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數(shù)電電子脈搏計設計報告與Multisim仿真工程

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樓主
ID:314651 發(fā)表于 2018-9-18 17:08 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式

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:


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

清零端

高觸發(fā)端TH

低觸發(fā)端

Q

放電管T

功能

0

X

X

0

導通

直接清零

1

0

1

X

保持上一狀態(tài)

保持上一狀態(tài)

1

1

0

1

截止

置1

1

0

0

1

截止

置1

1

1

1

0

導通

清零


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

清零

預置

使能

時鐘

預置數(shù)據(jù)輸入

輸出

工作模式

RD

LD

EP  ET

CP

D3 D2  D1 D0

  Q3  Q2 Q1 Q0

0

1

1

1

1

X

0

1

1

1

X   X

X   X

0   X

X   0

1   1

X

X

X

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)。




  • 元件清單

                  表3 元件清單

元件序號

型號

主要參數(shù)

數(shù)量

備注

CONE/CTWO/CTHREE/CFOUR

電容

33uF,6.8uF,6.8uF,0.01uF

4



RONE/RTWO/RTHREE/RFOUR/RSEVEN

電阻

10KΩ,100KΩ,10KΩ,10KΩ,2MΩ

5



UTEN,UELEVENT

74LS160N



2



UEIGHT,USEVEN

DCD_HEX_DIG_BLUE



2



SONE,STWO

開關



2



UTHIRD

555 _TIME_RATED



1



UONE

COMPARATOP_VIRTUAL



1



UTHREEA,UFOURA,UFIVEA,USIXA

4070BD_10V



4



UTWO

NAND2



1





VCC

6V





XFG1



函數(shù)信號發(fā)生器





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

  • 結論與心得

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。



Multisim仿真工程文件與完整的Word格式文檔51黑下載地址:

電子脈搏器.rar (910.15 KB, 下載次數(shù): 392)

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來自 2#
ID:757857 發(fā)表于 2020-6-26 13:08 | 只看該作者
555定時器那里你用的單穩(wěn)態(tài)定時器可以不需要用555施密特觸發(fā)器加個開關來連接,可以直接用555定時器接成單穩(wěn)態(tài)定時器,你可以參考一下我發(fā)的圖。還有你后面數(shù)碼管顯示電路那部分是寫錯了吧,555定時器構成的時鐘電路與計數(shù)器之間又沒有反相器,怎么會出現(xiàn)555單穩(wěn)態(tài)定時器輸出高電平而計數(shù)器卻輸入低電平呢?
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板凳
ID:428905 發(fā)表于 2018-11-18 21:56 | 只看該作者
你好  這個文件還在嗎
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地板
ID:442598 發(fā)表于 2018-12-10 22:06 | 只看該作者
你好,仿真還在嗎
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5#
ID:446405 發(fā)表于 2018-12-14 16:23 | 只看該作者
樓主好人 正需要
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6#
ID:455009 發(fā)表于 2018-12-25 23:57 | 只看該作者
想要這份文件,謝謝
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7#
ID:223999 發(fā)表于 2018-12-29 10:04 | 只看該作者
看看而已
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8#
ID:457857 發(fā)表于 2018-12-30 11:57 | 只看該作者
樓主求仿真文件
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9#
ID:457857 發(fā)表于 2018-12-30 12:02 | 只看該作者
想要這份文件 求轉(zhuǎn)發(fā)
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10#
ID:469417 發(fā)表于 2019-3-10 03:28 | 只看該作者
這個創(chuàng)造思維還是蠻好的,頂個先!
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11#
ID:497382 發(fā)表于 2019-5-2 00:14 | 只看該作者
想要這份文件,謝謝
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12#
ID:666564 發(fā)表于 2019-12-18 17:47 | 只看該作者
挺好的,這對學習的幫助挺大
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13#
ID:845213 發(fā)表于 2020-11-18 08:39 | 只看該作者
求仿真圖
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14#
ID:966507 發(fā)表于 2021-9-16 14:16 | 只看該作者
樓主我求仿真
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15#
ID:910913 發(fā)表于 2022-11-11 08:12 | 只看該作者
您好,怎樣能弄到這個文件啊,想要學習學習
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16#
ID:910913 發(fā)表于 2022-11-11 08:13 | 只看該作者
您好,文件還在嗎,想要學習學習
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17#
ID:1101577 發(fā)表于 2023-11-28 15:21 | 只看該作者
三三兩兩在離別 發(fā)表于 2020-6-26 13:08
555定時器那里你用的單穩(wěn)態(tài)定時器可以不需要用555施密特觸發(fā)器加個開關來連接,可以直接用555定時器接成單 ...

求文件
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18#
ID:1103305 發(fā)表于 2023-12-10 21:49 | 只看該作者
樓主,我調(diào)試的有錯誤啊,頻率為2hz的時候,屏幕的顯示只有90脈搏跳動左右的,只有1hz的時候才是正常60
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