數字電子技術課程設計

1、數字電子技術課程設計報告指導老師：XXX班級：XXX學號：XXX姓名：XXX浙江理工大學本科課程設計任務書設計題目電子脈搏測試儀的設計設計要求1. 通過基于紅外線傳感器的脈搏測試儀的實現，熟悉數字系統(tǒng)的一般設計、制作和調試方法，初步掌握大規(guī)模集成電路的應用方法和注意事項；2. 掌握常用數字集成電路（555、計數器、譯碼器等）的應用；3. 了解影響脈搏測試儀指標的基本因素。主要技術指標1. 熟悉放大電路，經整形、濾波后得到方波信號；2. 設計門控電路的暫穩(wěn)態(tài)時間為30秒；3. 設計譯碼、顯示電路，記錄被測心率。工作內容1. 用555芯片設計半分鐘定時器，同時設計三位計數電路對方波信號進行計數，并

2、設計譯碼電路將BCD碼翻譯成數碼管的七段碼。2. 設計驅動電路驅動三位數碼管，顯示半分鐘心跳次數。3. 裝配硬件電路并進行硬件測試、記錄結果。4. 整理數據，撰寫設計報告并上交。工作計劃：介紹設計題目，工作原理，設計要求,下發(fā)課程設計任務書；：設計出電路原理圖，選擇合適的元器件并進行元器件測試；：根據所選元器件組裝并焊接實際電路；：調試電路，排除故障，記錄有關參數指標；：答辯，按要求整理數據，撰寫設計報告。設計報告要求1. 產品的技術指標、功能要求；2. 電子脈搏測試儀的原理（框圖）；3. 單元電路（門控、計數、譯碼）的工作原理，包括重要芯片的介紹等； 4. 電子脈搏測試儀的設計思路及原理圖；

3、調試的步驟和注意事項；5. 測量數據記錄（指導書P13）；6. 設計過程問題總結與心得體會。指導教師簽 名年 月 日系主任簽名：年 月 日1 產品簡介紅外線心率計就是通過紅外線傳感器檢測出手指中動脈血管的微弱波動，由計數器計算出每分鐘波動的次數。但手指中的毛細血管的波動是很微弱的，因此需要一個高放大倍數且低噪聲的放大器，這是紅外線心率計的設計關鍵所在。通過本產品的制作，可以使學生掌握常用模擬、數字集成電路（運算放大器、非門、555定時器、計數器、譯碼器等）的應用。2 紅外線心率計工作原理2.1 紅外線心率計的原理框圖整機電路由-10V電源變換電路、血液波動檢測電路、放大整形濾波電路、3位計數器

4、電路、門控電路、譯碼驅動顯示電路組成，如圖1所示。譯碼、驅動、顯示3位計數器放大、整形、濾波血液波動檢測門控電路-10V+12V電源變換電路圖1 紅外線心率計的原理框圖2.2 單元電路的工作原理 負電源變換電路為簡化實驗的步驟，實驗中直接用+12V、和-10V的電源代替負電源變換電路。 血液波動檢測電路實驗中采用信號源發(fā)生器直接產生正弦波代替原來的血液波動檢測電路。 放大、整形、濾波電路放大、整形、濾波電路是把傳感起檢測到的微弱電信號進行放大、整形、濾波，最后輸出反映心跳頻率的方波，如圖5所示。其中LM741為高精度單運放電路，它們的引腳功能如圖3 (b)所示。IC2、IC3、IC4都為LM7

5、41。圖5信號放大、整形電路因為傳感器送來的信號幅度只有25毫伏，要放大到10V左右才能作為計數器的輸入脈沖。因此放大倍數設計在4000倍左右。兩級放大器都接成反相比例放大器的電路，經過兩級放大、反相后的波形是跟輸入波形同相、且放大了的波形。放大后的波形是一個交流信號。其中A1、A2的供電方式是正負電源供電，電源為+12V、-10V。A1、A2與周圍元件組成二級放大電路，放大倍數Auf為：由于放大后的波形是一個交流信號，而計數器需要的是單方向的直流脈沖信號。所以經過V3檢波后變成單方向的直流脈沖信號，并把檢波后的信號送到RC兩階濾波電路，濾波電路的作用是濾除放大后的干擾信號。R9、V4組成傳感

6、器工作指示電路，當傳感器接收到心跳信號時，V4就會按心跳的強度而改變亮度，因此V4正常工作時是按心跳的頻率閃爍。直流脈沖信號濾波后送入A3的同相輸入端，反相輸入端接一個固定的電平，A3是作為一個電壓比較器來工作的，是單電源供電。當A3的3腳電壓高于2腳電壓的時候，6腳輸出高電平；當A3的3腳電壓低于2腳電壓的時候，6腳輸出低電平，所以A3輸出一個反應心跳頻率的方波信號。 門控電路555定時器是一種將模擬電路和數字電路集成于一體的電子器件，用它可以構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器等多種電路。555定時器在工業(yè)控制、定時、檢測、報警等方面有廣泛應用。555定時器內部電路及其電路功能如圖6

7、(a)、(b)所示。555內部電路由基本RS觸發(fā)器FF、比較器COMP1、COMP2和場效應管V1組成（參見圖6(a）)。當555內部的COMP1反相輸入端（-）的輸入信號VR小于其同相輸入端（+）的比較電壓VCO（）時，COMP1輸出高電位，置觸發(fā)器FF為低電平，即Q=0；當COMP2同相輸入端（+）的輸入信號大于其反相輸入端（-）的比較電壓VCO/2(1/3VDD)時，COMP2輸出高電位，置觸發(fā)器FF為高電平，即Q=1。是直接復位端，Q=0；MOS管V1是單穩(wěn)態(tài)等定時電路時，供定時電容C對地放電作用。注意：電壓VCO可以外部提供，故稱外加控制電壓，也可以使用內部分壓器產生的電壓，這時CO

8、MP2的比較電壓為VDD/3，不用時常接0.01F電容到地以防干擾。 (a) 555定時器內部電路 (b) 555簡化符號圖6 555定時器內部電路及其功能符號由555接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來完成門控電路的作用是控制計數器的啟停，并控制每次測量的時間，電路如圖7(a)所示。 (a) 電路 (b) 工作波形圖7 由555組成的門控電路 當接通電源的時候，+12V電源電壓通過R15對電容C4進行充電，2腳的電壓馬上變成12V（“1”電平），觸發(fā)器FF被置“0”， 即555的3腳輸出“0”電平（參見圖7(a)）。V6截止，V6的C極為高電位，所以計數器MC14553不計數，此時V5不亮。 當按下S1按鈕時

9、，2腳電壓為0V，低于1/3電源電壓。555內部CMP2輸出高電平（參見圖6(a)）,觸發(fā)器FF被置“1”，即3腳輸出“1”電平，V6飽和導通，V5發(fā)光，V6集電極輸出低電平，使計數器MC14553清零，開始計數。同時555內場效應管截止，12V電壓通過R17給C6充電，C6的電壓逐漸增高，如圖7(b)uC6波形。 當C6的電壓充到2/3電源電壓的時候，555內CMP1輸出高電平，觸發(fā)器置“0”，3腳輸出低電平，V6集電極輸出高電平，因此計數器MC14553的11腳變?yōu)楦唠娖?，計數器停止計數；同時555內場效應管導通，電容C6通過場效應管迅速放電到低電平，返回穩(wěn)定的狀態(tài)，定時結束。脈寬TW可根

10、據下式計算： 式1-1 3位計數電路由MC14553組成的3位計數電路對輸入的方波進行計數，并把計數結果以BCD碼的形式輸出。MC14553為十六引腳扁平封裝集成電路，其引腳功能如圖8（a）所示，有四個BCD碼輸出端Q1Q3，可分時輸出三組BCD碼；有三個分時同步控制信號DS1DS3，為計數器的輸出提供分時同步輸出控制信號，形成動態(tài)掃描工作方式，該控制端低電平有效。計數電路包含了計數和輸出驅動電路。 (a) MC14553 (b) CD4543圖8 集成電路引腳功能圖計數器MC14553真值表如下： 表2.1 MC14553真值表輸入輸出置零端（13腳）時鐘（12腳）使能（11腳）測試（10）

11、0上升沿00不變0下降沿00計數0X1X不變01上升沿0計數01下降沿0不變00XX不變0XX上升沿鎖存0XX1鎖存1XX0Q0123=0X=任意計數器MC14553的 DS1DS3輸出為方波，波形如圖8所示。當按下S1時（參見圖7(a）)，V5飽和導通，V5的C極為低電平，MC14553的11腳變?yōu)榈碗娖?，計數器開始對送到12腳的從整形電路過來的方波個數進行計數，最大計數為999，計數結果以BCD碼的形式從Q0Q3輸出。11腳不管是高電平還是低電平，DS1DS3始終是輸出圖9的方波。當DS3是低電平的時候，個位顯示器被選中，Q0Q3輸出個位要顯示的數值；當DS2是低電平的時候，十位顯示器被選

12、中，Q0Q3輸出十位要顯示的數值；當DS1是低電平的時候，百位顯示器被選中，Q0Q3輸出百位要顯示的數值。圖9 DS1DS3輸出波形圖 譯碼、驅動、顯示電路3位計數電路、譯碼、驅動、顯示電路如圖10所示，它的作用是把計數器輸出的計數結果顯示在3位數碼管上。譯碼器CD4543的引腳功能如圖8（b）所示。它有了四個輸入端：A、B、C、D，與計數器的輸出端相連；有七個數碼筆段輸出驅動端：ag。譯碼器CD4543可以驅動共陰、共陽兩種數碼管，使用時，只要將PH引腳接高電平，即可驅動共陽極的LED數碼管；將PH引腳接低電平，即可驅動共陰極的LED數碼管。顯示采取動態(tài)掃描的方法，即每一時刻只有一個數碼管被

13、點亮，但是交替的頻率非?？?，由于人眼的視覺殘留效應，人眼看到的就是靜止的數字顯示結果。計數器送來的數據，經過CD4543翻譯成7段字碼后，接到數碼管的7個筆畫端，點亮相應的筆畫段。數碼管采用共陽極的。CD4543的真值表如下： 表2.2 CD4543的真值表輸入輸出LD(1)BI(7)PH(6)D C B Aa b c d e f g顯示X11X X X X1 1 1 1 1 1 1黑屏1010 0 0 00 0 0 0 0 0 101010 0 0 11 0 0 1 1 1 111010 0 1 00 0 1 0 0 1 021010 0 1 10 0 0 0 1 1 031010 1 0

14、01 0 0 1 1 0 041010 1 0 10 1 0 0 1 0 051010 1 1 00 1 0 0 0 0 061010 1 1 10 0 0 1 1 1 171011 0 0 00 0 0 0 0 0 081011 0 0 10 0 0 0 1 0 091011 0 1 01 1 1 1 1 1 1黑屏1011 0 1 11 1 1 1 1 1 1黑屏1011 1 0 01 1 1 1 1 1 1黑屏1011 1 0 11 1 1 1 1 1 1黑屏1011 1 1 01 1 1 1 1 1 1黑屏1011 1 1 11 1 1 1 1 1 1黑屏圖10 3位計數、譯碼、驅動、

15、顯示電路 上圖中：IC6為MC14553；IC7為CD4543。圖11 整機原理3 紅外線心率計調試3.1 紅外線心率計的調試過程放大、整形、濾波電路的調試電路連接完畢后通電。測量IC2、IC3的7腳、4腳對直流地的電壓（即運放的供電電壓），應該為+12V 、-10V左右。測量IC4的7腳、4腳之間的電壓，應該為+12V左右。把食指放在傳感器（ON2152）的探頭上，適當調節(jié)壓力。V4應該會有節(jié)律的閃爍，閃爍的頻率跟心跳的頻率吻合。此時，用示波器測量IC2的6腳波形，應該是放大了R4/R3倍的波動信號。用示波器測量IC3的6腳波形，應該是比IC2的6腳波形放大了R8/R6倍的波形(因為放大倍數

16、很大，波形有削頂現象)。IC2、IC3的放大倍數可以根據自己的實際情況適當做一些調整。用示波器測量IC4的6腳波形，應該是一個規(guī)范的方波，是單極性的，如果沒有方波，或方波的占空比太小，可以適當改變R10、R11的阻值。把測得的三個波形畫入表4.3中。如果手上暫時沒有傳感器，則使用函數信號發(fā)生器產生幾hz、幾mv的正弦波，并把該波形加到C1的負極，同樣也可以按上述的方法進行調試。 門控電路的調試電路連接完畢后通電。此時，門控電路進入穩(wěn)態(tài)，用數字萬用表DC20V擋測量3、6、7腳與1腳之間的電壓都為0V，V6的C極與1腳之間的電壓為12V，V5不發(fā)光。按一下S1按鈕，門控電路輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉，進入

17、暫穩(wěn)態(tài)，555輸出端3腳輸出高電位，因此V6飽和導通，V6的C極輸出低電位，V5發(fā)光，用數字萬用表DC20V擋測量6、7腳與1腳之間的電壓，可以發(fā)現，電壓是慢慢上升的，當上升到8V左右的時候（時間是30秒），門控電路輸出狀態(tài)又發(fā)生翻轉，進入穩(wěn)態(tài)，此時555輸出端3腳輸出低電位。用數字萬用表DC20V擋測量3、6、7腳的與1腳之間的電壓，都是0V，V6的C極與1腳之間的電壓為12V，V5不發(fā)光。如果暫穩(wěn)態(tài)的時間不是30秒，則最后測量的心率不準確。需要調整R17或C6的參數來達到30秒的要求。具體計算公式：1.1× R17× C6=30。計數、譯碼、驅動、顯示電路的調試電路連接

18、完畢后通電。此時由于門控電路的控制作用，計數器MC14553的使能端（低電平有效）被置“1”，計數器不計數，輸出的BCD碼是0000即5、6、7、9腳的電壓大約是0V。用示波器雙蹤測量DS1、DS2之間、DS2與DS3之間波形，應能顯示圖（8）所示的波形，測試并把波形畫在4.5中（示波器量程：雙蹤，5V/DIV，1mS/DIV）。把食指放在傳感器的探頭處，適當調節(jié)壓力。當觀察到V4呈現有規(guī)律的亮-滅時，就可以進行測量了。按一下門控電路的S1，這時，V5發(fā)光，計數器的使能端被置“0”，計數器開始按整形電路送來的心跳脈沖計數。計數的結果以BCD碼的形式送到譯碼器進行譯碼。譯碼后的結果送到數碼管顯示計數的結果。過30秒鐘后，門控電路輸出高電平，計數器使能端被置“1”，計數器停止計數。數碼管顯示最后計數的結果，此數字乘2即是被測的心率。測量并記錄計數器停止計數后，集成電路MC14553及CD4543的引腳電壓并填入表4.6、表4.7。3.2 外線心率計調試記錄表表3.4 門控電路穩(wěn)態(tài)時IC4（555）及三極管V6的C極電壓測量項目U1U2U3U4U5U6U7U8UC測量值011.7410.437.847.840011.7410.27暫態(tài)時IC4（555）及三極管V6的C極電壓：測量項目U1U2U3U4U5U6U7U8UC測量值0117410.4311.7