數(shù)電課程設(shè)計--電子脈搏計

1、<p>　　評分: </p><p>　　數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計</p><p><b>　　電子脈搏計數(shù)器</b></p><p>　　學(xué) 校： </p><p>　　二級院系：計算機與電子信息學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級：

2、 </p><p>　　小組成員： </p><p>　　指導(dǎo)老師 </p><p>　　方案制作于2011-6-8</p><p>　　題目：數(shù)字電子脈搏計</p><p><b>　　設(shè)計任務(wù)要求</b></p><p>

3、;　　設(shè)計一個電子脈搏計，要求：</p><p>　　1.實現(xiàn)在15秒內(nèi)測量1 min的脈搏數(shù)；</p><p>　　2.用數(shù)碼管將測得的脈搏數(shù)用數(shù)字的形式顯示；</p><p>　　3.測量誤差小于4次/min。</p><p><b>　　總體框圖</b></p><p><b>　

4、　1．</b></p><p>　　圖２－1　方案一整體框圖</p><p>　　方案一：人體的正常脈搏為每分鐘50-100次/秒。為了簡化電路以及節(jié)省元件，我取計數(shù)器的計數(shù)范圍為0-99。讓信號發(fā)生器模擬人體脈搏的產(chǎn)生。以每個上升沿代表一次脈搏。讓計數(shù)器記錄上升沿的個數(shù)，然后左移兩位，表示所記數(shù)字乘以四。這樣我們就可以15秒鐘測量一分鐘的個數(shù)。但是這種方案由六位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換B

5、CD碼電路復(fù)雜，故障率高，延時較長，且計數(shù)不能連續(xù)，所以舍棄這種方案。</p><p>　　圖２－２　方案二整體框圖</p><p>　　方案二：在計數(shù)器與脈搏產(chǎn)生器之間串聯(lián)一個四倍頻電路。這樣我們在15秒內(nèi)采集的脈沖個數(shù)就可以等效為一分鐘的個數(shù)，另外再加一個計時控制電路，當(dāng)計時為15秒時，讓計數(shù)器停止計數(shù)，此時讀出的數(shù)據(jù)就是一分鐘的脈搏數(shù)。如需重新記數(shù)，只要清零即可。此種方法能夠連續(xù)計數(shù)

6、，且計數(shù)電路結(jié)構(gòu)簡單。故選用第二種方案。</p><p><b>　　2．框圖介紹：</b></p><p>　　以下幾個模塊是構(gòu)成電子脈搏計的主要功能模塊，為使人們更了解該方案的原理，現(xiàn)將各個模塊介紹如下。</p><p>　　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

7、倍頻電路。</p><p>　　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)。</p><p>　　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。</p><p>　　4.計時電路接收時鐘信號并計時，當(dāng)計時到15s的

8、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。</p><p>　　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)。</p><p>　　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。</p><p><b>

9、;　　元器件清單</b></p><p>　　本實驗采用數(shù)電中常見的器件，這樣我們就可以熟練地使用而且可以降低該電路的故障率。以下為本實驗所使用的器件。</p><p>　　異或門74LS86一片，計數(shù)器74LS160兩片，16進(jìn)制計數(shù)器74LS163一片，JK觸發(fā)器74LS73一片，LM555一片，與門74LS08，非門74LS04，數(shù)碼管三個，發(fā)光二極管五只，二極管一只。電

10、阻電容若干。其中：</p><p>　?。保惢蜷T：當(dāng)兩個輸入一致時，輸出為0，輸入相異時，輸出為1。通過查芯片資料得，以74LS86為代表的74LS系列的額定電壓為5V，最大5.25V。最小輸入高電平電壓2V，最大低電平輸入電壓0.8V。高電平最小輸出電壓2.7V，低電平最大輸出電壓0.5V。電源電流最大10mA。為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平。符合我們的設(shè)計要求。異或門的原理圖與真值表如圖３－１所示</p>

11、<p>　　圖3－１　異或門的邏輯符號與真值表</p><p>　?。玻?-2輸入與門及其真值表如圖３－２所示，A、B為與門的輸入端，Y為與門的輸出端。當(dāng)輸入全1時，輸出為1。當(dāng)輸入有0時，輸出為0。與門的這一功能決定它可以作為自動控制的開關(guān)使用。當(dāng)A端接信號，B端接控制端，B=1時，Y=A；B=0時，Y=0。</p><p>　　圖３－２　與門的邏輯符號與真值表</p

12、><p>　?。常?4LS160與74LS163有相同的邏輯結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖３－３所示，管腳圖如圖３－４所示：</p><p>　　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，QA～QD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

13、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。時序圖如圖3-4所示。</p><p>　　圖３－３　74LS160內(nèi)部電路圖</p><p>　　圖3-4　74LS160、74LS163邏輯圖</p><p>　　圖3-5 ７４ＬＳ１６０邏輯圖時序圖</p><p&

14、gt;　　４．所用JK觸發(fā)器74LS73帶有異步清零端。當(dāng)JK同時接1時，每來一個上升沿，1Q就翻轉(zhuǎn)一次。如果1CLR為低電平，無論有無上升沿，1Q輸出為0。邏輯結(jié)構(gòu)為圖３－5所示。</p><p>　　圖３－6?。剩擞|發(fā)器的邏輯圖</p><p>　?。担?55電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，定時器555是一種多功能集成電路，只要在外部接上幾個電阻和電容，就可以組成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)電路

15、和多諧振蕩器。由內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖可知它由比較器1、比較器2、與非門G1與G2的SR鎖存器和放電三極管TD組成。內(nèi)含一個由三個阻值相同的電阻R組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生1/3VCC和2/3 VCC兩個基準(zhǔn)電壓。在復(fù)位端加低電平信號，鎖存復(fù)位可以使輸出為低電平。正常工作時復(fù)位端加高電平。</p><p>　　TH：高電平觸發(fā)端簡稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，標(biāo)志為TH。</p><p>　　TR：低電平觸發(fā)端

16、，簡稱低觸發(fā)端，標(biāo)志為TR。</p><p>　　VCO：控制電壓端。VO：輸出端。</p><p>　　Dis：放電端。REST ：復(fù)位端。</p><p>　　本實驗由555組成多諧振蕩器。</p><p>　　圖３－６?。担担祪?nèi)部原理圖和邏輯圖</p><p>　　表１　555功能真值表</p>&

17、lt;p>　　6.非門74LS04為一個反向器，其原理圖與真值表如圖3-7所示。A=0時，Y=1。A=1時，Y=0。</p><p>　　圖3-7非門邏輯符號</p><p>　　7.除了主要元件外，我們還用到了四輸入數(shù)碼管、發(fā)光二極管、電阻、電容等。其邏輯圖如圖所示：</p><p>　　圖3-8數(shù)碼管、電阻、電容、發(fā)光二極管邏輯圖</p>&

18、lt;p>　　對于數(shù)碼管，其直值表如下：</p><p>　　表二：數(shù)碼管輸出與輸入的關(guān)系真值表</p><p>　　各功能模塊及其原理：</p><p><b>　　電路原理總述：</b></p><p>　　電路原理如圖２－2所示，因為拾取脈搏需要傳感器，信號放大器，波形整形電路，為了方便起見，我以頻率可調(diào)的矩

19、形波模擬脈搏。經(jīng)過四倍頻，產(chǎn)生需要計數(shù)的脈沖。另一路，由NE555產(chǎn)生周期為1秒的矩形波，并輸給計時電路，做為時間基準(zhǔn)，控制脈搏脈沖的通與斷。再由脈搏計數(shù)器對脈搏進(jìn)行計數(shù)。通過數(shù)碼管顯示出來。如需重新測量，只需讓各電路清零即可。此外，各個模塊用同一個電源供電。</p><p><b>　?。保谋额l電路：</b></p><p>　　原理圖如圖４－１所示，其工作原理為

20、：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４－2所示。輸入脈搏信號用250HZ的矩形

21、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=0.7×7K×0.4uF=1.96ms。</p><p>　　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：</p><p>　　TW2=0.7RC=0.7×1K×0.1uF=0.0

22、7ms</p><p>　　圖４－１　四倍頻電路</p><p>　　圖４－２　倍頻電路輸出輸入波形比較</p><p><b>　?。病⒚}搏計數(shù)電路</b></p><p>　　脈搏計數(shù)電路主要用到十進(jìn)制計數(shù)器74LS160，該元件功能已在元件清單里詳細(xì)介紹過，在此不再多說。在兩個芯片級聯(lián)時，分同步級聯(lián)與異步級聯(lián)。同步

23、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)位信號來時工作，其余時間不工作，而異步級聯(lián)十位數(shù)據(jù)顯示端一直工作，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,故我采用同步級聯(lián)的方法。</p><p>　　將個位數(shù)據(jù)計數(shù)器的進(jìn)位端與十位數(shù)據(jù)的使能端聯(lián)接起來，把兩個芯片的LOAD與CLR都接高電平，兩個CLK端連起來接模擬的脈搏信號輸出端XFG1。這樣就組成一個100進(jìn)制的

24、計數(shù)器。XFG1每來一個上升沿，數(shù)碼管顯示的數(shù)字就會加1。</p><p>　　其電路聯(lián)接如圖4-3所示：</p><p>　　圖４－３　 脈搏計數(shù)電路</p><p>　?。?、時鐘信號產(chǎn)生電路</p><p>　　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。時鐘電路的原理圖如圖4-4所示：</

25、p><p>　　圖４－４　555時鐘信號產(chǎn)生電路原理圖</p><p>　　該電路是用LM555CM做的一個多諧振蕩器。為了得到占空比為50%的矩形波，在R2上并聯(lián)一個二極管，當(dāng)電容充電時，充電回路是VCC-R1-D1-C2-GND，電容放電時，放電回路是C2-R2-DIS-GND。振蕩周期由R1，R2，C2共同決定。其輸出波形如圖4-5所示。</p><p><

26、b>　　產(chǎn)生波形的周期</b></p><p>　?。ɡ硐霠顟B(tài)下）T=0.7（R1+R2）C</p><p>　　=0.7×（72+72）×0.01</p><p><b>　　=1.008ms</b></p><p>　　F=1/T=1KHZ</p><p>

27、;　　圖４－５　波形產(chǎn)生電路的輸出波形（T=0.1ms）</p><p>　　因為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。計算過程如上所示。</p><p><b>　?。?、計時控制電路：</b></p><p>　　計時控制電路如圖４－６所示，74LS163是一個十六進(jìn)制的計數(shù)器。ENT、

28、ENP和A接高電平，使芯片工作，B、C、D接低電平，即當(dāng)LOAD為低電平時，74LS163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，CLR=0芯片清零。R5為下拉電阻，R3=10K。（開關(guān)打開清零）</p><p>　　RCO為進(jìn)位信號端，當(dāng)計數(shù)到15時，QA～QD輸出高電平，下一個脈沖來時，QA～QD輸出為0、0、0、0。RCO來一個上升沿。使該上升沿經(jīng)過

29、一個非門引到LOAD端，即進(jìn)位時給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。這樣組成一個15進(jìn)制計數(shù)器。RCO端輸出為一個15分頻波形。四個發(fā)光二極管指示計數(shù)器所記數(shù)值。R6、R7、R8、R9為四個限流電阻。根據(jù)經(jīng)驗值取300歐姆。</p><p>　　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)</p><p>　　器的JK接1，則每來一個

30、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4-7所示。即控制計數(shù)器工作15秒，然后停15秒。LED5為控制狀態(tài)指示燈。LED5亮表示計數(shù)器不工作。LED5不亮則脈搏計工作。也就是說LED5是一個報警器，我們也可以用一個蜂鳴器代替。</p><p>　　圖４－６　計時控制電路原理圖</p><p><b>　　總體設(shè)計電路圖</b

31、></p><p>　　1. 總體框圖如圖5-1所示，一路由555產(chǎn)生電鐘信號，從3端口輸出進(jìn)入74LS163的CLK端，讓163開始計數(shù)。163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、下拉電阻和地組成。74LS163的CLR、74LS160的CLR和74LS73的CLR端連在一起并接下拉電阻旁。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

32、低電平，系統(tǒng)清零。</p><p>　　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。</p><p>　?。? 操作方法：開機后先使開關(guān)斷開再閉合，讓系統(tǒng)清零。此時74LS73的1Q端輸出為