电子课程设计 电子脉搏计.doc

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1、 电子课程设计 电子脉搏计 学院：电子信息工程学院 专业、班级：电气 姓名: 学号： 指导教师： 2012年12月 目录 一 设计任务与要求 - 3 二 总体框图 - 3 三 元器件清单及说明 - 5 四 各功能模块及其原理 - 12 五 总体设计电路图 - 15 六 工作总结 - 17 电子脉搏计一.设计任务要求设计一个电子脉搏计，要求：1.实现在15秒内测量1分的脉搏数。2.用数码管将测得的脉搏数用数字的形式显示。3.测量误差小于4次/分。二.总体框图 1.方案一：人体的正常脉搏为每分钟50-100次/秒。为了简化电路以及节省元件， 我取计数器的计数范围为0-99。让信号发生器模拟人体脉搏

2、的产生。以每个上升沿代表一次脉搏。让计数器记录上升沿的个数，然后左移两位，表示所记数字乘以四。这样我们就可以15秒钟测量一分钟的个数。但是这种方案由六位二进制码转换BCD码电路复杂，故障率高，延时较长，且计数不能连续，所以舍弃这种方案。方案一总体框图如图2-1。时钟产生电路计时电路控制电路脉搏计数电路与门电源电路使能信号锁存电路脉搏模拟电路数码管显示电路清零电路左移两位BCD码转换 图2-1方案一整体框图2.方案二：该方案采用脉搏传感器，74LS160计数器，集成运算放大器，555构成的多谐振荡器，异或门组成的四倍频电路等电路。脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为相应的电脉冲信号，放大电路多种多

3、样，本实验采用比较简单廉价的集成运算放大电路，由一个运放和三个电阻就组成了放大电路。放大倍数可调，该方案放大倍数为11倍。倍频电路对脉搏信号进行调频，如将15秒内传感器获得的脉搏信号4倍频，就能得到一分钟的脉搏数，从而缩短测量时间。555定时器是为了在规定的时间内完成测量。该方案采用74LS160作为计数器，因为74LS160是十进制计数器无需改装，直接使用。因为脉搏测量中需要上百位的数字，因此，将3片74LS160直接按串联方式进行连接即得千进制计数器。方案二整体框图如图2-2。四倍频器放大整形电路信号发生555定时器解码显示 图2-2 方案二整体框图 三. 元器件清单及说明本实验采用数电中

4、常见的器件，这样我们就可以熟练地使用而且可以降低该电路的故障率。表1为本实验所使用的器件。 表1 实验所用器件 器件名称 芯片名称 数量 与非门 74LS00 4个 非门 74LS04 1个 与门 74LS08 1个 十进制计数器 74LS160 3个 运算放大器 1个 555定时器 1个 数码管 3个 函数信号发生器 1个 开关 1个 电阻 若干 电容 若干1.四2输入与非门74LS00 74LS00是四2输入与非门，其逻辑功能表如表2所示。表2 74LS00逻辑功能表ABY001011101110 74LS00内部原理图如图3-1所示。图3-1 74LS00内部原理图74LS00逻辑符号如

5、图3-2所示。 图3-2 74LS00与非门逻辑符号74LS00管脚图如图3-3所示。图3-3 74L00管脚图 74LS00的逻辑功能表达式： Y=A B2.四2输入与门74LS08 最简单的与门可以用二极管和电阻组成。74LS08是四组二输入端的与门。74LS08逻辑框管脚图如图3-4。 图3-4 74LS08管脚图74LS08逻辑辑符号如图3-5。 图3-5 74LS08逻辑符号74LS08逻辑功能表如表3所示。 表3 74LS08逻辑功能表1A1B1Y2A2B2Y3A3B3Y4A4B4Y000000000000010010010010100100100100111111111111 其

6、逻辑功能描述如下：当两个输入端A=0，B=0时，输出端Y为低电平0，即Y=0；当两个输入端A=0，B=1时，输出端Y为低电平0，即Y=0；当两个输入端A=1，B=0时，输出端Y为低电平0，即Y=0；当两个输入端A=1，B=1时，输出端Y为低电平1，即Y=1；即只要两个输入端A、B的输入电平有一个是低电平0，输出端Y即为低电平0； 只有A、B的输入电平全为1，输出端Y才为高电平1。3.同步可预置数4位十进制加法计数器74LS160 74LS160管脚图如图3-6所示，逻辑符号图如图3-7所示。 图3-6 74LS160管脚图 图3-7 74LS160逻辑符号74LS160为同步十进制计数器，其逻

7、辑功能表如表4。 表4 74LS160逻辑功能表CPEP ET工作状态0 置 零脉冲10 预置数110 1保 持11 0保持（RCO=0）脉冲111 1计 数由逻辑图与功能表知，在CT74LS160中LD为预置数控制端，D0-D3为数据输入端，C为进位输出端，RD为异步置零端，Q0-Q3位数据输出端，EP和ET为工作状态控制端。当RD=0时所有触发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态的影响。当RD=1、LD=0时，电路工作在预置数状态。这时门G16-G19的输出始终是1，所以FF0-FF1输入端J、K的状态由D0-D3的状态决定。当RD=LD=1而EP=0、ET=1时，由于这时门G1

8、6-G19的输出均为0，亦即FF0-FF3均处在J=K=0的状态，所以CP信号到达时它们保持原来的状态不变。同时C的状态也得到保持。如果ET=0、则EP不论为何状态，计数器的状态也保持不变，但这时进位输出C等于0。当RD=LD=EP=ET=1时，电路工作在计数状态。从电路的0000状态开始连续输入10个计数脉冲时，电路将从1010的状态返回0000的状态，C端从高电平跳变至低电平。利用C端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。4.555定时器说明 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V

9、工作。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现本设计所需的单稳态触发器。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。图3-10是555定时器内部组成框图。它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5K电阻的分压器而构成。它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。3脚：输出端Vo2脚：低

10、触发端6脚：TH高触发端4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。555定时器逻辑框图如图3-8所示。 图3-8 555定时器逻辑框图555定时器逻辑符号如图3-9所示。 图3-9 555定时器逻辑符号555定时器内部原理结构图如下图3-10。图3-10 555定时器内部原理图 在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A

11、1、A2基准电压分别为的情况下，555定时器电路的功能表如表5所示。 表5 555定时器逻辑功能表清零端高触发端TH低触发端Qn+1放电管T功能00导通直接清零10导通置011截止置11Qn不变保持4.非门74LS04所用芯片74LS04是一个有六个反相器的芯片，其管脚图与逻辑框图如图3-11所示。 图3-11 74LS04管脚图与逻辑框图 仔细观察一下三极管组成的开关电路即可发现，当输入为高电平时输出等于低电平，而输入为低电平时输出等于高电平。因此输出与输入的电平之间是反向关系，它实际上就是一个非门。（亦称反向器）。在一些实用的反向器电路中，为了保证在输入低电平时三极管可靠地截止，常在三极管

12、的基极连接一个电阻R和一个负电源VEE。由于接入了电阻R2和负电源VEE,即使输入的低电平信号稍大于零，也能使三极管的基极为负电位，从而使三极管能可靠地截止，输出为高电平。当输入信号为高电平时，应保证三极管工作在深度饱和状态，以使输出电平接近于零。为此，电路参数的配合必须合适，保证提供给三极的基极电流大于深度饱和的基极电流。 74LS04逻辑功能表如表6所示。 表6 74LS04逻辑功能表1A 1Y2A2Y3A3Y4A4Y5A5Y6A6Y010101010101101010101010 逻辑功能描述如下：当输入端为低电平0时，输出端为高电平1；当输入端为低电平1时，输出端为高电平0；即输出端的

13、电平与输入端的电平总是相反的。5. 除了主要元件之外，我们还用到了四输入数码管，电阻，电容等。如图 3-12所示 图3-12 四输入数码管、电阻、电容的电路符号对于四输入数码管，其直值表7如下： 表7 数码管输出与输入的关系真值表4321OUT4321OUT00000010150001101106001020111700113100080100410019四各功能模块及其原理1. 传感器脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为相应的点冲信号。脉搏传感器是脉搏象检测系统中重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结构的显示。目前典型的脉搏传感器有以下三种：光电类、压阻类和压电类。在这三种目

14、前采用最多的是压电类传感器，其工作原理是利用敏感元件直接把压力转变为电信号。本次课程设计中是利用函数信号发生模拟人体脉搏，函数信号发生器设置为400mV，正弦波，输出端接入放大与整形电路模块。函数信号发生器及其功能设置板块如图4-1所示。 图4-1 函数信号发生器及其功能设置板块2. 放大与整形电路放大电路多种多样，本次试验采用比较简单、廉价的运放电路。由一个运放器和三个电阻就组成了符合要求的放大电路。放大倍数可调，本次放大倍数大约为11倍。由于整形电路比较复杂，要较好的对不规则脉冲信号整形是有一定的难度，初次想到的就是使用电压比较器进行整形，但是在模拟软件下不知道哪个是电压比较器，就直接用了

15、一个简单的非门进行简单的整形。经过试验，可以放大、整形正弦电路。放大与整形电路如图4-2所示。 图4-2 放大与整形电路 3.倍频电路由于我们要在15秒内测量1分钟内的脉搏数，所以我们要对脉搏数进行调频。60/15=4需要4倍频电路。如将15秒内传感器所获得的信号频率放大4倍，即可得到对应的一分钟的脉搏数，从而缩短测量时间。倍频电路的形式很多，如锁相倍频器，与非门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用能满足设计要求的由与非门组成的4倍频电路。U1A和U2bA构成二倍频电路，U3A和U4A构成二倍频电路；两个二倍频电路串联组成四倍频电路。利用第一个与非门的延迟时间对第二个

16、与非门产生作用，当输入有0变成1或由1变成0时，都会产生脉冲输出。其中电容C是为了延时，经过测试，当C1=10uF,C2=10uF，C3=510pF，C4=510pF,R1=10k, R2=10k，R3=10K，R4=10K的时候能达到4倍频的要求。四倍频电路图如图4-3所示。 图4-3 四倍频电路图4.时间控制电路 定时器555组成多谐振荡器，从电路图知，通过电阻R3和R4向电容C3充电，充电到Vc1=2/3Vcc时，比较器1输出低电平，输出端输出低电平，放电管导通，电容通过电阻R4和放电管放电；放电到Vc1=1/3Vcc时，比较器2 输出低电平，输出端输出高电平，放电管截止，电容开始充电，

17、如此循环，产生震荡。555定时器是为了实验在规定时间内完成任务，控制电路工作的基准时间如下图基准时间产生电路R3=3.0M，R4=3.0M，C3=7.5F,C4=10F。由定时器555组成的多谐振荡器电路图如图4-4所示。 图4-4 由定时器555组成的多谐振荡器电路图5.计数译码显示 本设计中采用简单的74lLS160作为计数器，因为他是十进制数器，无需改装，直接使用，因为脉搏计数器需要计数上百位数字，因此，将三片74LS160直接按串联方式连接即得千进制计数器，三块芯片LOAD CLR都为高电平以保持电路的工作，其中第二，三块芯片ENT ENP都受前一个芯片的RCO控制，第一块芯片ENT受

18、555定时器的控制，当555定时器输出为低电平时，74LS160输入端接收到的是高电平，开始计数；输出为高电平时，74LS160接受到的为低电平，停止计数（计数结束），此时显示的就是15秒内的脉冲数了，数码管于74LS160的连接方式如图4-5所示。 图4-5 计数译码电路五.总体设计电路图1.总体电路图如图5-1所示。图5-1 总体电路图2.工作原理 打上电源开关，电源各部分开始工作，首先是信号发生器发生的信号，经过四倍频电路，频率变成原来的四倍：倍频器的主要作用就是为了计数器能在15秒内计算出1分钟的脉搏数，脉冲数进入数码管计数器，计数开始，来一个脉冲计数器就加1,15秒后定时器输出端电平

19、翻转，计数器停止工作，显示出跳动脉搏的次数。3 .在模拟、数字试验箱上的实现 各模块的功能已经在硬件试验箱上得到了实现，并且正确。将各模块连接起来，按下电源总开关后按以上说明的步骤操作，555定时器开始计时，计数器开始计数，经过15秒后计时完成，数码管显示1分钟的脉搏数。但由于实验箱上的电阻和电容与仿真中的参数并不是完全相同，所以计时的时间与仿真时不同。整个硬件实验验证为正确结果，并经老师指导检验后通过，实现其功能。六.工作总结 书上得来终觉浅，绝知此事要躬行。通过本次课程设计，让我们真正使课堂学习与动手实践结合起来，提高了我们的自学能力、动手能力和分析问题的能力。让我们更深刻的理解各个器件的功能及其应用。 在大量的实验中，我总结出一种简单易行的设计方法，可以直接跳过列真值表、状态转换图以及逻辑公式。不仅可以节省时间，而且也使电路更加简单实用。我相信在以后的电路设计中会带来很大的帮助。 此外，课程设计还使我们学到了诸如信息检索，文档阅读，以及各种软件的应用等知识，培养了我们考虑事情要全面，做事认真，在遇到困难时不急不躁，冷静分析问题的习惯。