名稱: 數(shù)字電子技術設計 題 目: 電子脈搏計設計
目錄 電子脈搏計設計 3 一、設計任務與要求 3 二、方案設計與論證 3 三、單元電路設計與參數(shù)計算 4 四、總電路工作原理及元器件清單 9 五、仿真調(diào)試與分析 11 六、 結論與心得 11 七、參考文獻 12
電子脈搏計設計
一、設計任務與要求 1. 實現(xiàn)在15 s 內(nèi)測量1 min的脈搏數(shù); 2. 用數(shù)碼管將測得的脈搏數(shù)用數(shù)字的形式顯示; 3. 測量誤差小于±4次/min。
二、方案設計與論證 脈搏測試儀是用來測量一個人心臟跳動次數(shù)的電子儀器,也是心電圖的主要組成部分。它是用來測量頻率較低的小信號。通過對信號的放大,顯示,對身體脈搏進行模擬測試。電子脈搏計分成以下6部分: 1 函數(shù)信號發(fā)生器——將脈搏跳動信號轉(zhuǎn)換為與此相對應的電脈沖信號,通過正弦波模擬人體的脈搏跳動。 2 放大整形電路——把傳感器的微弱電流,微弱電壓放大。 3倍頻器——將整形后所得到的脈沖信號的頻率提高。如將15s內(nèi)傳感器所獲得的信號頻率4倍頻,即可得到對應一分鐘的脈沖數(shù),從而縮短測量時間。 4控制電路——用555定時器以保證在基準時間控制下,使4倍頻后的脈沖信號送到計數(shù)、顯示電路中。 5 計數(shù)、譯碼、顯示電路——用來讀出脈搏數(shù),并以十進制數(shù)的形式由數(shù)碼管顯示出來。 6 電源電路——按電路要求提供符合要求的直流電源。 方案一、 電路對脈沖進行了4倍頻,計數(shù)時間也相應地縮短了4倍(15s),而數(shù)碼管顯示的數(shù)字卻是1min的脈搏跳動次數(shù)。這樣當計時為15 s的時候,數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)就是一分鐘的脈搏數(shù),如需重新計數(shù),只需清零即可。 方案二、 人體的正常脈搏跳動為50-100/min。為了簡化電路以及節(jié)省元件,故取計數(shù)器的計數(shù)范圍為0-99.讓函數(shù)信號發(fā)生器模擬人體脈搏的跳動,以每個上升沿代表一次脈搏,讓計數(shù)器記錄上升沿的個數(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 s測量一分鐘的上升沿的個數(shù)。這樣15 s就測量出了一分鐘的脈搏數(shù)。 方案比較 方案一的電路相對簡單,容易實現(xiàn),而項目的要求誤差小于±4次/min,方案一能滿足設計要求。而方案二測量精度高,但電路比較復雜,要換成BCD碼,故障率高,延時比較,且計數(shù)不能連續(xù)。綜上所述,選擇方案一。 大致的設計框圖1如下:
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2018-9-18 18:18 上傳
圖1-電路設計框圖 三、單元電路設計與參數(shù)計算 以下幾個模塊是構成電子脈搏計的主要功能模塊,為更清晰的說明該方案的原理,先分模塊介紹如下: 1信號發(fā)生 脈搏傳感器的作用是將脈搏信號轉(zhuǎn)換為響應的電沖信號。脈搏傳感器是脈象檢測系統(tǒng)中重要的組成部分,其性能的好壞直接影響到后置電路的處理和結果的顯示。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。在這三種當中目前采用最多的是壓電型傳感器,其工作原理是利用敏感元件直接把壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p> 而本次設計中是利用函數(shù)信號發(fā)生器代替脈搏傳感器,使用正弦波模擬人體脈搏跳動來測量。  圖2—函數(shù)信號發(fā)生器
2 放大整型電路 放大電路多種多樣,本次實驗采用比較簡單、廉價的運放電路。由一個運放器OP07和兩個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10倍。而整形電路采用了簡單一點的與非門進行整形,通過實驗可以放大整形正弦電路。RONE、RTWO直接取10K?達到輸入阻抗的要求�;陔娐纺K化設計的理念,信號放大電路有兩個引腳: In,輸入引腳,輸入傳感器的輸出; Out,輸出引腳,輸出放大后信號。 圖3——放大整形電路
3四倍頻 由于我們要在15 s內(nèi)測量1min內(nèi)的脈搏數(shù),所以我們要對脈搏進行調(diào)頻。60/15=4,需要四倍頻電路。如將15s內(nèi)函數(shù)信號發(fā)生器所獲得的信號頻率4倍頻,即可得到對應一分鐘的脈沖數(shù),從而縮短測量時間。倍頻電路的形式很多,如鎖相倍頻器、異或門倍頻器等,由于鎖相倍頻器電路比較復雜,成本比較高,所以這里采用了能滿足設計要求的簡單一點的異或門組成的4倍頻電路。此處采用4070BD異或門芯片,通過UTHREEA和UTHREEA構成二倍頻電路,UFIVEA和UFIVEA亦構成二倍頻電路;兩個二倍頻串聯(lián)組成四倍頻電路。利用第一個異或門的延遲時間對第二個異或門產(chǎn)生作用,當輸入由“0”變成“1”或由“1”變成“0”時,都會產(chǎn)生脈沖輸出。其中異或門間的RC電路是為了延時,經(jīng)過測試,當CONE=33uf,CTWO=6.8uf,RTHREE=10k,RFOUR=10k的時候能達到四倍頻的要求。電路圖如下:
圖4——四倍頻電路
4 555定時器 555定時器的功能表 表1 555定時器的功能表
555定時器主要是為了在實15s內(nèi)完成測量任務,使單穩(wěn)態(tài)時間長度為15 s。本實驗采用555單穩(wěn)態(tài)定時電路。工作原理大概如下:開關打上,RST、VCC都為高電平,由于有CTHREE存在,THR和 TH1為低電平。此時輸出為高電平,隨著電容的充電,當時間達到15s的時候,電容兩端電容為 2/3VCC,THR和THI為2/3VCC,輸出為低電平。時間的設計常數(shù)為T= 1.1*RC。所以CFOUR取0.01uf,CTHREE取6.8uf,RONE取2MΩ。當要重新計數(shù)時,,斷開SONE,手動接上STWO,然后斷開,把CTHREE兩端的電量放掉,再接上SONE。電路如圖5所示: 圖5—555定時器電路
5數(shù)碼管顯示
這部分電路主要要完成對方波脈沖計數(shù),將計數(shù)結果譯碼顯示出來的功能。本設計中采用簡單的比較熟悉的74LS160作為計數(shù)器,因為它是十進制計數(shù)器無需改裝,直接使用。因為脈搏測試器中需要上百位的數(shù)字。因此,將三片74LS160直接按并行進位方式連接即的千進制計數(shù)器。三塊芯片的ENP LOAD CLR都為高電平以保證電路的工作。其中第二第三塊芯片ENT為高電平,第一塊芯片ENT受555定時器的控制。當555定時器輸出為低電平時,74LS160輸入端接收到的是高電平,開始計數(shù);輸出為高電平時,74LS160接收到的是低電平,停止計數(shù)(計數(shù)結束)。此時顯示的就是15s內(nèi)的脈沖數(shù)了。七段數(shù)碼管與74LS160的連接方式如下:
圖6——數(shù)碼管顯示電路
表2 74LS160功能表 | | | | | | | | | | | | | | | | | X X X X d3 d2 d1 d0 X X X X X X X X X X X X | 0 0 0 0 d3 d2 d1 d0 保持 保持 十進制計數(shù) | 異步清零 同步置數(shù) 數(shù)據(jù)保持 數(shù)據(jù)保持 加法計數(shù) |
四、總電路工作原理及元器件清單 1.總原理圖 
圖7—總原理圖
2.電路完整工作過程描述(總體工作原理) 打開電源開關,電路各部分開始工作。首先是函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)生發(fā)出的信號,在放大器的放大整形電路中放大大約10倍,然后經(jīng)過異或門的四倍頻電路,時間縮為一分鐘的四分之一,頻率變成了原來的四倍;倍頻器的主要作用就是為了計數(shù)器能在15s內(nèi)計算出1min鐘的脈沖數(shù)。脈沖數(shù)進入七段數(shù)碼管計數(shù)器,計數(shù)開始。來一個脈沖計數(shù)器就加一。此時555定時器可以在15s內(nèi)完成任務,使單穩(wěn)態(tài)的時間長度為15s。15s后,定時器輸出端電平翻轉(zhuǎn),計數(shù)器停止工作。顯示出脈搏跳動的次數(shù)。
表3 元件清單 | | | | | | | | |
| RONE/RTWO/RTHREE/RFOUR/RSEVEN | | | |
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| UTHREEA,UFOURA,UFIVEA,USIXA | |
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五、仿真調(diào)試與分析 擬脈搏信號從函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)出,經(jīng)過OP07運放器運放電路,放大10倍后,進入一個延時電容、3個與或門的延時分頻。采用4070BD異或門芯片,通過UTHREEa和UTHREEb構成二倍頻電路,UFOURa和UFOURb亦構成二倍頻電路;兩個二倍頻串聯(lián)組成四倍頻電路。利用第一個異或門的延遲時間對第二個異或門產(chǎn)生作用,當輸入由“0”變成“1”或由“1”變成“0”時,都會產(chǎn)生脈沖輸出。,倍頻后的頻率直接送入到74160N解碼,解碼后就到達七段數(shù)碼管進行顯示。 打開定時器的開關之后,定時的過程實際上就是電容不斷充電的過程。電容上的電壓從0到2/3Vcc這段時間就是我們要定時的時間(15s)。開始,555定時器out端口為高電平,74160N開始工作,此后,電源經(jīng)外部電阻不斷向向 C 充電,當 C 上電壓升到> 2 /3 V DD 時,THR、TRI兩端為2/3Vcc,輸出V0 翻轉(zhuǎn),變?yōu)?;74160N停止工作。故74160N工作的時間為:T=1.1RC=15s。 這樣就可以以電脈沖信號發(fā)生代替脈搏跳動信號測出15 s的每分鐘脈搏數(shù)。 以下是電子脈搏計在15s時測出的數(shù)據(jù): 
圖8——測試結果 這個設計的難度是高,一開始看完項目渾然不知,不知道接下來要做什么,后來通過慢慢了解555定時器,以及上網(wǎng)收集資料和翻閱文獻,終于對555定時器的引腳功能有所了解。后來和同組人員日夜兼程,分工合作,這個過程中困難重重,接錯過線,用錯過元件。有些元件不在元件庫里面,又要上網(wǎng)找,不過最后整組人員通力合作,最終還是設置出來了,基本達到了實驗的要求。
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