電子技術(shù)課程設(shè)計脈搏計設(shè)計

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子技術(shù)課程設(shè)計課程設(shè)計名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計 題 目： 脈搏計設(shè)計 學(xué) 期：2011-2012學(xué)年第2學(xué)期專 業(yè)：電氣工程及其自動化 班 級：電氣10-01 姓 名：李闖 學(xué) 號：1005040107 指導(dǎo)教師：劉桂芬 日 期 : 2012年6月18-26日 遼寧工程技術(shù)大學(xué)課 程 設(shè) 計 成 績 評 定 表評定標準評定指標標準評定合格不合格單元電路及整體設(shè)計方案合理性正確性創(chuàng)新性仿真或?qū)嵺`是否進行仿真或?qū)嵺`技術(shù)指標或性能符合設(shè)計要求有完成結(jié)果設(shè)計報告格式正確內(nèi)容充實語言流暢標準說明：以上三大項指標中，每大項中有兩小 項或三小項合格，視為總成績合格?？偝煽?nèi)掌谀?月 日課程

2、設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目脈搏計的設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)實現(xiàn)在15秒內(nèi)測量1分鐘的脈搏數(shù)，并且顯示其數(shù)字。測量范圍符合事實情況正常人脈搏數(shù)為6080次/分鐘，嬰兒為90100次/分鐘，老人為100150次/分鐘。三、設(shè)計計劃電子技術(shù)課程設(shè)計共1周。第1天：選題，查資料；第2天：方案分析比較，確定設(shè)計方案；第3天：電路原理設(shè)計；第4天：修改設(shè)計；第5天：編寫整理設(shè)計說明書。四、設(shè)計要求1. 畫出整體電路圖。2. 分析實驗結(jié)果，寫出設(shè)計說明書。摘要電子脈搏計是把人體的脈搏數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號，再對轉(zhuǎn)換后的電信號進行放大和整形處理，從而保證其它電路能正常加工和處理的電子設(shè)備。他能在很短的時間內(nèi)，測出經(jīng)放大后的電信號

3、頻率值?？傊}搏計的核心是要對低頻信號在固定的短時間計數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來。因此，脈搏計的主要組成部分是計數(shù)器和數(shù)字顯示器。本次設(shè)計實驗主要任務(wù)是實現(xiàn)在15秒內(nèi)測量1分鐘的脈搏數(shù)，并且顯示其數(shù)字。由于正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘6080次（嬰兒為90140次,老年人則為100150次), 這種頻率信號屬于低頻范疇.因此,脈搏計的用來測量低頻信號的裝置。電路主要涉及信號發(fā)生與采集，包括信號放大電路、濾波電路、整形電路、倍頻電路、計數(shù)譯碼電路和控制信號電路。關(guān)鍵字：脈搏計；計數(shù)器；數(shù)字顯示器目錄1. 設(shè)計思路1 2. 設(shè)計方案2 2.1 選用方案原理方框圖2 3.單元電路的設(shè)計33.1 信號發(fā)

4、生與采集3 3.1.1信號放大電路3 3.1.2濾波電路4 3.1.3信號整形電路4 3.1.4倍頻電路5 3.1.5計數(shù)譯碼電路7 3.1.6控制信號電路8 3.2整體電路圖11 3.3電路工作原理說明11 4.附錄13 4.1主要元器件13 5.心得體會14 6.參考文獻155一、設(shè)計思路正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘6080次（嬰兒為90140次,老年人則為100150次), 這種頻率信號屬于低頻范疇.因此,脈搏計是用來測量低頻信號的裝置,它的基本功能要求應(yīng)該是:1.要把人體的脈搏數(shù)(振動)轉(zhuǎn)換成電信號,這就需要借助傳感器。 2.對轉(zhuǎn)換后的電信號要進行放大和整形處理，以保證其它電路能正常加工和

5、處理。3 .在很短的時間（若干秒）內(nèi)，測出經(jīng)放大后的電信號頻率值。總之，脈搏計的核心是要對低頻信號在固定的短時間計數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來?？梢?，脈搏計的主要組成部分是計數(shù)器和數(shù)字顯示器。二、設(shè)計方案 2.1 選用方案原理方框圖： 信號發(fā)生 與采集 信號放大 整形電路 路倍頻電路 計數(shù)譯 碼顯示 控制時 間信號 圖1：原理框圖三、單元電路的設(shè)計 3.1信號發(fā)生與采集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

6、型傳感器。壓電式傳感器的工作原理是以某種物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)。這些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力的或拉力的作用而發(fā)生變形時，其表面會產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)。而具有這種壓電效應(yīng)的物體稱為壓電材料或壓電元件。常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。3.1.1信號放大電路這部分電路主要完成將5mv的正弦波輸入信號放大1000倍（5v），使其可以驅(qū)動后續(xù)的cmos數(shù)字電路。采用運算放大器lm324構(gòu)成的反相放大電路：在理想條件下有運放的閉環(huán)電壓增益為,輸入電阻為rif=r1。如果對輸入電阻有要求可以先確定r1，再根據(jù)放大倍數(shù)確定r2。為了減小輸入偏置電

7、流引起的運算誤差，在同相輸入端應(yīng)接平衡電阻r3，且r3=r1r2。 圖2：放大電路實際電路中擬采用三級放大，電路圖如圖2所示：參數(shù)選定如下：輸入電阻要求不小于107歐，因而選定r1=10m歐，第一級電路放大10倍，因而r2=100m歐，r3=r1r2=9.1m歐，第二級及第三級放大電路放大倍數(shù)仍為10倍，r5=r8=10k歐，r7=r9=100k歐，r4=r6=9.1k歐。這種電路接線簡潔明了，成本較低，可靠性好。此外，還可以采用同相放大電路，原理與反相放大電路類似，不再敘述。3.1.2濾波電路首先先簡單的介紹一下通頻帶的概念，在模擬電路中，把增益隨頻率升高或降低下降到中頻區(qū)增益的0.707倍

8、時所對應(yīng)的頻率定義為下限頻率fl（在低頻區(qū)）和上限頻率fh（在高頻區(qū)），fh與fl之間的頻率范圍稱之為通頻帶，用表示，即： 在本題目要求本電路的通頻帶是0.05hz200hz，因此需設(shè)計一個濾波電路將頻率高于200hz的高頻信號和頻率低于0.05hz的低頻信號濾掉，這部分電路即實現(xiàn)了這個功能，本部分電路用的是帶通濾波器，是由一個高通濾波器及一個低通濾波器串聯(lián)組合而成，其原理圖如圖3所示： 圖3：濾波電路對于濾波電路，一般來說，有源濾波電路比無源濾波電路的濾波效果要好一些，因此，本設(shè)計方案中采用了有源濾波。其它有源濾波電路原理大同小異，不再一一列舉。參數(shù)選定如下：c1=160f，c2=200f，

9、r1=r2=5，r3=r4=2k。3.1.3信號整形電路在放大部分電路中輸入信號雖然已經(jīng)被放大，電壓也足以滿足后續(xù)電路驅(qū)動之用，但是其波形仍為正弦波，為模擬量，必須將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖之后供數(shù)字部分電路使用，這部分電路即可實現(xiàn)這個功能。采用施密特觸發(fā)器整形電路：施密特觸發(fā)器有多種形式，一種是由555定時器構(gòu)成的，電路如圖4所示 圖4：整形電路還有一種是用cmos門構(gòu)成的，電路圖如圖4所示： 圖5：cmos門組成的整形電路最后一種是集成施密特觸發(fā)器，國產(chǎn)ttl集成施密特觸發(fā)器產(chǎn)品有多種，具體型號不一一列舉，這里只列舉一種：40106bd，與其具有相同功能的國產(chǎn)cmos集成施密特觸發(fā)器是cc40

10、106。電路原理也很簡單，如圖6所示： 圖6：國產(chǎn)cmos集成施密特觸發(fā)器3.1.4倍頻電路由于在設(shè)計中要求在515s內(nèi)完成脈搏每分鐘跳動次數(shù)計數(shù)功能，而在整形電路中，整形后的信號與原信號的頻率是相同的，如果要測其每分鐘脈沖數(shù)，則至少應(yīng)測量一分鐘才可以實現(xiàn)，為了縮短測量時間，必須將整形后的信號的頻率加倍，這樣就可以滿足在短時間內(nèi)完成測量任務(wù)的要求。顯然，若將原信號頻率變?yōu)樵瓉淼膎倍，則測量時間就可以縮短為原來的1/n。因此，若要在5s在完成測量，需將信號頻率加大12倍，倍頻部分應(yīng)采用12倍頻電路，若要在15s內(nèi)完成測量，需將信號頻率加大4倍，倍頻部分應(yīng)采用4倍頻電路。 圖7:倍頻電路原理說明如

11、下：脈搏信號經(jīng)過放大濾波整形之后，從cd4046的14腳輸入，設(shè)原輸入信號的頻率是f0，從4腳輸入一個方波信號經(jīng)過一個分頻器后再從3腳輸入，cd4046內(nèi)部將完成3腳和14腳輸入信號的頻率比較，使3腳的輸入信號與原輸入信號頻率相同為f0，而4腳的輸出信號的頻率f1顯然是3腳信號頻率的n倍（如果右面的分頻器為n進制分頻器，在上述電路中n=4），這樣f1=n f0，從而完成將輸入信號頻率變?yōu)樵瓉淼膎倍的目的。在本次實驗中，需要4倍頻及12倍頻電路兩種，4倍頻電路接線圖如上圖所示，對于12倍頻電路，只需要將右面的74ls161的接線方式改變一下就可以實現(xiàn)，具體電路如圖8所示： 圖8：實際應(yīng)用倍頻電路

12、說明：圖中1線為輸入信號，8線為輸出信號。3.1.5計數(shù)譯碼顯示電路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。對于這部分電路，有很多方案都可以實現(xiàn)這個功能，而且電路都很相似，故不一一列舉，對于計數(shù)器，選擇曾在這個學(xué)期做過的電子技術(shù)實驗中多次用到的十進制計數(shù)器74ls160，對這個芯片比較熟悉；對于譯碼器，由于74ls160輸出的是8421bcd碼，故應(yīng)選擇一個可以將8421bcd碼譯成7段輸出信號以驅(qū)動數(shù)碼管的芯片，cd4511可以滿足這一要求。74ls160的引腳圖及功能表與74ls161類似，而且比較熟悉，不再列出。cd4511的引腳圖如下圖9： 圖9：cd4511

13、的引腳圖引腳功能說明如下：bi：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)bi=0時，數(shù)碼管不顯示任何東西。le：鎖定控制端，當(dāng)le=0時，允許譯碼輸出，le=1時譯碼器處于鎖定保持狀態(tài)。lt：3腳是測試信號的輸入端，當(dāng)bi=1時，lt=0時，數(shù)碼管將全部顯示，這主要用于測試7段數(shù)碼管有沒有物理損壞。a3,a2,a1,a0為8421bcd碼輸入端，高位到低位依次為a3a0。a，b，c，d，e，f，g為譯碼輸出端，輸出高電平有效。這部分的電路原理圖為圖10： 圖10：計數(shù)譯碼電路3.1.6控制信號電路由于在題目中要求在515秒內(nèi)測得實驗結(jié)果，因而需要一個電路來控制整個電路的運行、復(fù)位、自啟動等，這個任務(wù)由本部分電

14、路實現(xiàn)。采用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路原理圖如圖11所示： 圖11：555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路說明：在開關(guān)合上之前，555的3腳輸出端輸出低電平，2腳輸入高電平，合上開關(guān)后，2腳電平變成低電平，同時3腳輸出變?yōu)楦唠娖?，然后再打開開關(guān)，一段時間后，3腳的輸出變?yōu)榈碗娖?。延時的時間為t=in3rc,所以為了實現(xiàn)定時5秒，取c1=10nf，c2=100f，r2=45.5k歐；若要定時15s，取c1=10nf，c1=10nf，c2=100f，r2=136.5k歐。在電路中需要有一個555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來控制計數(shù)器的計數(shù)時間，還需要有一555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來控制其自動復(fù)位清零（如果是

15、手動復(fù)位清零的話，只要將這部分電路用一個開關(guān)來代替就可以了，具體原理在后面有圖12說明），此外如果需要電路自啟動的話，還需要一個555多諧振蕩器來控制兩個555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的啟動（同理，如果只需要手動啟動的話，只需將這部分電路用一個開關(guān)來代替就可以了，原理圖具體見圖13）?？勺詥蛹白詣忧辶汶娐罚涸谙旅娴碾娐分械膮?shù)是在定時5秒（12倍頻時的參數(shù)選擇）。當(dāng)倍頻電路選擇4倍頻時，即定時15秒時，參數(shù)改動如下：r1=67k，r2=240k，c1=c4=c6=100f，c2=c3=c5=10nf，r10=136.5k，r12=147k。 圖12：控制電路上面的555定時器的輸出端接計數(shù)器74ls16

16、0的一個使能端ep（7腳），同時如果要不顯示計數(shù)過程，則將譯碼器cd4511的鎖存端le（5腳）與該端也接到一起，其能夠鎖存的原理為，u9輸出高電平時，計數(shù)器開始計數(shù)，但是cd4511卻被鎖存，即顯示前一時刻的數(shù)字000，當(dāng)輸出有高電平變?yōu)榈碗娖綍r，計數(shù)結(jié)束，74ls160停止計數(shù)，同時cd4511鎖存端變?yōu)榈碗娖剑g碼器開始工作，將計數(shù)器輸出的8421bcd碼譯出顯示。如果要顯示計數(shù)過程，則把cd4511的5腳直接接地即可。u15的輸出端接74ls160的清零端rd（1腳）。手動啟動自動清零電路原理圖： 圖13：手動啟動自動清零電路 這部分電路接線相對簡單，原理清晰明了，缺點是時間基準由555外圍的電阻和電容確定，所產(chǎn)生的時間基準不夠準確，可能會有一定誤差。 3.2整體電路圖： 圖15：總電路圖3.3電路工作原理說明：如上圖的整體電路，信號發(fā)生器發(fā)出正弦波經(jīng)過放大電路放大，然后濾波整形進入計數(shù)譯碼顯示部分電路，計數(shù)譯碼顯示部分電路在時間控制電路的控制下工作。四、附錄4.1主要元器件74ls00d,74ls08d,74ls161d,74ls160,cd4541，cd4046，lm555cm,lm324，lm324ad,cmos門電路，施密特觸發(fā)器，電阻電容若干，直流電源等五.心得體會通過這經(jīng)次課程設(shè)計再次對之前學(xué)的數(shù)電和模電加深了理解，通過網(wǎng)上查閱相關(guān)資