數(shù)電電子脈搏計設(shè)計報告與Multisim仿真工程

名稱：   數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計   

題    目：      電子脈搏計設(shè)計      

目錄

電子脈搏計設(shè)計              3

一、設(shè)計任務(wù)與要求              3

二、方案設(shè)計與論證              3

三、單元電路設(shè)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(jié)論與心得              11

七、參考文獻(xiàn)              12

電子脈搏計設(shè)計

一、設(shè)計任務(wù)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(shè)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(jìn)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(yīng)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(yīng)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行了4倍頻，計數(shù)時間也相應(yīng)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(dāng)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(shè)計要求。而方案二測量精度高，但電路比較復(fù)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(shè)計框圖1如下：

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2018-9-18 18:18 上傳

圖1-電路設(shè)計框圖

三、單元電路設(shè)計與參數(shù)計算

以下幾個模塊是構(gòu)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(yīng)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(jié)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(dāng)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(shè)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(jìn)行整形，通過實驗可以放大整形正弦電路。RONE、RTWO直接取10K?達(dá)到輸入阻抗的要求�；陔娐纺K化設(shè)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(jìn)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(yīng)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(fù)雜，成本比較高，所以這里采用了能滿足設(shè)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(gòu)成二倍頻電路，UFIVEA和UFIVEA亦構(gòu)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(dāng)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(dāng)CONE=33uf，CTWO=6.8uf，RTHREE=10k，RFOUR=10k的時候能達(dá)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(wù)，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(guān)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(dāng)時間達(dá)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(shè)計常數(shù)為T= 1.1*RC。所以CFOUR取0.01uf，CTHREE取6.8uf，RONE取2MΩ。當(dāng)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(jié)果譯碼顯示出來的功能。本設(shè)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(jìn)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(jìn)位方式連接即的千進(jìn)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(dāng)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(jié)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

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(guān)，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(jìn)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(wù)，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)。

• 元件清單
  

                  表3 元件清單

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(jìn)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(gòu)成二倍頻電路，UFOURa和UFOURb亦構(gòu)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(dāng)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(dá)七段數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

打開定時器的開關(guān)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(dāng) 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(jié)果

• 結(jié)論與心得
  

這個設(shè)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(xiàn)，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(shè)置出來了，基本達(dá)到了實驗的要求。

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