天津大学电力电子课程设计数字脉搏计实验报告

天津大学电力电子课程设计报告课题名称：数字脉搏计

一、设计任务及要求

设计、组装一个数字脉搏计。

1、（1）用十进制数字显示被测人体的脉搏每分钟跳动的次数，测量范围为20~200次/分。

（2）在短时间（5秒、15秒）内测量出每分钟的脉搏数。

（3）测量误差±4次/分。

（4）锁定每分钟的脉搏数，分别要求：

①显示计数过程，并保持计数结果。手动清零。

②不显示计数过程，锁存为计数结果。自动清零，自启动计数。

2 、模拟信号处理（设计并仿真）

对于脉搏信号的放大、滤波、整形部分采用 MultiSim或PSPICE仿真实现。

脉搏信号放大器（仿真）

输入：1mV、1.2Hz

输出：能够驱动CMOS数字芯片

性能指标：电压增益：大于1000倍

通频带：0.15Hz —30Hz

仿真要完成的主要任务：功能分析、指标测量。

3、给定条件

实验箱一台：直流电源、面包板、连续脉冲信号等

元器件：

锁相环 CD4046

计数器（可预置数的4位二进制计数器） CD4526

计数器（二——十进制同步加计数器） CD4518

计数器/分频器（14位二进制串行计数器/分频器） CD4060

译码器 74LS48

数码管 LG5011AH(实验箱上74LS48已与数码管连接好）

缓冲器（反相器）

电阻、电容若干

数电实验中常用芯片

二、方案原理框图

对于方案选择，由于老师提供的PPT上有方案的原理框图，我们决定按该框图进行研究，不过在每个框图部分实现会有多种方案并进行取舍，在后文会有所提到。

如图，大概为数字脉搏计所需的五个主要部分，以下将分别按步骤将其逐一实现。

三、具体设计阶段

(一)仿真阶段

对于仿真部分的要求题目要求如下：输入：1mV、1.2Hz；电压增益：大于1000倍；通频带：0.15Hz—30Hz

我们采用的multisim仿真，仿真阶段有三个部分，分别是：放大，滤波及整形。

放大是要将采集到的微小的脉搏信号放大成可读取的信号；滤波是为了滤去杂波；整形是为了将正弦信号转化为方波，方便计数

1、放大部分对于放大，我们用的是最基础的放大器放大方法，由于电压增益大于1000，我们决定放大3000倍，采用三个LM324器件，进行10*10*30三级放大，具体参数见下图。

放大结果波形如下图：

A通道原输入信号，B通道为放大后输出信号，为便于显示，通道AB幅值单位不同。

2、滤波部分，对于滤波，由于通频带为0.15Hz—30Hz，我们考虑过带通滤波器，但由于带通滤波器的参数计算过于复杂，经过考虑，我们还是决定采用一个低通滤波器和高通滤波器串联的方式，根据公式

得出参数，如下图所示：

滤波效果如图

因为滤波器做得比较简陋，滤波效果有所误差，大于30HZ时仍有波形通过，不过幅值较小。

3、整形部分对于整形部分，我们需要将一个正弦信号整形为方波信号，我们决定采用555定时器组成施密特触发器来完成这一任务，施密特触发器具有回滞性，可将正弦波转化为方波。器件如下图：

结果如下图：

4、组装（仿真部分总线图）

最后，将这三部分组合成一个电路，如下图：

下图为输出结果，A通道为输入正弦信号，B通道为经放大滤波整形之后的输出方波

仿真阶段即告一段落，接下来是数字阶段。

(二)数字阶段

根据题目要求分成了四个部分：倍频电路（负责将输入信号放大到四倍频或十二倍频）；计数译码显示（负责信号的计数及显示过程）；控制信号发生（控制计数译码显示部分的计数开始及结束）；基准时间产生（负责产生题目要求的5s及15s时间）。

在设计过程中，我们将后两个部分控制信号发生和基准时间产生结合在一起进行研究。

1、倍频电路

CD4046是目前常见的集成锁相环。用CD4046实现的一种N 倍频参考电路如下图所示，电路中CD4526是可预置数的4为二进制计数器，用来实现N 分频。改变置数值，可以改变N 。 所需元件：芯片CD4046,CD4526,电阻10K Ω,100 K Ω,2.2M Ω,1.2 M Ω 电容10μF ,0.68μF.

倍频电路直接采用的是实验指导书上介绍的倍频电路，右边的CD4526是一种1/N 分频计数器，实质是减计数器。将分频倍数输入图示中的N 端，如4分频——DP4-DP1取0100、12分频——DP4-DP1取1100。汉字“出”表明的线即为倍频电路的输出。

CD4046和CD4526的引脚对应如下表所示：

CD4046 CD4526

图中管脚表示 对应芯片管脚号 图中管脚表示 对应芯片管脚号 PCB 3 Q 1 7

PCA 14 Q 2 9

R 1 11 Q 3 15

R 2 12 Q 4 1

PC 2 13 DP 1 5

i o o

i Nf f N f f ==

VCO in 9 DP2 11

SF 15 DP3 14

VCO out 4 DP4 2

CA 6 PE 3

CB 7 CF 13

V SS 8 R 4

Inh 5 CPE 10

CP 6

“0”12

2、控制信号发生与基准时间产生：题目要求基准时间产生5s/15s 手动/自动

所需器件：555芯片三片，电容电阻若干，包括120KΩ,100KΩ,1KΩ,40.5KΩ36KΩ,68KΩ,100μF,10nf。

（1）对于基准时间产生，我们决定采用由555定时器构成的单稳态触发器，根据公式t w=1.1RC,5s或15s由不同的电阻值决定。

当t w=5s，根据公式，R=45.5KΩ，实际因为各种误差等原因，经过实际测量，R=40.5 KΩ

当t w=15s，根据公式，R=136.5KΩ，实际因为各种误差等原因，经过实际测量，R=120 KΩ

如图所示为单稳态触发器输出波形（以5s时间为例）

（2）根据题目要求，对于4倍频，信号手动产生（实验台采用单脉冲按钮替换开关），大致如下图，每当开关A开启（或按下按钮），单稳态触发器就会发出一个15s的高电平。

（3）根据题目要求，对于12倍频，需要信号自动触发，我们于是需要一个信号触发装置，决定采用555构成的多谐振荡器来完成这一目的，因为其能自己震荡一个方波。

继续对题目分析，题目要求“不显示计数过程，锁存为计数结果。自动清零，自启动计数”，虽然这是对显示的要求，可为达到这一结果，在控制信号方面必须要与之配合方能成功，明显地，清零过程应晚于计数锁存过程，这一过程需要另一个单稳态触发器，只要保持清零单稳态的高电平时间大于定时单稳态的5s即可，同时，我们也意识到，清零单稳态和定时单稳态的上升沿应同时被多谐振荡器触发，是以，多谐振荡器周期应大于清零和定时的高电平时间，多谐振荡器的OUT端要同时连到定时和清零的C C端（引脚7）。综上，一共需要三个555芯片，具体与计数显示部分结合的部分在文后将进一步阐述。大致器件图及参数如下图所示：

U1为5s定时单稳态触发器，U2（左下角）为多谐振荡器（周期约为12.04s），U3为清零用单稳态触发器（高电平时间约为7.48s）。

3、计数译码显示部分：

所需器件：同步计数器74LS160芯片3片，数码管LG5011AH（实验箱上74LS48已与数码管连接好）3个，六相反相器74LS04芯片1片。

（1）计数部分

因为计数范围从20~200，所以需要三个计数器，我们采用的芯片为74ls160三片，大致接线如下图，因为后期题目要求，需要对清零锁存进行进一步改变。

（2）显示计数过程，并锁存结果，手动清零的实现。

我们将555单稳态定时器的出口OUT端接到计数器锁存端（EP或ET），当规定时间过去，555单稳态OUT口从高电平转到低电平，锁存端转为低电平，从而实现数据锁存。而清零端（RD）连接实验台的电平产生器（形同于开关），平时，开关指向高电平，清零端不工作，需要手动清零时，将开关拨向地即可，实现手动异步清零功能。注，在下一次计数开始之前，要将开关拨回高电平。大致接线图如下图（为便于仿真，直接用四线LED管DCD-HEX）：

（3）自动计数，不显示计数过程，锁存为计数结果，自动清零自动计数的时间（主要用于12倍频）

一开始，我们的想法是将自动清零做成同步置数清零，异步锁存（锁存端连接单稳态触发器的OUT端），即当给定时间到时，OUT端输出转为低电平，则立即锁存，而当CLK信号上升沿到来时再将“0000”置给数码管。但一个问题是，锁存时间取决于计数的CLK信号，当信号频率很高时，比如12HZ，则锁存时间为0.0833s，过小，锁存效果不明显，仍需要进一步改进。

经过改进，我们最终决定再用一个555单稳态使其清零，只要使多谐振荡器周期大于清零555输出周期大于计时555周期，即可满足要求（555部分具体参数可看上文）。

将定时单稳态触发器OUT端连到计数器锁存端，清零单稳态触发器OUT接到计数器清零端。多谐振荡器的OUT端同时连到定时和清零的C C端（引脚7）。

具体工作过程分析如下：当多谐振荡器同时触发定时单稳态和清零单稳态高电平，经过5s，定时单稳态触发器低电平使锁存端工作，计数锁存；再经过一段时间（7.48-6=1.48s）后，清零单稳态触发器跳变到低电平，清零端工作，数码管数字清零；再经过一段时间（12.04-7.48=4.56s）后，多谐振荡器上升沿，同时触发定时单稳态和清零单稳态进入高电平，新一轮计数开始。

对于不显示计数过程，经过查阅资料了解到七段码LED管及与其连接的74LS48的功能表，发现当RBI端口为低电平时，数码管字形消隐，于是将5s定时单稳态触发器的OUT端口经过非门接到RBI端口，这样，当定时单稳态计时，OUT端为高电平时，RBI端为低电平，不显示字形；当计时结束，OUT端转为低电平，RBI端为高电平，显示锁存的计数结果。

大概接线图如下图：

（注：为了方便，用数码管CK端代替RBI端，CK端不需要非门）

数字部分整机电路原理图

见上图（由于倍频器不便于仿真，此处略）

四、实际接线图

五、实际实验总结

1，遇到的问题：

⑴锁相环不稳定

我们在实验的第一天上午完成了倍频电路的搭建。并在第一天下午完成了4倍频显示计数过程、手动清零的实验要求，但在第二天上午进行12倍频实验时，测量数据与理想数据有较大的差别，误差过大，不满足实验要求。经检查发现电路的连线没有问题，因此我们认为可能的问题是由于锁相环CD4046灵敏度高，由于长时间使用而出现损坏。因此我们更换了一个新的CD4046后，结果误差大大降低。从而使我们很好地完成了实验。

⑵根据公式的计算结果与实际值存在较大误差

以基准时间产生为例，我们采用由555定时器构成的单稳态触发器，根据公式t w=1.1RC, 当t w=5s，R=45.5KΩ，但在实际电路的搭建过程中采用45.5KΩ时，所得到的t w大于5s且误差较大，所以我们在实验过程中逐渐减小电阻值，并测量t w的周期，最终采用了40.5 KΩ的电阻。这个问题在搭建电路过程中一直存在，我们并没有过分依赖公式的计算结果，而是在搭建完电路后进行实际测量，从而进一步调整参数，完成实验。

⑶忽略芯片的引脚资料

由于在预习阶段我们只重点关注电路，而忽略了芯片的引脚，认为实验指导书附录有引脚图就没有很详细的查阅相关的资料。使我们在搭建倍频电路的时候由于书中电路图的引脚与附录中引脚图不同而使得我们在搭建电路的时候临时查找引脚资料，浪费了一定的时间。2，成功之处：

（1）分工明确

两人组合之中，张朋真开始先进行计数器的连线；而我主要负责寻找各个电路所需要的芯片、电阻、电容，并在各个电阻上进行标注，为接下来电路连线寻找不同阻值的电阻提供了方便。

（2）默契合作

在找到所有所需电阻后，我们两个人一起进行了连线工作，而不是像其他组同一时间都是一个人在连线。

张朋真主要负责倍频电路，译码器输出与数码管的连接，而我负责其他模块的连线，两人的默契合作为我们比较快的完成了基本连线奠定了基础。

（3）充分的准备

虽然开始我们在锁相环的引脚方面准备不充分，但在其他方面都进行了充分的准备，对于能够进行仿真的部分，我们提前进行了仿真，使得我们的电路没有出现失误，只要按照预习报告中的电路图即可搭建好满足实验所需的电路。

六、实际数据记录及分析

（4）误差分析：

由以上几组数据不难看出所有的数据都存在偏差，12倍频的误差比4倍频的大。

主要原因是在实验时，合适、准确的电阻是很难找到的，我们采用的是近似值。如15S 定时器的电阻应取136.51k?，我们实际上取的是120k?；5S定时器的电阻应取45.51k?，我们实际上取的是40.5k?。因此定时时间在一定程度上偏短。

其次，倍频电路不稳定，这个问题主要是由于锁相环CD4046过于敏感，使得电路在长时间工作后不稳定，且这种误差并不是单纯的正偏差或负偏差，因而难以通过修改参数进行更正。但是所有数据正偏差都在4次/min以内，符合课程设计中误差不超过±4次/min的要求。

七、成员分工

1、aaa：

①在仿真部分，主要负责放大电路和整形电路部分；

②数字部分，主要负责控制信号和基准信号产生部分，即3个555芯片部分的设计；

③在电路搭建部分，主要负责3个555芯片部分电路的连线。

2、bbb：

①在仿真部分，主要负责滤波电路部分；

②数字部分，主要负责倍频电路，计数及显示部分；

③在电路搭建部分，主要负责倍频电路，计数器，译码器部分电路的搭建。

八、个人总结

数字脉搏计这个课题被老师布置下来的时候，我们都觉得这是有难度的，之前从没接触过multisim仿真，如今得从头学起，可当第一次尝试的仿真器件在电路图上顺利运行时，我发现这个软件真的是很有趣，非常实用。在第一周的仿真阶段，我们从仿真部分做起，这部分倒是十分顺利.在数字阶段，我们发现了很多问题，互相讨论，不断改进自己的方案，对自己即将在实验台上的操作也有了一定的准备和思路。不过当我们正式接线的时候，我们发现自己很大的一个疏忽的地方就是提前收集芯片的引脚资料，这是需要自己吸取教训的地方。在实际操作的时候，我们的分工十分明确，张朋真负责倍频器和计数显示部分，我负责三个555芯片，在一开始是分着接线，后来我们意识到这样效率较低，于是我和她同时开工，效率大大提升了，最后在结合部分一同工作。当然，在接线调试时也遇到一些由于错误马虎造成的问题，幸而我们都及时解决，并未耽误太长时间，是以比我们预期时间快得多就完成了所有任务，周一进实验室，周二上午就结束了，也是我们实验室中走的比较早的一组。

课程设计完成之后，我的感觉是充实且愉快。我从中学会了很多，从前期的查阅资料进行设计到后期的动手实践能力，都有所长进。所谓能力，就是在一次次发现问题，碰壁，解

决问题中培养出来的。同时，我对电力电子方面的知识，对于multisim软件的了解都增进了许多。自然，在愉快之余也有达不成预期效果的沮丧和失落，但其使之后成功所带来的喜悦更加难忘。在一切顺利解决之后，我内心的满足感是无与伦比的，同伴还兴致勃勃地录了一段工作过程留作纪念。这一切不只是给老师看，更重要的是我们内心的成长，就像老师的ppt中所说的那样，“注重结果更注重过程”，在完成课设的过程里，我确实受益良多。

最后，感谢学院能给我们这个机会，感谢老师耐心细致的指导，感谢同伴的配合和协作，陪我共度整个课程设计。

九、参考文献

【1】《数字电子技术基础教程》，周跃庆编，天津大学出版社。

【2】《模拟电子技术基础教程》，周跃庆编，天津大学出版社。

【3】《电子技术实验教程》，王萍主编，机械工业出版社。

【4】CD4046锁相环，中文数据手册