数电课设报告电子脉搏计设计说明

数字电子技术课程设计报告题目:电子脉搏计设计

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目录

第一章设计设计任务及要求 (1)

第二章方案设计与论证 (1)

2.1方案一 (1)

2.2方案二 (2)

2.3总结方案 (2)

2.4设计原理及方框图 (3)

第三章各单元电路电路设计与分析 (3)

3.1四倍频电路 (3)

3.2脉搏计数电路 (4)

3.3计时控制电路 (5)

3.4时钟信号产生电路 (6)

3.5译码显示电路 (7)

第四章总体电路原理图及元件清单 (7)

第五章电路仿真及仿真结果分析 (9)

第六章作品照片图 (10)

第七章心得体会 (11)

第八章参考文献 (12)

第九章附页 (13)

电子脉搏计

一、设计设计任务及要求

用中小规模集成块模拟世贤电子脉搏计逻辑控制电路的具体要求如下：

（1）实现在15s内测量1min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）正常人的脉搏数为60~80次/min,婴儿的为90~100次/min，老人为100~150次/min,可通过与上述正常脉搏数比较，给出测脉搏人的脉搏数高出或低出正常范围的数值。

二、方案设计与论证

方案一

1.传感器将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。

2.放大整形电路把传感器的微弱电流放大，微弱电压放大。

3.四倍频器将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将15s内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。

4.控制电路用555定时器以保证在基准时间控制下，使4倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。

5.计数、译码、显示电路用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出。

6.电源电路按电路要求提供符合要求的直流电源。上述测量过程中，由于对脉冲进行了4倍频，计数时间也相应地缩短了4倍(15s)，而数码管显示的数字却是lmin的脉搏跳动次数。用这种方案测量的误差为±4次／min，测量时间越短，误差也就越大。

方案二

与方案一相比，信号发生与采集、定时电路、计数译码显示电路不变。其他有所改变。

2）放大电路用普通运放进行发大，为达到高输入阻抗的要求，采用同相比例放大。

3）低通滤波在运放的反馈电阻上并联一个电容，达到滤波的效果。

4）整形电路通过运放组成的单限比较器进行脉冲整形。

方案二的放大电路除了在阻抗匹配方面略显弱势之外，使用更为普遍。为了探索非门再放大方面的应用，选择了方案一。

总结方案：

综合上述方案，具体方案模块介绍如下：

1.脉搏模拟电路主要是产生一定频率的脉冲信号，来模拟人体的脉搏经过传感器和波形整形后的输出信号。该信号直接送给脉搏四倍频电路。

2.四倍频电路的作用是将脉搏模拟信号的频率增加四倍，即让计数器记录的数据为实际值的四倍。让我们在15s内就可以读出1分钟的脉搏数。

3.时钟产生电路由555构成，主要是为整个电路提供一个基准时钟，让被测者能够对比时间与脉冲个数，来判断脉搏的快慢。

4.计时电路接收时钟信号并计时，当计时到15s的时候，给JK触发器一个有效脉冲，让JK触发器通过与门控制脉搏信号与计数电路的通与断。

5.清零信号主要是为下一次计数做准备。当需要再一次测量时，只需按下清零信号键，使数据归零。就可以重新计数。

6.电源主要是为各个模块提供电能，使其正常工作，本设计采用5V直流供电，电源直接从数电实验箱上获得。

设计原理及方框图

脉搏计是用来测量心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分，它的基本功能应该是：

（1）用传感器将脉搏的跳动转换为电压信号，并加以放大整形和滤波。

（2）在短时间内（15s）内测出每分钟的脉搏数。

简单脉搏计的框架如图7.11.所示。

脉搏模拟电路脉搏四倍频

电路

与门

脉搏计数

电路

时钟信号产生电路

电源电

路

使能信号锁

存电路

控制电

路

计时电路清零电

路

数码管显示

电路

图7.11.1 简单脉搏计的功能框图

这里可用连续的时钟信号来模拟脉搏，以一个时钟信号模拟一次脉搏的输入，通过四倍频电路，可以实现15s内检测出1min的脉搏数。

三、各单元电路设计与分析

1.四倍频电路

在此电路中，输入脉冲由A点输入，由时钟CLK上升沿打入D触发器1，D触发器

1输出信号B，B信号在下一个时钟的上升被打入下一级D触发器2，D触发器2输出信号C，再将B、C信号异或，即可得到脉冲宽度为一个时钟周期的倍频信号。四倍频电路

的逻辑电路图如图7.11。2所示。

其工作原理为：当a点为低电平稳定时，b点为0。a=b,c=0。当a由低变高时，第一个异或输出为高。给电容充电，b点电压逐渐升高，当电压达到异或门的阈值电压2V 时，c点为低。高电平时间由R1，C1的值共同确定。当a点由高到低时，b点电压不变，且电容开始放电，此时，a=!b, c点电位为高，直到电容放电致电压小于2V，c点跳变为低。整个过程组成一个二倍频电路，两个二倍频电路构成一个四倍频电路。输入与输出波形如图3－2所示。输入脉搏信号用250HZ的矩形波，T=4ms。前级二倍频电路的高电平应为2ms。

经计算得：TW=0.7RC=0.7×6K×0.47uF=1.974ms。

为使上升沿分布均匀，二级倍频电路的高电平应小于1/2TW。且如果电容过大，则波形可能出现丢步现象。故我们只需要分布均匀的上升沿即可。所以：

TW2=0.7RC=0.7×0.23K×0.47uF=0.075ms

图7.11.2四倍频逻辑电路图

2.脉搏计数电路

脉搏计数电路主要用到两个十进制计数器74LS160，该元件功能为： ENT、ENP为芯片的使能端，当ENT、ENP接高电平时芯片处于工作状态，接低电平时处于休眠状态。我们将这两端接高电平，使它一直工作。CLR为清零端，CLR=0，QA～QD输出为0，CLR=1，芯片正常工作。LOAD为同步置数端，低电平有效，当LOAD为低，且有下降

沿来时，A、B、C、D四个数就并行置入，从QA、QB、QC、QD输出。RCO为进位端。即由9变为0时，该端出现一个高电平。

脉搏计数电路主要用到计数器74LS161.在两个芯片级联时，分同步级联与异步级联。同步级联的方法不仅电路简单，而且功耗较低，因为十位数据显示端只在进位信号来的时候工作，其余时间不工作，而异步级联十位数据显示一直工作，经电流表测量，同步级联电流为0.888uA，异步级联电流为0.972uA，故采用同步级联的方法。

将个位数据计数器的进位端与十位数据的使能端连接起来，把两个芯片的LOAD与CLR都接高电平，两个CLK端连接起来模拟的脉冲信号输出端XFG1每来一个上升沿，

数码管显示的数字就会加1。其电路连接如图7.11.3所示。

图7.11.3 脉搏计数电路图

3.计时控制电路

计时控制电路如图7.11.4所示，74LS161是一个十六进制的计数器。ENT、ENP 和A接高电平，使芯片工作，A、B、C、D接低电平，即当LOAD为低电平时，74LS161置1。芯片的CLR接R3与开关，组成清零电路。当开关闭合时，CLR=1，芯片正常计数。当开关打开时，CL,R=0芯片清零。

RCO为进位信号短，当计数到15时，QA~QD输出高电平，下一个时钟来时，QA~QD输出为0、0、0、0.RCO来一个上升沿经过一个非门引到LOAD端，即进位时钟给LOAD一个低电平，使其置数。这样计数器从1计到15然后返回1.这样组成了一个十五进制计数器。RCO端输出为一个十五分频波形。4个发光二极管指示计数器所记数值。即1Q输出15s的高点平，然后输出15s的低电平。即控制计数器工作15s，然后停15s。

进位信号端RCO每15秒产生一个上升沿，该上升沿给JK触发器，JK触发器的JK接1，则每来一个上升沿，1Q和～1Q翻转一次。即1Q输出15s的高电平，然后输出15秒的低电平，时序如图3-7所示。即控制计数器工作15秒，然后停15秒。LED

为控制状态指示灯。LED亮表示计数器不工作。LED不亮则脉搏计工作。也就是说LED 是一个报警器，我们也可以用一个蜂鸣器代替。而LED1-4，是为了表示74LS161输出端QA、QB、QC、QD的高低电平。

图 7.11.5 计时控制电路

3.时钟信号产生电路

时钟信号在电子脉搏计中的作用是产生一个基准时钟，并控制脉搏计数器的工作，作为参考时钟。

该电路是用NE555P做的一个多谐振荡器。为了得到占空比为50%的矩形波，R1=R2=10k，当电容充电时，充电回路是VCC-R1-C-GND，电容放电时，放电回路是C-R2-GND。振荡周期由R1，R2，C共同决定。

Vcc在接通电源后，电容C被充电，vc上升，当vc上升到大于2/3Vcc时，触发器被复位，放电管T导通，此时v0为低电平，电容C通过和R2、T放电，使Vc下降。当vc下降到小于1/3Vcc时，触发器被置位，v0翻转为高电平。电容C放电结束。电容C 放电时间，充电时间及频率公式为：

C R R tpL tpH f C R C R R Vcc

Vcc Vcc Vcc C R R tpH C R C R Vcc

Vcc C R tpL )21(43.1127.02ln )21(3/23/1ln )21(27.02ln 23/103/20ln

2+≈+=≈+=--+=≈=--= 产生波形的周期：

（理想状态下）T=0.7（R1+R2） =0.7×（6.8+6.8）×0.1 =1.008ms

F=1/T=1KHZ

电路图如图7.11.5所示。

图7.11.5 多谐振荡逻辑电路图

4.译码显示电路

本设计中采用74LS48作为计数器，因为它有译码功能，可与数码管直接连接。因为脉搏测试器中需要上十位的数字。因此，将两片74LS直接按并行进位方式连接的百进制计数器。

555集成定时器与Cf、C、R1、R2构成的定时电路，其输出端（3脚）接非门后与R1、R2的TE（4脚）相连接。平时，555的输出为低电平，经非门后为高电平，使

R12、R15计数禁止；当按下S1时，555的输出变为高电平（经非门后为低电

平）， C1经R1、R2充电，定时开始。与此同时，R1、R2允许计数脉冲进入，60秒后，555的输出又变为低电平，使计数器停止计数，此时，数码管显示的计数结果即为一分钟内脉搏跳动的次数。C1、R1组成清零电路，用来保证在电源接通瞬间，R1、R2自动复位清零。七段数码管与74LS48的连接方式如图7.11.6：

图7.11.6 译码显示电路

四、总体电路原理图及元件清单

图7.11.7 总电路原理图

由图可以看出:此电子脉搏计是由振荡器，四倍频电路，脉搏计数电路，时钟控制电路，译码显示电路构成。它的工作原理是:先由振荡器产生一个高频脉冲信号来模拟脉搏跳动，再由四倍频电路进行放大，在经过时钟控制电路进行控制，后送入脉搏计数电路进行计数，最后通过译码显示电路，在数码管中显示出来。具体操作如下：

脉冲信号从3端口输出进入74LS161的CLK端，让161开始计数。161的进位端RCO接JK触发器的CLK。让1Q的高低电平每15秒变一次。清零系统由电源、按键、和地组成。74LS161的CLR、74LS161的CLR和74LS74的CLR端连在一起。当开关闭合，CLR输入一个高电平；当开关断开，CLR端输入一个低电平，系统清零。另一路为信号处理电路，由波形发生器和四倍频电路组成。这两路信号通过一个与门电路合并在一起输入计数电路的CLK端。当1Q处于高电平时，脉搏信号通过与门直接输入计数电路的CLK端。当1Q为低电平时，与门输出为0，相当于脉搏与计数断开。脉搏计停止工作。

元件清单

五、电路仿真及仿真结果分析

电路设计好以后，用软件Multisim进行仿真。在这软件中，由于仿真软件的记时单位是ms，若以s为单位，则要等很长时间，故我采用1KHZ代替1HZ的时钟信号，时间用1ms代替1s。

当仿真开始，右下角的数码管开始显示时间从1至15（秒）循环，用函数发生器输入一个频率为500HZ的矩形波，待一段时间后，关闭开关。过一会，当显示时间的数码管重新从1开始时，显示脉搏数的数码管也开始从1开始计数。最后，当显示时间的数码管达到15且重置为1时，脉搏计数器显示30且停止，待过15s后，脉搏计数器继续工作，显示从30开始，直到15秒后，达到60停止。当开关A打开时，脉搏计数器清零。故仿真结果正常，没误差，达到实验的要求（在15s内测量1min的脉搏数，且误差小于±4次/min）。

接着停止电路工作，改变函数发生器的参数，输入一个频率为1000HZ的矩形波，重复上面的步骤，可测量出在15s内测量1min的脉搏数为60个。此时，测量结果68个/s和理论值60个/s有误差，不过误差小于±8次//min.

故整个电子脉搏计已设计成功。仿真结果比较理想有些元件并不是与实际电路的一模一样，实际电路中用了两片74LS74。而仿真中不会出现按键抖动等问题，只可以做原理上的参考。仿真图如图7.11.8所示。

图7.11.8 电子脉搏计数器逻辑电路仿真图

方案:电路采用焊接一部分就测试一部分的方案这样可以方便排查错误，排除其他因素的干扰本电路先焊接脉搏计数电路，再焊接时钟控制电路，然后焊接四倍频电路，最后焊接焊接振荡器和译码显示电路。

结果:时钟控制电路出现了问题，四倍频电路工作不正常。经过反复排查，使脉搏计数器正常工作。时钟控制电路正常，译码显示电路正常。

六、作品照片图

七、心得体会

在本次实验完成中，这个过程中使我受益匪浅。在确定各模块电路的过程中，不但训练了我们查找资料的能力，更是一次很好考验我们用所学的模拟电子技术基础和数字电子技术基础等相关知识来判断电路正确与否的机会。通过此次课程设计的锻炼，自己的动手能力有了很大的提高，查找问题、解决问题的能力也有了相应的进步。

当然，这次试验也让我看到了我们的很多缺陷。首先对元器件不是特别的熟悉，尤其是在此次电路中，有多种芯片的使用，所以字焊板时费时长。所以经验告诉我们，必须掌握好专业基础知识。

总的来说，本次设计有苦也有甜。设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半，因此我们应该在设计前做好充分的准备。同时熟练地掌握课本上的知识，这对试验中出现的问题进行分析解决也是相当重要的。

这次设计留给我的印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，更要有坚持的毅力。

八、参考文献

[1]康华光主编.《数字电子技术基础（第五版）》.高等教育出版社 2006

[2]崔瑞雪、张增良编著.《电子技术动手实践》.北京航空航天大学出版

社 2007

[3]钱如竹《实用医疗保健电子装置制作220例》人民邮电出版社 1998

[4]彭介华电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社

[5]梁宗善.电子技术基础课程设计[M].武汉：华中理工大学出版社

[6]张玉璞，李庆常.电子技术课程设计[M].北京：北京理工大学出版社

[7]阎石，数字电子技术基础教程.北京：清华大学出版社

九、附页

课程设计成绩评定表