电子课程设计---电子脉搏计

电子课程设计---电子脉搏计

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101501

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。

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。

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

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 B

2.四2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。

1A 1B 1Y 2A 2B 2Y 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0

1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

其逻辑功能描述如下：

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，其逻辑功能表如表4。

CP

R LD EP ET 工作状态

D

×0 ×××置零

脉冲 1 0 ××预置数

× 1 1 0 1 保持

× 1 1 × 0 保持（RCO=0）脉冲 1 1 1 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G16-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4.5V~16V 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A

1

、

A

2

，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5KΩ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V

SS

或接地，一般情况下接地。

8脚：外接电源V

CC ，双极型时基电路V

CC

的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基

电路V

CC

的范围为3 ~ 18V。一般用5V。

3脚：输出端Vo

2脚：TL低触发端

6脚：TH高触发端

4脚：D

R是直接清零端。当D

R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TL、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：V

C

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0.01μF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

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，常在三极管的基极连接一个电阻R 和一个负电源VEE 。由于接入了电阻R 2和负电源V EE ,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 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

1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1

1

1

1

1

1

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

4 3 2 1 OUT 4 3 2 1 OUT

0 0 0 0 0 0 1 0 1 5

0 0 0 1 1 0 1 1 0 6

0 0 1 0 2 0 1 1 1 7

0 0 1 1 3 1 0 0 0 8

0 1 0 0 4 1 0 0 1 9

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，就直接用了一个简单的非门进行简单的整形。经过试验，U12

R610kO hm_5%

R710kO hm_5%

R8100k Ohm_1%

U13A 7408N

&

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=10kΩ, R2=10kΩ，R3=10K Ω，

74LS00D

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，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=3.0MΩ，R4=3.0MΩ，C3=7.5μF,C4=10μF。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。