名稱： 數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計(jì)
題 目： 電子脈搏計(jì)設(shè)計(jì)
目錄
電子脈搏計(jì)設(shè)計(jì) 3
一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 3
二、方案設(shè)計(jì)與論證 3
三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)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(jì)設(shè)計(jì)
一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求
1． 實(shí)現(xiàn)在15 s 內(nèi)測(cè)量1 min的脈搏數(shù)；
2． 用數(shù)碼管將測(cè)得的脈搏數(shù)用數(shù)字的形式顯示；
3． 測(cè)量誤差小于±4次/min。
二、方案設(shè)計(jì)與論證
脈搏測(cè)試儀是用來(lái)測(cè)量一個(gè)人心臟跳動(dòng)次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分。它是用來(lái)測(cè)量頻率較低的小信號(hào)。通過對(duì)信號(hào)的放大，顯示，對(duì)身體脈搏進(jìn)行模擬測(cè)試。電子脈搏計(jì)分成以下6部分：
1 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器——將脈搏跳動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為與此相對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)，通過正弦波模擬人體的脈搏跳動(dòng)。
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(hào)的頻率提高。如將15s內(nèi)傳感器所獲得的信號(hào)頻率4倍頻，即可得到對(duì)應(yīng)一分鐘的脈沖數(shù)，從而縮短測(cè)量時(shí)間。
4控制電路——用555定時(shí)器以保證在基準(zhǔn)時(shí)間控制下，使4倍頻后的脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)、顯示電路中。
5 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路——用來(lái)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(lái)。
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(duì)脈沖進(jìn)行了4倍頻，計(jì)數(shù)時(shí)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(dòng)次數(shù)。這樣當(dāng)計(jì)時(shí)為15 s的時(shí)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(jì)數(shù)，只需清零即可。
方案二、
人體的正常脈搏跳動(dòng)為50-100/min。為了簡(jiǎn)化電路以及節(jié)省元件，故取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為0-99.讓函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模擬人體脈搏的跳動(dòng)，以每個(gè)上升沿代表一次脈搏，讓計(jì)數(shù)器記錄上升沿的個(gè)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(cè)量一分鐘的上升沿的個(gè)數(shù)。這樣15 s就測(cè)量出了一分鐘的脈搏數(shù)。
方案比較
方案一的電路相對(duì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，而項(xiàng)目的要求誤差小于±4次/min，方案一能滿足設(shè)計(jì)要求。而方案二測(cè)量精度高，但電路比較復(fù)雜，要換成BCD碼，故障率高，延時(shí)比較，且計(jì)數(shù)不能連續(xù)。綜上所述，選擇方案一。
大致的設(shè)計(jì)框圖1如下：
圖1-電路設(shè)計(jì)框圖
三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算
以下幾個(gè)模塊是構(gòu)成電子脈搏計(jì)的主要功能模塊，為更清晰的說(shuō)明該方案的原理，先分模塊介紹如下：
1信號(hào)發(fā)生
脈搏傳感器的作用是將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的電沖信號(hào)。脈搏傳感器是脈象檢測(cè)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?hào)。
而本次設(shè)計(jì)中是利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器代替脈搏傳感器，使用正弦波模擬人體脈搏跳動(dòng)來(lái)測(cè)量。
圖2—函數(shù)信號(hào)發(fā)生器
2 放大整型電路
放大電路多種多樣，本次實(shí)驗(yàn)采用比較簡(jiǎn)單、廉價(jià)的運(yùn)放電路。由一個(gè)運(yùn)放器OP07和兩個(gè)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(jiǎn)單一點(diǎn)的與非門進(jìn)行整形，通過實(shí)驗(yàn)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。基于電路模塊化設(shè)計(jì)的理念，信號(hào)放大電路有兩個(gè)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(hào)。
圖3——放大整形電路
3四倍頻
由于我們要在15 s內(nèi)測(cè)量1min內(nèi)的脈搏數(shù)，所以我們要對(duì)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(hào)發(fā)生器所獲得的信號(hào)頻率4倍頻，即可得到對(duì)應(yīng)一分鐘的脈沖數(shù)，從而縮短測(cè)量時(shí)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(jì)要求的簡(jiǎn)單一點(diǎn)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(gè)二倍頻串聯(lián)組成四倍頻電路。利用第一個(gè)異或門的延遲時(shí)間對(duì)第二個(gè)異或門產(chǎn)生作用，當(dāng)輸入由“0”變成“1”或由“1”變成“0”時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出。其中異或門間的RC電路是為了延時(shí)，經(jīng)過測(cè)試，當(dāng)CONE=33uf，CTWO=6.8uf，RTHREE=10k，RFOUR=10k的時(shí)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(shí)器
555定時(shí)器的功能表
表1 555定時(shí)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(dǎo)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(dǎo)通 | 清零 |
555定時(shí)器主要是為了在實(shí)15s內(nèi)完成測(cè)量任務(wù)，使單穩(wěn)態(tài)時(shí)間長(zhǎng)度為15 s。本實(shí)驗(yàn)采用555單穩(wěn)態(tài)定時(shí)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(shí)輸出為高電平，隨著電容的充電，當(dāng)時(shí)間達(dá)到15s的時(shí)候，電容兩端電容為 2/3VCC，THR和THI為2/3VCC，輸出為低電平。時(shí)間的設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)時(shí)，，斷開SONE，手動(dòng)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(shí)器電路
5數(shù)碼管顯示
這部分電路主要要完成對(duì)方波脈沖計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)結(jié)果譯碼顯示出來(lái)的功能。本設(shè)計(jì)中采用簡(jiǎn)單的比較熟悉的74LS160作為計(jì)數(shù)器，因?yàn)樗鞘M(jìn)制計(jì)數(shù)器無(wú)需改裝，直接使用。因?yàn)槊}搏測(cè)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(jì)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(shí)器的控制。當(dāng)555定時(shí)器輸出為低電平時(shí)，74LS160輸入端接收到的是高電平，開始計(jì)數(shù)；輸出為高電平時(shí)，74LS160接收到的是低電平，停止計(jì)數(shù)（計(jì)數(shù)結(jié)束）。此時(shí)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(yù)置 | 使能 | 時(shí)鐘 | 預(yù)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(jìn)制計(jì)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(jì)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(guān)，電路各部分開始工作。首先是函數(shù)信號(hào)發(fā)生器發(fā)生發(fā)出的信號(hào)，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(shí)間縮為一分鐘的四分之一，頻率變成了原來(lái)的四倍；倍頻器的主要作用就是為了計(jì)數(shù)器能在15s內(nèi)計(jì)算出1min鐘的脈沖數(shù)。脈沖數(shù)進(jìn)入七段數(shù)碼管計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)開始。來(lái)一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器就加一。此時(shí)555定時(shí)器可以在15s內(nèi)完成任務(wù)，使單穩(wěn)態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度為15s。15s后，定時(shí)器輸出端電平翻轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器停止工作。顯示出脈搏跳動(dòng)的次數(shù)。
表3 元件清單
元件序號(hào) | 型號(hào) | 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(guān) | 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(hào)發(fā)生器 |
五、仿真調(diào)試與分析
擬脈搏信號(hào)從函數(shù)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出，經(jīng)過OP07運(yùn)放器運(yùn)放電路，放大10倍后，進(jìn)入一個(gè)延時(shí)電容、3個(gè)與或門的延時(shí)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(gè)二倍頻串聯(lián)組成四倍頻電路。利用第一個(gè)異或門的延遲時(shí)間對(duì)第二個(gè)異或門產(chǎn)生作用，當(dāng)輸入由“0”變成“1”或由“1”變成“0”時(shí)，都會(huì)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(shí)器的開關(guān)之后，定時(shí)的過程實(shí)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(shí)間就是我們要定時(shí)的時(shí)間（15s）。開始，555定時(shí)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(shí)，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(shí)間為：T=1.1RC=15s。
這樣就可以以電脈沖信號(hào)發(fā)生代替脈搏跳動(dòng)信號(hào)測(cè)出15 s的每分鐘脈搏數(shù)。
以下是電子脈搏計(jì)在15s時(shí)測(cè)出的數(shù)據(jù)：
圖8——測(cè)試結(jié)果
這個(gè)設(shè)計(jì)的難度是高，一開始看完項(xiàng)目渾然不知，不知道接下來(lái)要做什么，后來(lái)通過慢慢了解555定時(shí)器，以及上網(wǎng)收集資料和翻閱文獻(xiàn)，終于對(duì)555定時(shí)器的引腳功能有所了解。后來(lái)和同組人員日夜兼程，分工合作，這個(gè)過程中困難重重，接錯(cuò)過線，用錯(cuò)過元件。有些元件不在元件庫(kù)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(lái)了，基本達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的要求。
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三三兩兩在離別 發(fā)表于 2020-6-26 13:08
555定時(shí)器那里你用的單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器可以不需要用555施密特觸發(fā)器加個(gè)開關(guān)來(lái)連接，可以直接用555定時(shí)器接成單 ...
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