電子電工技術課程設計報告書

1、任務書（一）電路組成和工作原理（二）技術要求1. 應用數字電路實現在一分鐘或半分鐘測量脈搏數，并顯示2. 測量誤差 2 次 /min3. 正常人脈搏為（ 60-80 ）次 /min ，老年人為（ 100-150）次 /min ，如出現心律不齊，要有所顯示4. 功能耗要低，體積小，重量輕（三）設計容和要求1. 用壓電瓷片作為脈搏傳感器，用 LED數碼管顯示2. 確定設計方案，畫出組成方框圖，簡述每部分功能和基本實現方法3. 進行單元電路分析，選擇合適的邏輯部分，采用動感掃描顯示4. 進行必要的計算，以確定主要元件參數值5. 繪制完整的原理圖6. 組裝電路并進行實驗調試，說明調試步驟和基本原理7.

2、 對設計電路進行討論，提出改進意見，簡要進行誤差分析目錄一任務書2二概述4三電路組成和工作原理5四電路設計與計算17（一）放大整形電路17（二）設計計數器電路8（三）譯碼和顯示電路12（四）時基信號產生電路15（五）心律監(jiān)測電路17五調試方法21（一）總體觀察21（二）檢查放大電路22（三）計數器和譯碼顯示電路的調試22（四）時基電路的調試22（五）漏夫脈沖檢出電路的調試23六脈搏測試儀的使用方法23七所用儀器設備和元件24八參考文獻25九總結26一. 概述脈搏測試儀是用來測量人體心臟跳動頻率的有效工具，心臟跳動頻率通常用每分鐘心臟跳動的次數來表示。采用脈搏計測量心臟跳動頻率， 不但精確，而且

3、使用方便， 顯示結果也十分醒目。（一）分析設計課題要求正常人的脈搏次數是每分鐘 60-80 次（嬰兒 90-140 次，老年人為 50-150 次），這種頻率屬于低頻疇。因此，脈搏計是用來測試低頻信號的裝置，它的基本功能要求應該是：1. 要把人體的脈搏（振動）轉換成電信號，這就要借助傳感器2. 對轉換后的電信號要進行放大和整形等處理， 以保證其它電路能正常加工和處理3. 在很短的時間里（若干秒） ，測出經放大后的電信號頻率值總之，脈搏計的核心是要對低頻電脈沖信號在固定的短時間計數， 最后以數字形式顯示出來。（二）確定總體方案把轉換為電信號的脈搏信號，在單位時間進行計數，冰用數字顯示其計數值，從

4、而直接得到每分鐘的脈搏數，這種方案比較直觀，所需電路結構簡單。這種方案的方框圖如圖：傳感器放 大 與計數器顯示器整形譯碼器心 律 監(jiān)時基信號測發(fā)生器方框圖中各部分的作用是：1. 傳感器：將脈搏轉換成相應的電脈沖信號2. 放大電路：對微小電脈沖信號進行放大3. 時基產生電路：產生固定時間（ 1 分鐘或半分鐘）的控制信號，作為計數器的門控信號，使計數器只有在此期間才進行計數4. 計數、譯碼、顯示電路，在門控信號作用期間，對電脈沖信號進行計數，并經顯示譯碼器譯碼，再由數碼器顯示計數值5. 心律監(jiān)測電路，如出現心律不齊時，應有所顯示三電路組成和工作原理（一）傳感器為了把脈搏轉換成電信號，應采用壓電式傳

5、感器，它有兩種基本類型：石英晶體和壓電瓷。目前更多使用的是壓電瓷， 它在性能上，能滿足脈搏計的要求，而且成本低（二）放大電路通常用運算放大器，但在數字電路系統(tǒng)中也常用非門來構成線性放大器，如圖所示，使門電路工作在線性區(qū)，它就有電壓放大能力。圖中門電路的輸出，輸入所接的反饋電阻是為其工作在線性區(qū)而設置的門電路構成的放大電路， 具有功能小，穩(wěn)定性高和成本低等的優(yōu)點，它的缺點是輸出阻抗高和上限頻率低（三）時基信號產生電路為了得到頻率較低， 脈沖寬度一定的時基信號， 通常用振篩加分頻的方法，先用振篩器產生高頻脈沖，然后經數次分頻得到所要求的信號。 CC4060 部同時包含振篩和分頻部分電路。（四 )

6、計數器：計數器最好選用有選通脈沖輸出控制的計數器（五 ) 心律監(jiān)測電路： 用 555 定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與 Rs觸發(fā)器和一個 LED 發(fā)光二極管組成， 心律不正常是指脈搏中間出現停跳的狀態(tài)， 即在連續(xù)的脈搏電信號中出現脈沖失落現象，通?？刹捎寐┦}沖檢出電路來進行監(jiān)測。四電路的設計與計算（一）放大與整形電路這部分電路如圖所示。其中非門 G1和 G2構成兩級放大器， 555 斯密特完成整形功能， 為了使 G1和 G2非門處于傳輸特性的線性區(qū)， 應適當選取反饋電阻 R1的阻值。其阻值不能太小， 否則非門的輸出與輸入間的信號直接饋通，一般 R1 值應比非門的輸出電阻 R0大兩個數量級（非門 R

7、0=815K ), 但 R1的值也不能太大，否則使工作穩(wěn)定性變差，甚至有可能偏離出線性區(qū)。為此，R1值應比非門的輸入電阻10R1 小 12 個數量級（ R1=10 ), 所以 R1=110m, 可選為 5.1m， 22m等值，由非門構成的放大電路，其放大倍數約為20 倍，一般是不可調的，如放大倍數不夠，可采用多級放大器級聯起來增大放大倍數，用555 定時器構成施密特觸發(fā)器進行整形， R 無效（高電平）且 C-V 不外接電壓，所以當 U1 2/3EC 時 555 被置 0， UOUT輸出低電平， UI 1/3EC 時 ,555 被置 1,UOut 輸出高電平，其傳輸特性有回差，通?；夭钤酱螅娐?/p>

8、抗干擾能力也越強，回差的抗干擾作用可用圖10.5 說明。（二）計數器電路計數器是脈搏測量儀的重要組成部分，電路采用74LS160作為計數器74LS160的特點：1. 有幾種功能：計數允許、計數清零、置位等2. 同步十進制計數器（加法）74LS160管腳排列如圖功能表見表現在簡要說明這些管腳的功能（1）CP(腳 2）：為計數脈沖輸入端（2）S1, S2( 腳 7. 腳 10) 為計數允許控制端，當 S1,S 2 為“ 1”時，計數脈沖由 CP 端進入計數器，而當 S1,S 2 為“ 0”時，禁止計數脈沖輸入計數器，計數器保持禁止前的最后計數狀態(tài)（3）Rd（腳 1）為復零端， R=0時計數器輸出（

9、 190 193）全為 D（4）LD( 引腳 9）：為置位端， LD=1 時計數器輸出預值數（ 190193）（5）C(腳 15）進位端，當 C=1時，計數器產生進位采用 74LS160作為計數器主要有以下幾個理由：（ 1）可以用 S1 ,S 2 端作為計數的一分鐘允許端（ 2）計數輸出為 BCD碼，便于譯碼顯示（ 3）可以通過三個 74LS160來實現功能的要求74LS160功能表輸入輸出CP LD RD S1 S2QXXOXXO 01XX預置數 1111計數X110X保持X11X0保持實現計數的功能：用三個 74LS160來完成計數功能， 將 3 個計數器為個位、十位、百位、三個位數，將整

10、形后的輸入脈搏電信號輸入到計數器個位的CD端，來計八個數的數，將個位計數器的進位端 C 與十位計數器的 CP相連來實現十位的計數，將十位的計數進位端 C 與百位計數器 CP相連實現百位的計數，將 S,S 與振篩器輸出相連來控制計數器的工作時間， 保證當一分鐘到時計數器停止工作， 然后通過 Rd將計數器制 0，以便下次使用，連接如圖（b）所示。（三）譯碼和顯示電路譯碼器的功能是計數器74LS160輸出的計數結果為 （BCD)碼，轉換成七段字形碼，以驅動數碼管實現數字變成符號的顯示。CC4511 是常用的 BCD 碼七段顯示譯碼器，它的管腳圖如下：Ain Din ：BCD碼輸入端ag：七段譯碼輸出

11、LT: 燈測試端BI: 熄滅測試端 LE: 鎖定允許端它本身由譯碼器和輸出緩沖器組成，具有鎖存譯碼和驅動等功能，其輸出量達電流可達 25mA，可直接驅動共陰極 LED數碼管。CC4511 的邏輯電路方框圖和引出端圖分別第二章介紹過，這里不再累贅。計數器使用 74LS160三個計數器級聯， 所以要用三個譯碼器來實現個，十，百位的譯碼，將個位，計數器的四個輸出端與個位的譯碼器輸入端相連實現譯碼個位。同理，也可以實現個位和百位的譯碼連接方法如圖數碼管限流電阻值需根據數碼管電流的允許值進行計算， 若把電路中的某位顯示電路單獨畫出來如圖所示，限流電阻 R1 R7 可按下式進行計算：R1R7 =(VOH-

12、V D)/IS式中 VOH為 CC4511輸出高電平（ VDD),VD為 LED正向工作電壓（約為 1.5 2V),I S為數碼管筆段電流（約為510mA)圖某位顯示電路（四）時基信號產生電路時基電路應產生一個方波定時脈沖，用來控制計數器74LS160 的計數允許端 S1,S 2 以便使計數器在定時脈沖寬度所固定的時間進行時脈搏脈沖計數，固定時間為一分鐘，為了得到定時的脈沖信號（計數器的門控信號） ，采用振篩。分頻的方法 , 在參考電路中，選用了 CC4060組件來完成這些功能。CC4060是一個 14 位二進制串行計數器（分頻器） ，但是它部除了 14 個 T 型觸發(fā)器（組成 14 位計數器

13、）外，還包含一個振篩器，只要在 CP1,CP0,C PO 端外接電阻和電容，就可以構成 RC 振篩器，有關電路已在第三章討論過了。為了得到 60 秒脈寬的定時信號， RC振篩器的輸出脈沖需經 214 次分頻得到，該單元電路如圖所示，則 RC振篩器脈沖的頻率 f 0 約為：F 0=214/ （60×2)=136Hz圖秒定時電路當 CC4060接成 RC振篩器時，其振篩頻率為f 0 與 RC之間有以下近似關系：F0=1/2.2R TC阻 RT 的值小于 1K, 電容 CT應大于或等于 100PF,一般可全選定容器 G容量，再根據上式可估算出電阻 RI 的值。阻 RS 是為了改善振篩器穩(wěn)定

14、性，減少由于器件的參數的差異，而引起振篩周期的變化可大為減小。為了得到準確的振篩頻率值，實際上R1 和 RS 均采用電位器，以便調整。( 五）心律監(jiān)測電路圖所示電路，不僅可以測出人的心臟每分鐘跳動次數， 還能夠指示出心律是否正常，心律不正常（心律不齊）是指脈搏中間出現停跳狀態(tài)，即在連續(xù)的脈搏電信號中出現脈搏失落的現象， 通?？刹捎寐┦}沖檢出電路來進行監(jiān)測電路如圖所示。圖心律監(jiān)測電路圖漏夫脈沖檢出電路的核心部分是由555 定時器所組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。此外，在外接電容 C 的兩端并入了一個三極管T.在沒有加入觸發(fā)脈沖前，電路處于穩(wěn)態(tài)，輸出端（ 555 定時器引腳 3）為低電平， U0=0. 當輸

15、入端（ 555 定時器引腳 7）的觸發(fā)脈沖下降沿到達后，電路進入暫穩(wěn)態(tài)輸出端為高電平， U0=1. 而后電源電壓 UCC通過電子 R 開始向電容 C 沖電，當充電至 VC=2/3VCC時，電路返回到穩(wěn)態(tài)，輸出端重新回到低電平， U0=0，這個穩(wěn)態(tài)一直維持到下一個觸發(fā)脈沖的下降沿到達時為止。 暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間只取決于外接電阻 R 和電容 C 的大小， t 10=1,1RC, 單穩(wěn)態(tài)電路的工作波形如圖：圖單穩(wěn)態(tài)電路的工作波形漏失脈沖檢出電路的基本原理是使電路在沒有漏失脈沖時，電容 C 充電值始終達不到 UC=2/3VCC，則輸出端將一直維持高電平，但是，當有漏失脈沖時，電容C充電時間加長，可使電容C

16、 充電值達到2/3V CC, 于是電路由暫穩(wěn)態(tài)返回穩(wěn)態(tài)，輸出端變?yōu)榈碗娖健?在下一個觸發(fā)脈沖下降沿達到時， 輸出端又變?yōu)楦唠娖剑?結果在漏失脈沖狀態(tài)下， 輸出端產生一負脈沖， 它可作為有漏失脈沖的標志信號。 現結合圖所示電路和工作波形圖（見圖）進行說明。圖漏失脈沖檢出電路圖假設單穩(wěn)電路開始時U0=1，本來電容 C 應通過電阻 R 被電源電壓 VCC充電，但此時 Ui 為低電平，晶體管 T 飽和導通，則 C 端電壓 UC 將近似為 0，只有在 t ，時刻后，由于 UI 為高電平，晶體管 T 截至，電容 C 才開始充電， UC 將近似線性增加。當到達 t 2 時刻，電容 C 充電電壓尚未達到 2/

17、3VCC，而觸發(fā)脈沖 UI 的下降沿出現了，在此后的 t 2t 3 期間。電容 C很快放電，這樣輸出端電壓 U0 仍保持原來的高電平。在 t 3 時刻 C 又充電，未沖到 2/3VCC 時， UI 又產生下降沿（ t 4 時刻），C 很快放電，······可見有漏失脈沖時，輸出端 U0 就會出現一個負脈沖，它就是檢出漏失脈沖的標志信號。圖中的兩個與非門組成 Rs 觸發(fā)器，用來記憶漏失狀態(tài)。當有漏失脈沖時， U0 出現負脈沖，于是 LED被點亮，以告測試者。為了能檢出漏失脈沖，應適當調節(jié)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度t 10=1.1Rc，使其

18、稍大于輸入脈沖的周期。由于正常人的心脈速度為60120 次 /min ，其周期為 10.5s ，則要求 1.1Rc>（ 0.5 1）s。電容 C的取值圍為幾百皮法到幾十微法，而電阻 R 應該采用電位器，以便于調整。五調試方法在試驗箱面包板上插接或在 EP刷電路板上焊入各元件，經認真檢查無誤后即可開始調試。（一）總體觀察以低頻可調頻率脈沖發(fā)生器的輸出信號當作脈搏傳感器的輸出信號，接通電源開關 S2，如顯示器顯示正規(guī)則數字， 表明電路基本工作正常， 而后按下清零按鈕 S1，對計數器和定時器清零， 則顯示的計數值應不斷增加， 進一步說明電路的工作是正常的，否則要進行逐級檢查。（二）檢查放大電路

19、仍用脈沖信號發(fā)生器做輸入信號源， 用脈沖示波器觀測放大電路和整形電路輸出端電壓波形， 正常情況下應有 100 倍以上的放大， 整形電路輸出的電壓波形應理想，否則可改動一下整形電路外接電阻值。如果電壓放大倍數較小， 可改換兩個另外的非門， 或者再加一， 兩級電壓放大器。（三）計數譯碼和顯示電路的調試用低頻脈沖信號發(fā)生器的輸出信號做為計數器的輸入，從 LED數碼管上讀取數字，觀察個，十，百位計數器是否都能完成逢十進一的功能。然后按下清零鈕 R，使兩個計數器均清零，重新開始計數，則數碼管應反映這一狀態(tài)。（四）時基信號電路的調試定時電路 CC4060的振篩頻率應為 136Hz?？捎妹}沖示波器觀測 CC

20、4060的 9 腳振篩波形，并調節(jié) 10 腳和 11 腳所接電位器 RW1和 RW2，使振篩頻率為要求值，然后用示波器觀測 CC4060的 Q14 輸出波形，它應完成 214=16384 次分頻，即其周期為 1/136X16384 13 秒。此時，再以低頻脈沖發(fā)生器的輸出做為計數器 74LS160 的計數脈沖，按清零鈕 R，使計數器和定時器同時清零， 用秒表記下此時的時間，隨著計數脈沖的輸入，數碼管計數值不斷增加， 當計數值停止增加而穩(wěn)定不動時，記下此時的時間。（五）漏失脈沖檢出電路的調試用低頻脈沖發(fā)生器輸出的脈沖信號，做為漏失脈沖檢出電路的輸入信號，調節(jié)檢出電路中的三極管，在輸入信號頻率為12Hz 時，發(fā)光二極管不亮。去掉脈沖信號源，用移位寄存器產生一個串行序列信號1101······加至晶體三極管的基極，再用雙蹤脈沖示波器觀察基極金和555 定時器引腳 3 的波形，此時有輸入漏失脈沖，同時發(fā)光二極管亮。六脈搏測試儀的使用方法可用 9V 疊層電池作為電源，也可以使用穩(wěn)壓電源。用松緊帶將壓電瓷片緊壓手腕的脈搏處，而后接通電源開關（ S2), 顯示器