4）整形電路通過運放組成的單限比較器進(jìn)行脈沖整形。方案二的放大電路除了在阻抗匹配方面略顯弱勢之外，使用更為普遍。為了探索非門再放大方面的應(yīng)用，選擇了方案一?？偨Y(jié)方案：綜合上述方案，具體方案模塊介紹如下：1. 脈搏模擬電路主要是產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，來模擬人體的脈搏經(jīng)過傳感器和波形整形后的輸出信號。該信號直接送給脈搏四倍頻電路。2. 四倍頻電路的作用是將脈搏模擬信號的頻率增加四倍，即讓計數(shù)器記錄的數(shù)據(jù)為實際值的四倍。讓我們在15s內(nèi)就可以讀出1分鐘的脈搏數(shù)。3. 時鐘產(chǎn)生電路由555構(gòu)成，主要是為整個電路提供一個基準(zhǔn)時鐘，讓被測者能夠?qū)Ρ葧r間與脈沖個數(shù)，來判斷脈搏的快慢。4. 計時電路接收時鐘信號并計時，當(dāng)計時到15s的時候，給JK觸發(fā)器一個有效脈沖，讓JK觸發(fā)器通過與門控制脈搏信號與計數(shù)電路的通與斷。5. 清零信號主要是為下一次計數(shù)做準(zhǔn)備。當(dāng)需要再一次測量時，只需按下清零信號鍵，使數(shù)據(jù)歸零。就可以重新計數(shù)。6. 電源主要是為各個模塊提供電能，使其正常工作，本設(shè)計采用5V直流供電，電源直接從數(shù)電實驗箱上獲得。設(shè)計原理及方框圖脈搏計是用來測量心臟跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分，它的基本功能應(yīng)該是：（1） 用傳感器將脈搏的跳動轉(zhuǎn)換為電壓信號，并加以放大整形和濾波。（2） 在短時間內(nèi)（15s）內(nèi)測出每分鐘的脈搏數(shù)。簡單脈搏計的框架如圖7.11.所示。圖7.11.1 簡單脈搏計的功能框圖這里可用連續(xù)的時鐘信號來模擬脈搏，以一個時鐘信號模擬一次脈搏的輸入，通過四倍頻電路，可以實現(xiàn)15s內(nèi)檢測出1min的脈搏數(shù)。3、 各單元電路設(shè)計與分析1. 四倍頻電路在此電路中，輸入脈沖由A點輸入，由時鐘CLK上升沿打入D觸發(fā)器1，D觸發(fā)器1輸出信號B，B信號在下一個時鐘的上升被打入下一級D觸發(fā)器2，D觸發(fā)器2輸出信號C，再將B、C信號異或，即可得到脈沖寬度為一個時鐘周期的倍頻信號。四倍頻電路的邏輯電路圖如圖7.11。2所示。其工作原理為：當(dāng)a點為低電平穩(wěn)定時，b點為0。a=b,c=0。當(dāng)a由低變高時，第一個異或輸出為高。給電容充電，b點電壓逐漸升高，當(dāng)電壓達(dá)到異或門的閾值電壓2V時，c點為低。高電平時間由R1，C1的值共同確定。當(dāng)a點由高到低時，b點電壓不變，且電容開始放電，此時，a=!b,c點電位為高，直到電容放電致電壓小于2V，c點跳變?yōu)榈?。整個過程組成一個二倍頻電路，兩個二倍頻電路構(gòu)成一個四倍頻電路。輸入與輸出波形如圖32所示。輸入脈搏信號用250HZ的矩形波，T=4ms。前級二倍頻電路的高電平應(yīng)為2ms。經(jīng)計算得：TW=0.7RC=0.76K0.47uF=1.974ms。為使上升沿分布均勻，二級倍頻電路的高電平應(yīng)小于1/2TW。且如果電容過大，則波形可能出現(xiàn)丟步現(xiàn)象。故我們只需要分布均勻的上升沿即可。所以：TW2=0.7RC=0.70.23K0.47uF=0.075ms圖7.11.2四倍頻邏輯電路圖2. 脈搏計數(shù)電路脈搏計數(shù)電路主要用到兩個十進(jìn)制計數(shù)器74LS160，該元件功能為：ENT、ENP為芯片的使能端，當(dāng)ENT、ENP接高電平時芯片處于工作狀態(tài)，接低電平時處于休眠狀態(tài)。我們將這兩端接高電平，使它一直工作。CLR為清零端，CLR=0，QAQD輸出為0，CLR=1，芯片正常工作。LOAD為同步置數(shù)端，低電平有效，當(dāng)LOAD為低，且有下降沿來時，A、B、C、D四個數(shù)就并行置入，從QA、QB、QC、QD輸出。RCO為進(jìn)位端。即由9變?yōu)?時，該端出現(xiàn)一個高電平。脈搏計數(shù)電路主要用到計數(shù)器74LS161.在兩個芯片級聯(lián)時，分同步級聯(lián)與異步級聯(lián)。同步級聯(lián)的方法不僅電路簡單，而且功耗較低，因為十位數(shù)據(jù)顯示端只在進(jìn)位信號來的時候工作，其余時間不工作，而異步級聯(lián)十位數(shù)據(jù)顯示一直工作，經(jīng)電流表測量，同步級聯(lián)電流為0.888uA，異步級聯(lián)電流為0.972uA，故采用同步級聯(lián)的方法。將個位數(shù)據(jù)計數(shù)器的進(jìn)位端與十位數(shù)據(jù)的使能端連接起來，把兩個芯片的LOAD與CLR都接高電平，兩個CLK端連接起來模擬的脈沖信號輸出端XFG1每來一個上升沿，數(shù)碼管顯示的數(shù)字就會加1。其電路連接如圖7.11.3所示。圖7.11.3 脈搏計數(shù)電路圖3.計時控制電路計時控制電路如圖7.11.4所示，74LS161是一個十六進(jìn)制的計數(shù)器。ENT、ENP和A接高電平，使芯片工作，A、B、C、D接低電平，即當(dāng)LOAD為低電平時，74LS161置1。芯片的CLR接R3與開關(guān)，組成清零電路。當(dāng)開關(guān)閉合時，CLR=1，芯片正常計數(shù)。當(dāng)開關(guān)打開時，CL,R=0芯片清零。RCO為進(jìn)位信號短，當(dāng)計數(shù)到15時，QAQD輸出高電平，下一個時鐘來時，QAQD輸出為0、0、0、0.RCO來一個上升沿經(jīng)過一個非門引到LOAD端，即進(jìn)位時鐘給LOAD一個低電平，使其置數(shù)。這樣計數(shù)器從1計到15然后返回1.這樣組成了一個十五進(jìn)制計數(shù)器。RCO端輸出為一個十五分頻波形。4個發(fā)光二極管指示計數(shù)器所記數(shù)值。即1Q輸出15s的高點平，然后輸出15s的低電平。即控制計數(shù)器工作15s，然后停15s。進(jìn)位信號端RCO每15秒產(chǎn)生一個上升沿，該上升沿給JK觸發(fā)器，JK觸發(fā)器的JK接1，則每來一個上升沿，1Q和1Q翻轉(zhuǎn)一次。即1Q輸出15s的高電平，然后輸出15秒的低電平，時序如圖3-7所示。即控制計數(shù)器工作15秒，然后停15秒。LED為控制狀態(tài)指示燈。LED亮表示計數(shù)器不工作。LED不亮則脈搏計工作。也就是說LED是一個報警器，我們也可以用一個蜂鳴器代替。而LED1-4，是為了表示74LS161輸出端QA、QB、QC、QD的高低電平。圖 7.11.5 計時控制電路3. 時鐘信號產(chǎn)生電路時鐘信號在電子脈搏計中的作用是產(chǎn)生一個基準(zhǔn)時鐘，并控制脈搏計數(shù)器的工作，作為參考時鐘。該電路是用NE555P做的一個多諧振蕩器。為了得到占空比為50%的矩形波，R1=R2=10k，當(dāng)電容充電時，充電回路是VCC-R1-C-GND，電容放電時，放電回路是C-R2-GND。振蕩周期由R1，R2，C共同決定。Vcc在接通電源后，電容C被充電，vc上升，當(dāng)vc上升到大于2/3Vcc時，觸發(fā)器被復(fù)位，放電管T導(dǎo)通，此時v0為低電平，電容C通過和R2、T放電，使Vc下降。當(dāng)vc下降到小于1/3Vcc時，觸發(fā)器被置位，v0翻轉(zhuǎn)為高電平。電容C放電結(jié)束。電容C放電時間，充電時間及頻率公式為：產(chǎn)生波形的周期：（理想狀態(tài)下）T=0.7（R1+R2）=0.7（6.8+6.8）0.1=1.008msF=1/T=1KHZ電路圖如圖7.11.5所示。圖7.11.5 多諧振蕩邏輯電路圖4. 譯碼顯示電路本設(shè)計中采用74LS48作為計數(shù)器，因為它有譯碼功能，可與數(shù)碼管直接連接。因為脈搏測試器中需要上十位的數(shù)字。因此，將兩片74LS直接按并行進(jìn)位方式連接的百進(jìn)制計數(shù)器。555集成定時器與Cf、C、R1、R2構(gòu)成的定時電路，其輸出端（3腳）接非門后與R1、R2的TE（4腳）相連接。平時，555的輸出為低電平，經(jīng)非門后為高電平，使R12、R15計數(shù)禁止；當(dāng)按下S1時，555的輸出變?yōu)楦唠娖剑ń?jīng)非門后為低電平），C1經(jīng)R1、R2充電，定時開始。與此同時，R1、R2允許計數(shù)脈沖進(jìn)入，60秒后，555的輸出又變?yōu)榈碗娖剑褂嫈?shù)器停止計數(shù)，此時，數(shù)碼管顯示的計數(shù)結(jié)果即為一分鐘內(nèi)脈搏跳動的次數(shù)。C1、R1組成清零電路，用來保證在電源接通瞬間，R1、R2自動復(fù)位清零。七段數(shù)碼管與74LS48的連接方式如圖7.11.6：圖7.11.6 譯碼顯示電路4、 總體電路原理圖及元件清單圖7.11.7 總電路原理圖由圖可以看出:此電子脈搏計是由振蕩器，四倍頻電路，脈搏計數(shù)電路，時鐘控制電路，譯碼顯示電路構(gòu)成。它的工作原理是:先由振蕩器產(chǎn)生一個高頻脈沖信號來模擬脈搏跳動，再由四倍頻電路進(jìn)行放大，在經(jīng)過時鐘控制電路進(jìn)行控制，后送入脈搏計數(shù)電路進(jìn)行計數(shù)，最后通過譯碼顯示電路，在數(shù)碼管中顯示出來。具體操作如下：脈沖信號從3端口輸出進(jìn)入74LS161的CLK端，讓161開始計數(shù)。161的進(jìn)位端RCO接JK觸發(fā)器的CLK。讓1Q的高低電平每15秒變一次。清零系統(tǒng)由電源、按鍵、和地組成。74LS161的CLR、74LS161的CLR和74LS74的CLR端連在一起。當(dāng)開關(guān)閉合，CLR輸入一個高電平；當(dāng)開關(guān)斷開，CLR端輸入一個低電平，系統(tǒng)清零。 另一路為信號處理電路，由波形發(fā)生器和四倍頻電路組成。這兩路信號通過一個與門電路合并在一起輸入計數(shù)電路的CLK端。當(dāng)1Q處于高電平時，脈搏信號通過與門直接輸入計數(shù)電路的CLK端。當(dāng)1Q為低電平時，與門輸出為0，相當(dāng)于脈搏與計數(shù)斷開。脈搏計停止工作。元件清單元件描述標(biāo)號數(shù)量價格(元)NE555555定時器Q1574LS161十六進(jìn)制計數(shù)器U1U2U337.574LS112雙JK觸發(fā)器ZA12.574LS74D觸發(fā)器Y1AY2B2574LS004個二輸入的與非門X112.574LS084個二輸入與門UA12.5普通電容0.01uf47nfC1C220.8電阻10K歐R1R220.5二極管發(fā)光二極管LED1LED2LED3LED440.5數(shù)碼管ABc31五、電路仿真及仿真結(jié)果分析電路設(shè)計好以后，用軟件Multisim進(jìn)行仿真。在這軟件中，由于仿真軟件的記時單位是ms，若以s為單位，則要等很長時間，故我采用1KHZ代替1HZ的時鐘信號，時間用1ms代替1s。當(dāng)仿真開始，右下角的數(shù)碼管開始顯示時間從1至15（秒）循環(huán)，用函數(shù)發(fā)生器輸入一個頻率為500HZ的矩形波，待一段時間后，關(guān)閉開關(guān)。過一會，當(dāng)顯示時間的數(shù)碼管重新從1開始時，顯示脈搏數(shù)的數(shù)碼管也開始從1開始計數(shù)。最后，當(dāng)顯示時間的數(shù)碼管達(dá)到15且重置為1時，脈搏計數(shù)器顯示30且停止，待過15s后，脈搏計數(shù)器繼續(xù)工作，顯示從30開始，直到15秒后，達(dá)到60停止。當(dāng)開關(guān)A打開時，脈搏計數(shù)器清零。故仿真結(jié)果正常，沒誤差，達(dá)到實驗的要求（在15s內(nèi)測量1min的脈搏數(shù)，且誤差小于4次/min）。接著停止電路工作，改變函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)，輸入一個頻率為1000HZ的矩形波，重復(fù)上面的步驟，可測量出在15s內(nèi)測量1min的脈搏數(shù)為60個。此時，測量結(jié)果68個/s和理論值60個/s有誤差，不過誤差小于8次/min.故整個電子脈搏計已設(shè)計成功。仿真結(jié)果比較理想有些元件并不是與實際電路的一模一樣，實際電路中用了兩片74LS74。而仿真中不會出現(xiàn)按鍵抖動等問題，只可以做原理上的參考。仿真圖如圖7.11.8所示。圖7.11.8 電子脈搏計數(shù)器邏輯電路仿真圖方案:電路采用焊接一部分就測試一部分的方案這樣可以方便排查錯誤，排除其他因素的干擾本電路先焊接脈搏計數(shù)電路，再焊接時鐘控制電路，然后焊接四倍頻電路，最后焊接焊接振蕩器和譯碼顯示電路。結(jié)果:時鐘控制電路出現(xiàn)了問題，四倍頻電路工作不正常。經(jīng)過反復(fù)排查，使脈搏計數(shù)器正常工作。時鐘控制電路正常，譯碼顯示電路正常。六、作品照片圖7、 心得體會在本次實驗完成中，這個過程中使我受益匪淺。在確定各模塊電路的過程中，不但訓(xùn)練了我們查找資料的能力，更是一次很好考驗我們用所學(xué)的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)等相關(guān)知識來判斷電路正確與否的機(jī)會。通過此次課程設(shè)計的鍛煉，自己的動手能力有了很大的提高，查找問題、解決問題的能力也有了相應(yīng)的進(jìn)步。當(dāng)然，這次試驗也讓我看到了我們的很多缺陷。首先對元器件不是特別的熟悉，尤其是在此次電路中，有多種芯片的使用，所以字焊板時費時長。所以經(jīng)驗告訴我們，必須掌握好專業(yè)基礎(chǔ)知識?？偟膩碚f，本次設(shè)計有苦也有甜。設(shè)計思路是最重要的，只要你的設(shè)計思路是成功的，那你的設(shè)計已經(jīng)成功了一半，因此我們應(yīng)該在設(shè)計前做好充分的準(zhǔn)備。同時熟練地掌握課本上的知識，這對試驗中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析解決也是相當(dāng)重要的。這次設(shè)計留給我的印象最深的是要設(shè)計一個成功的電路，必須要有耐心，更要有堅持的毅力。八、參考文獻(xiàn)1康華光主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）.高等教育出版社20062崔瑞雪、張增良編著.電子技術(shù)動手實踐.北京航空航天大學(xué)出版社20073錢如竹實用醫(yī)療