電子課程設(shè)計(jì)---電子脈搏計(jì)

1、<p><b>　　電子課程設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　——電子脈搏計(jì)</b></p><p>　　學(xué)院：電子信息工程學(xué)院</p><p><b>　　專業(yè)、班級(jí)： </b></p><p><b>　　姓名: </b></p

2、><p><b>　　學(xué)號(hào)：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p><b>　　2012年12月</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 ------

3、-------------------------------------- 3 </p><p>　　二 總體框圖 ----------------------------------------------------- 3 </p>

4、;<p>　　三 元器件清單及說明 ----------------------------------------- 5 </p><p>　　四 各功能模塊及其原理 --------------------------------------- 12 &l

5、t;/p><p>　　五 總體設(shè)計(jì)電路圖 --------------------------------------------- 15 </p><p>　　六 工作總結(jié) ------------------------------------------------------ 17

6、 </p><p><b>　　電子脈搏計(jì)</b></p><p><b>　　一.設(shè)計(jì)任務(wù)要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)電子脈搏計(jì)，要求：</p>&l

7、t;p>　　1.實(shí)現(xiàn)在15秒內(nèi)測量1分的脈搏數(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/分。</p><p><b>　　二.總體框圖</b></p><p>　　1.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，

8、我取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為0-99。讓信號(hào)發(fā)生器模擬人體脈搏的產(chǎn)生。以每個(gè)上升沿代表一次脈搏。讓計(jì)數(shù)器記錄上升沿的個(gè)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(gè)數(shù)。但是這種方案由六位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換BCD碼電路復(fù)雜，故障率高，延時(shí)較長，且計(jì)數(shù)不能連續(xù)，所以舍棄這種方案。方案一總體框圖如圖2-1。</p><p>　　圖2-1　方案一整體框圖</p><p>　　2.方

9、案二：該方案采用脈搏傳感器，74LS160計(jì)數(shù)器，集成運(yùn)算放大器，555構(gòu)成的多諧振蕩器，異或門組成的四倍頻電路等電路。脈搏傳感器的作用是將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，放大電路多種多樣，本實(shí)驗(yàn)采用比較簡單廉價(jià)的集成運(yùn)算放大電路，由一個(gè)運(yùn)放和三個(gè)電阻就組成了放大電路。放大倍數(shù)可調(diào)，該方案放大倍數(shù)為11倍。倍頻電路對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻，如將15秒內(nèi)傳感器獲得的脈搏信號(hào)4倍頻，就能得到一分鐘的脈搏數(shù)，從而縮短測量時(shí)間。555定時(shí)器是為了在規(guī)

10、定的時(shí)間內(nèi)完成測量。該方案采用74LS160作為計(jì)數(shù)器，因?yàn)?4LS160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器無需改裝，直接使用。因?yàn)槊}搏測量中需要上百位的數(shù)字，因此，將3片74LS160直接按串聯(lián)方式進(jìn)行連接即得千進(jìn)制計(jì)數(shù)器。方案二整體框圖如圖2-2。</p><p>　　圖2-2 方案二整體框圖</p><p>　　三. 元器件清單及說明</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用數(shù)電中常見的

11、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。表1為本實(shí)驗(yàn)所使用的器件。</p><p>　　表1 實(shí)驗(yàn)所用器件</p><p>　　1.四2輸入與非門74LS00</p><p>　　74LS00是四2輸入與非門，其邏輯功能表如表2所示。</p><p>　　表2 74LS00邏輯功能表</p><p&

12、gt;　　74LS00內(nèi)部原理圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 74LS00內(nèi)部原理圖</p><p>　　74LS00邏輯符號(hào)如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 74LS00與非門邏輯符號(hào)</p><p>　　74LS00管腳圖如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 74L

13、00管腳圖</p><p>　　—— </p><p>　　74LS00的邏輯功能表達(dá)式： Y=A B</p><p>　　2.四2輸入與門74LS08</p><p>　　最簡單的與門可以用二極管和電阻組成。74LS08是四組二輸入端的與門。</p><p>　　74LS08邏輯框管腳圖如圖3-4。

14、</p><p>　　圖3-4 74LS08管腳圖</p><p>　　74LS08邏輯輯符號(hào)如圖3-5。</p><p>　　圖3-5 74LS08邏輯符號(hào)</p><p>　　74LS08邏輯功能表如表3所示。</p><p>　　表3 74LS08邏輯功能表</p><p>　　其邏

15、輯功能描述如下：</p><p>　　當(dāng)兩個(gè)輸入端A=0，B=0時(shí)，輸出端Y為低電平0，即Y=0；</p><p>　　當(dāng)兩個(gè)輸入端A=0，B=1時(shí)，輸出端Y為低電平0，即Y=0；</p><p>　　當(dāng)兩個(gè)輸入端A=1，B=0時(shí)，輸出端Y為低電平0，即Y=0；</p><p>　　當(dāng)兩個(gè)輸入端A=1，B=1時(shí)，輸出端Y為低電平1，即Y=1；

16、</p><p>　　即只要兩個(gè)輸入端A、B的輸入電平有一個(gè)是低電平0，輸出端Y即為低電平0； 只有A、B的輸入電平全為1，輸出端Y才為高電平1。</p><p>　　3.同步可預(yù)置數(shù)4位十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS160</p><p>　　74LS160管腳圖如圖3-6所示，邏輯符號(hào)圖如圖3-7所示。</p><p>

17、　　圖3-6 74LS160管腳圖 圖3-7 74LS160邏輯符號(hào)</p><p>　　74LS160為同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其邏輯功能表如表4。 </p><p>　　表4 74LS160邏輯功能表</p><p>　　由邏輯圖與功能表知，在CT74LS160中LD為預(yù)置數(shù)控制端，D0-D3為數(shù)據(jù)輸入端，C為進(jìn)位輸出端，RD為異步置零端，

18、Q0-Q3位數(shù)據(jù)輸出端，EP和ET為工作狀態(tài)控制端。</p><p>　　當(dāng)RD=0時(shí)所有觸發(fā)器將同時(shí)被置零，而且置零操作不受其他輸入端狀態(tài)的影響。當(dāng)RD=1、LD=0時(shí)，電路工作在預(yù)置數(shù)狀態(tài)。這時(shí)門G16-G19的輸出始終是1，所以FF0-FF1輸入端J、K的狀態(tài)由D0-D3的狀態(tài)決定。當(dāng)RD=LD=1而EP=0、ET=1時(shí)，由于這時(shí)門G16-G19的輸出均為0，亦即FF0-FF3均處在J=K=0的狀態(tài)，所以C

19、P信號(hào)到達(dá)時(shí)它們保持原來的狀態(tài)不變。同時(shí)C的狀態(tài)也得到保持。如果ET=0、則EP不論為何狀態(tài)，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)也保持不變，但這時(shí)進(jìn)位輸出C等于0。當(dāng)RD=LD=EP=ET=1時(shí)，電路工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)。從電路的0000狀態(tài)開始連續(xù)輸入10個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，電路將從1010的狀態(tài)返回0000的狀態(tài)，C端從高電平跳變至低電平。利用C端輸出的高電平或下降沿作為進(jìn)位輸出信號(hào)。</p><p>　　4.555定時(shí)器說明</p&g

20、t;<p>　　555 定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為 555。555 定時(shí)器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V~16V 工作。555 定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所需的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3。</p&

21、gt;<p>　　圖3-10是555定時(shí)器內(nèi)部組成框圖。它主要由兩個(gè)高精度電壓比較器A1、A2，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電三極管和三個(gè)5KΩ電阻的分壓器而構(gòu)成。</p><p>　　它的各個(gè)引腳功能如下：</p><p>　　1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。</p><p>　　8腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5 ~

22、 16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3 ~ 18V。一般用5V。</p><p><b>　　3腳：輸出端Vo</b></p><p><b>　　2腳：低觸發(fā)端</b></p><p><b>　　6腳：TH高觸發(fā)端</b></p><p>　　4腳：是直接清零端。當(dāng)端

23、接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。</p><p>　　5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。</p><p>　　7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。</p><p>　　5

24、55定時(shí)器邏輯框圖如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 555定時(shí)器邏輯框圖</p><p>　　555定時(shí)器邏輯符號(hào)如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 555定時(shí)器邏輯符號(hào)</p><p>　　555定時(shí)器內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)圖如下圖3-10。</p><p>　　圖3-10 555定時(shí)器內(nèi)部原理

25、圖</p><p>　　在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個(gè)比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為的情況下，555定時(shí)器電路的功能表如表5所示。</p><p><b>　　ˉ</b></p><p>　　表5 555定時(shí)器邏輯功能表</p><p>　　4.非門74LS04</p><p>　　所用芯片7

26、4LS04是一個(gè)有六個(gè)反相器的芯片，其管腳圖與邏輯框圖如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11 74LS04管腳圖與邏輯框圖 </p><p>　　仔細(xì)觀察一下三極管組成的開關(guān)電路即可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入為高電平時(shí)輸出等于低電平，而輸入為低電平時(shí)輸出等于高電平。因此輸出與輸入的電平之間是反向關(guān)系，它實(shí)際上就是一個(gè)非門。（亦稱反向器）。</p><p>

27、;　　在一些實(shí)用的反向器電路中，為了保證在輸入低電平時(shí)三極管可靠地截止，常在三極管的基極連接一個(gè)電阻R和一個(gè)負(fù)電源VEE。由于接入了電阻R2和負(fù)電源VEE,即使輸入的低電平信號(hào)稍大于零，也能使三極管的基極為負(fù)電位，從而使三極管能可靠地截止，輸出為高電平。</p><p>　　當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，應(yīng)保證三極管工作在深度飽和狀態(tài)，以使輸出電平接近于零。為此，電路參數(shù)的配合必須合適，保證提供給三極的基極電流大于深度飽

28、和的基極電流。 </p><p>　　74LS04邏輯功能表如表6所示。</p><p>　　表6 74LS04邏輯功能表</p><p><b>　　邏輯功能描述如下：</b></p><p>　　當(dāng)輸入端為低電平0時(shí)，輸出端為高電平1；</p><p>　　當(dāng)輸入端為低電平1時(shí)，輸出端為高電

29、平0；</p><p>　　即輸出端的電平與輸入端的電平總是相反的。</p><p>　　5. 除了主要元件之外，我們還用到了四輸入數(shù)碼管，電阻，電容等。如圖 3-12所示 </p><p>　　圖3-12 四輸入數(shù)碼管、電阻、電容的電路符號(hào)</p><p>　　對(duì)于四輸入數(shù)

30、碼管，其直值表7如下：</p><p>　　表7 數(shù)碼管輸出與輸入的關(guān)系真值表</p><p>　　四．各功能模塊及其原理</p><p><b>　　1. 傳感器</b></p><p>　　脈搏傳感器的作用是將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的點(diǎn)沖信號(hào)。脈搏傳感器是脈搏象檢測系統(tǒng)中重要的組成部分，其性能的好壞直接影響到后置電路

31、的處理和結(jié)構(gòu)的顯示。目前典型的脈搏傳感器有以下三種：光電類、壓阻類和壓電類。在這三種目前采用最多的是壓電類傳感器，其工作原理是利用敏感元件直接把壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。本次課程設(shè)計(jì)中是利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生模擬人體脈搏，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為400mV，正弦波，輸出端接入放大與整形電路模塊。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器及其功能設(shè)置板塊如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器及其功能設(shè)置板塊</p>&

32、lt;p>　　2. 放大與整形電路</p><p>　　放大電路多種多樣，本次試驗(yàn)采用比較簡單、廉價(jià)的運(yùn)放電路。由一個(gè)運(yùn)放器和三個(gè)電阻就組成了符合要求的放大電路。放大倍數(shù)可調(diào)，本次放大倍數(shù)大約為11倍。由于整形電路比較復(fù)雜，要較好的對(duì)不規(guī)則脈沖信號(hào)整形是有一定的難度，初次想到的就是使用電壓比較器進(jìn)行整形，但是在模擬軟件下不知道哪個(gè)是電壓比較器，就直接用了一個(gè)簡單的非門進(jìn)行簡單的整形。經(jīng)過試驗(yàn)，可以放大、整形

33、正弦電路。放大與整形電路如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 放大與整形電路 </p><p><b>　　3.倍頻電路</b></p><p>　　由于我們要在15秒內(nèi)測量1分鐘內(nèi)的脈搏數(shù)，所以我們要對(duì)脈搏數(shù)進(jìn)行調(diào)頻。60/15=4需要4倍頻電路。如將15秒內(nèi)傳感器所獲得的信號(hào)頻率放大4

34、倍，即可得到對(duì)應(yīng)的一分鐘的脈搏數(shù)，從而縮短測量時(shí)間。倍頻電路的形式很多，如鎖相倍頻器，與非門倍頻器等，由于鎖相倍頻器電路比較復(fù)雜，成本比較高，所以這里采用能滿足設(shè)計(jì)要求的由與非門組成的4倍頻電路。U1A和U2bA構(gòu)成二倍頻電路，U3A和U4A構(gòu)成二倍頻電路；兩個(gè)二倍頻電路串聯(lián)組成四倍頻電路。利用第一個(gè)與非門的延遲時(shí)間對(duì)第二個(gè)與非門產(chǎn)生作用，當(dāng)輸入有‘0’變成‘1’或由‘1’變成‘0’時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出。其中電容C是為了延時(shí)，經(jīng)過測試，

35、當(dāng)C1=10uF,C2=10uF，C3=510pF，C4=510pF,R1=10kΩ, R2=10kΩ，R3=10KΩ，R4=10KΩ的時(shí)候能達(dá)到4倍頻的要求。四倍頻電路圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 四倍頻電路圖</p><p><b>　　4.時(shí)間控制電路</b></p><p>　　定時(shí)器555組成多諧振蕩器，從電路

36、圖知，通過電阻R3和R4向電容C3充電，充電到Vc1=2/3Vcc時(shí)，比較器1輸出低電平，輸出端輸出低電平，放電管導(dǎo)通，電容通過電阻R4和放電管放電；放電到Vc1=1/3Vcc時(shí)，比較器2 輸出低電平，輸出端輸出高電平，放電管截止，電容開始充電，如此循環(huán)，產(chǎn)生震蕩。555定時(shí)器是為了實(shí)驗(yàn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，控制電路工作的基準(zhǔn)時(shí)間如下圖基準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路R3=3.0MΩ，R4=3.0MΩ，C3=7.5μF,C4=10μF。由定時(shí)器555組

37、成的多諧振蕩器電路圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 由定時(shí)器555組成的多諧振蕩器電路圖</p><p><b>　　5.計(jì)數(shù)譯碼顯示</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用簡單的74lLS160作為計(jì)數(shù)器，因?yàn)樗鞘M(jìn)制數(shù)器，無需改裝，直接使用，因?yàn)槊}搏計(jì)數(shù)器需要計(jì)數(shù)上百位數(shù)字，因此，將三片74LS160直接按串聯(lián)方式連

38、接即得千進(jìn)制計(jì)數(shù)器，三塊芯片LOAD CLR都為高電平以保持電路的工作，其中第二，三塊芯片ENT ENP都受前一個(gè)芯片的RCO控制，第一塊芯片ENT受555定時(shí)器的控制，當(dāng)555定時(shí)器輸出為低電平時(shí)，74LS160輸入端接收到的是高電平，開始計(jì)數(shù)；輸出為高電平時(shí)，74LS160接受到的為低電平，停止計(jì)數(shù)（計(jì)數(shù)結(jié)束），此時(shí)顯示的就是15秒內(nèi)的脈沖數(shù)了，數(shù)碼管于74LS160的連接方式如圖4-5所示。</p><p>

39、;　　圖4-5 計(jì)數(shù)譯碼電路</p><p><b>　　五.總體設(shè)計(jì)電路圖</b></p><p>　　1.總體電路圖如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1 總體電路圖</p><p><b>　　2.工作原理</b></p><p>　　打上電源開關(guān)，電源

40、各部分開始工作，首先是信號(hào)發(fā)生器發(fā)生的信號(hào)，經(jīng)過四倍頻電路，頻率變成原來的四倍：倍頻器的主要作用就是為了計(jì)數(shù)器能在15秒內(nèi)計(jì)算出1分鐘的脈搏數(shù)，脈沖數(shù)進(jìn)入數(shù)碼管計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)開始，來一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器就加1,15秒后定時(shí)器輸出端電平翻轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器停止工作，顯示出跳動(dòng)脈搏的次數(shù)。</p><p>　　3 .在模擬、數(shù)字試驗(yàn)箱上的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　各模塊的功能已經(jīng)在硬件試驗(yàn)箱上得到了實(shí)現(xiàn)，并且

41、正確。將各模塊連接起來，按下電源總開關(guān)后按以上說明的步驟操作，555定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，經(jīng)過15秒后計(jì)時(shí)完成，數(shù)碼管顯示1分鐘的脈搏數(shù)。但由于實(shí)驗(yàn)箱上的電阻和電容與仿真中的參數(shù)并不是完全相同，所以計(jì)時(shí)的時(shí)間與仿真時(shí)不同。整個(gè)硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為正確結(jié)果，并經(jīng)老師指導(dǎo)檢驗(yàn)后通過，實(shí)現(xiàn)其功能。</p><p><b>　　六.工作總結(jié)</b></p><p>　　書

42、上得來終覺淺，絕知此事要躬行。通過本次課程設(shè)計(jì)，讓我們真正使課堂學(xué)習(xí)與動(dòng)手實(shí)踐結(jié)合起來，提高了我們的自學(xué)能力、動(dòng)手能力和分析問題的能力。讓我們更深刻的理解各個(gè)器件的功能及其應(yīng)用。</p><p>　　在大量的實(shí)驗(yàn)中，我總結(jié)出一種簡單易行的設(shè)計(jì)方法，可以直接跳過列真值表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖以及邏輯公式。不僅可以節(jié)省時(shí)間，而且也使電路更加簡單實(shí)用。我相信在以后的電路設(shè)計(jì)中會(huì)帶來很大的幫助。</p><p&