脈搏計設(shè)計課程設(shè)計報告

1、課程設(shè)計報告課題名稱： 數(shù)字脈搏計 學(xué) 院： 電氣與自動化工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 07級電氣1班 作者姓名： 學(xué) 號： 完成時間： 2010年1月5日 一、設(shè)計任務(wù)及要求（1）設(shè)計一個數(shù)字脈搏計，要求用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測人體脈搏每分鐘跳動次數(shù)，測量范圍30160次/min。（2）短時間內(nèi)（515s）測出每分鐘的脈搏跳動次數(shù)，誤差為±4次/min。（3）鎖定每分鐘的脈搏數(shù)，可以有兩種方式，一種為顯示計數(shù)過程，最后鎖定；還有一種是不顯示計數(shù)過程，直接顯示結(jié)果。（4）能夠清零，兩種方法，一種是手動清零，還有一種是自動清零。（5）所有部分電路均要有仿真結(jié)果，仿真中用

2、5p-p的正弦波來模擬人的脈搏信號，實際接線時直接用信號發(fā)生器發(fā)出的5V的方波脈沖作為測試信號，故放大整形濾波電路部分只作仿真即可。（6）對于放大部分電路，要求差模放大倍數(shù)至少1000倍，輸入電阻要求大于107歐，通頻帶為0.05Hz200Hz，測試時還要測出輸入輸出電壓的波形（即整形前后的電壓波形）。二、各單元電路設(shè)計方案比較及參數(shù)確定（1）總方案原理框圖信號放大電 路信號整形電 路倍頻電路計數(shù)譯碼顯 示控制時間信 號（2）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。方案一：采用運(yùn)算放大器lm324構(gòu)成的反相放大電路電路

3、圖如圖2-2-1所示，在理想條件下有Vo=R2/R1*Vi 。運(yùn)放的閉環(huán)電壓增益為Avf=R2/R1，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流引起的運(yùn)算誤差，在同相輸入端應(yīng)接平衡電阻R3，且R3=R1R2。圖2-2-1電路如圖2-1所示，輸入信號由反相端輸入，實際電路中擬采用三級放大，總電路圖如下圖所示：圖2-2-2參數(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=10

4、0k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。方案二：可以先用一級共射級單管放大器將輸入信號先放大100倍，之后再用lm324做第二級放大電路，放大10倍左右，電路原理如下圖所示：圖2-2-3 這個方案接線簡單，成本低，但是對于共射級單管放大器，其輸入電阻為Ri=（Rb+Rp）rbe，其中輸出端交流短路的輸入電阻rbe=200+（1+）VT/IE，其中為三極管的放大倍數(shù)，一般為幾十到幾百，這里取=100，常溫T=300K時，VT=26mV，且上式的適用范圍為0.1mA< IE <5mA，從這

5、些數(shù)據(jù)不難算出rbe的數(shù)量級不會超過104，故輸入電阻Ri也不會大于10k，這顯然不能滿足輸入電阻不小于107歐姆的要求，故這個方案不可采用，最終確定使用第一種方案。（3）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BW表示，即：BW=fHfL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

6、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，其原理圖如下圖所示：圖2-3-1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，R1=R2=5歐，R3=R4=2k歐。（4）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。方案一：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55

7、5定時器構(gòu)成的，電路如下圖所示：圖2-4-1還有一種是用CMOS門構(gòu)成的，電路圖如圖所示：圖2-4-2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：74LS14，與其具有相同功能的國產(chǎn)CMOS集成施密特觸發(fā)器是CC40106。電路原理也很簡單，如下圖所示：圖2-4-3方案二：采用電壓比較器lm339電路 電路原理圖如圖所示：說明：圖中R2為上拉電阻。圖2-4-4這種方案雖然接線不是很復(fù)雜，成本也不高，但調(diào)試不方便，電路穩(wěn)定性不好，波形上升及下降沿不很陡峭，故決定采用第一種方案。（5）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

8、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)樵瓉淼腘倍，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。本次方案設(shè)計將利用CD4046鎖相環(huán)及計數(shù)器構(gòu)成的倍頻電路。電路原理圖如圖所示：圖2-5-1由于multisim10中沒有CD4046，故這部分電路圖是在另外一個仿

9、真軟件protues中繪制的。原理說明如下：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(jìn)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)樵瓉淼腘倍的目的。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

10、電路如下圖所示：圖2-5-2說明：圖中1線為輸入信號，8線為輸出信號。（6）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(jìn)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：

11、圖2-6-1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2-6-2（七）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(yùn)行、復(fù)位、自啟動等，這個任務(wù)由本部分電路實現(xiàn)。方案一：

12、采用CMOS石英晶體多諧振蕩器及分頻器構(gòu)成的時間基準(zhǔn)電路電路原理圖如圖所示：圖2-7-1說明：圖中3后面接42分頻器即可輸出脈寬為1s的方波信號。振蕩頻率由石英晶體自身決定，這里如果取f0=32768Hz，經(jīng)過分頻器（分頻器可由各種進(jìn)制的計數(shù)器實現(xiàn)，比較簡單，不再敘述）分頻，可以得到一系列低頻信號。其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的時間基準(zhǔn)十分精確，誤差小，電路穩(wěn)定，缺點(diǎn)是只能產(chǎn)生頻率為2n的方波信號，在本電路中需要5s及15s的時間信號，因而需要將上述基準(zhǔn)信號進(jìn)行42分頻得到周期為1s的方波信號，然后再通過5進(jìn)制及15進(jìn)制的計數(shù)器得到相應(yīng)的時間控制信號，這樣電路接線極其復(fù)雜，成本高，不易調(diào)試。方案二：采用555

13、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)器電路原理圖如圖所示：圖2-7-2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)榈碗娖健Ｑ訒r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（如果是手動復(fù)位清零的話，只要將這部分電路用一個開關(guān)

14、來代替就可以了，具體原理在后面有圖說明），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，原理圖具體見下）?？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。U9（上面的555定時器）的輸出端接計數(shù)器74LS160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

15、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)U9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?，譯碼器開始工作，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）。圖2-7-3手動啟動自動清零電路原理：圖2-7-4手動啟動及手動清零同樣，參數(shù)選擇不變，圖中開關(guān)J1為啟動開關(guān)，J2為復(fù)位清零開關(guān)，1線接計數(shù)器74LS160的清零端RD（1腳

16、）即可。圖2-7-5這部分電路接線相對簡單，原理清晰明了，缺點(diǎn)是時間基準(zhǔn)由555外圍的電阻和電容確定，所產(chǎn)生的時間基準(zhǔn)不夠準(zhǔn)確，可能會有一定誤差。綜合考慮，采用方案二。三、各單元電路仿真結(jié)果及說明（1）信號放大部分圖3-1-1說明：圖中A通道為原信號，幅值為5mV（為調(diào)試方便，其頻率未按1Hz選取），B通道為濾波后輸出信號，其幅值為5V，實現(xiàn)了放大1000倍的要求。（2）濾波部分圖3-2-1本圖中的縱坐標(biāo)的單位是分貝（dB），根據(jù)通頻帶的定義，增益為-3所對應(yīng)的兩個頻率分別為上限頻率和下限頻率，在本圖中不難看出，上限頻率約為200Hz，下限頻率約為0.04Hz，滿足設(shè)計要求。（3）整形部分圖3

17、-3-1說明：由此圖可以看出，74LS14可以將正弦信號整形成幅值為5V，頻率與正弦信號相同的方波信號，滿足實驗要求。（4）計數(shù)譯碼部分具體見電路原理圖。（5）倍頻部分 本部分電路中電阻及電容參數(shù)選擇是固定的，此外由于所用的仿真軟件multisim10的元件庫中沒有CD4046，故這部分電路的仿真結(jié)果缺失。（6）時間控制部分圖3-6-1說明：上圖中第一條線是555構(gòu)成的多諧振蕩器的輸出波形，其下降沿到來時觸發(fā)555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使555輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?；中間為控制計數(shù)時間的555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出波形，脈寬為5s或15s，上升沿到來時計數(shù)器開始計數(shù)，下降沿到來時計數(shù)器停止計數(shù)；下面為控制

18、復(fù)位清零的555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出波形，其脈寬應(yīng)大于上一個555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈寬，這部分電路的上升沿到來時，使計數(shù)器的清零端變?yōu)楦唠娖?，與上一個555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一起控制計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)上一個555輸出由高變低時，數(shù)字停止跳動，顯示結(jié)果，當(dāng)這個555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的下降沿到來時，計數(shù)器清零，故不難得出，兩個555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖脈寬的差值即為鎖定顯示時間。 當(dāng)兩個555的輸出都變?yōu)榈碗娖綍r，等待多諧振蕩器的下一個觸發(fā)脈沖的到來，從而完成電路的自啟動。四、整機(jī)原理圖及工作原理整機(jī)電路由于太大，詳見附錄一。工作原理前面已有介紹，這里只作簡單介紹。信號發(fā)生器發(fā)出正弦波經(jīng)過放大電路放大，然

19、后濾波整形進(jìn)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。注：實際在實驗室中，放大電路、整形電路及濾波電路均省略，改由信號發(fā)生器發(fā)出的1Hz及2Hz的方波信號代替。五、所用元器件清單由于在實際實驗電路中沒有做放大整形濾波電路部分，故這部分所用器件不列出。(1) 電阻（單位：歐姆） 300×21 1k×2 10k×2 45.5k×1 20k×1 110k×1 63.7k×1 100k×1 1.2M×1 2.2M×1(2) 電容（單位：F） 100×3 0.01&

20、#215;3 10×1 0.68×1(3) 各類芯片 555定時器×3 74LS160×3 74LS161×1 74LS08×1 74LS04×1 74LS00×1 CD4046×1 CD4511×3六、實驗結(jié)果（1）4倍頻時自啟動自動清零時計數(shù)數(shù)據(jù)輸入1Hz、5V方波時6060606060輸入2Hz、5V方波時120120120120120以上數(shù)據(jù)十分理想，誤差顯然為0。（2）4倍頻時手動啟動手動清零時計數(shù)數(shù)據(jù)輸入1Hz、5V方波時6059605861輸入2Hz、5V方波時1221181221

21、17120輸入1Hz方波時，數(shù)據(jù)平均值為59.6次，誤差為0.67%。輸入2Hz方波時，數(shù)據(jù)平均值為119.8次，誤差為0.12%，但是這組數(shù)據(jù)的上下波動幅度比較大，也即方差較大。（3）12倍頻時自啟動自動清零計數(shù)數(shù)據(jù)輸入1Hz、5V方波時6059606061輸入2Hz、5V方波時120120120119120輸入1Hz方波信號時，數(shù)據(jù)平均值為60，誤差為0輸入2Hz方波信號時，數(shù)據(jù)平均值為119.8，誤差為0.12%（4）12倍頻時手動啟動手動清零計數(shù)數(shù)據(jù)輸入1Hz、5V方波時5760586158輸入2Hz、5V方波時117118120122117輸入1Hz方波信號時，數(shù)據(jù)平均值為58.8，

22、誤差為2.0%輸入2Hz方波信號時，數(shù)據(jù)平均值為118.8，誤差為1.0%，同樣，這組數(shù)據(jù)雖然誤差較小，但是數(shù)據(jù)上下波動較大，方差比較大。（5）誤差分析：由以上幾組數(shù)據(jù)不難看出自動啟動自動清零時的數(shù)據(jù)要比手動啟動手動清零時的更加理想，這可能是因為開關(guān)在打開及閉合時觸頭會有振動而導(dǎo)致觸發(fā)脈沖不夠理想所致，而自動啟動及自動清零則不存在這一問題。 而且4倍頻時的數(shù)據(jù)總體要比12倍頻時的更加理想，這是因為4倍頻時計時時間要比12倍頻時的長，數(shù)據(jù)更接近實際。此外，最大的誤差應(yīng)該在于定時電路，在選取電容和電阻時，電容和電阻自身也有一定誤差，而且在對555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行調(diào)試時，不可能使其正好定時為5s及1

23、5s，用于在調(diào)試時沒有一個可以與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器同步計時的計時器，只能通過秒表來測定其定時時間，而人又有一定的反應(yīng)時間，故這部分誤差只可以通過多次調(diào)試盡量減小，但無法消除。總體來看，各組數(shù)據(jù)最大的誤差為-3次，滿足題目要求的不大于±4次/min。七、實驗過程中遇到的問題及解決辦法、實驗總結(jié)整個實驗過程整體比較順利，但也遇到了一些問題，其中最大的一個問題在于調(diào)試CD4046構(gòu)成的倍頻電路時，誤將電路圖中的一個10f的電容看成了10nf，結(jié)果導(dǎo)致在整機(jī)調(diào)試時，數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)的跳動不是連續(xù)的，時快時慢，說明CD4046輸出的脈沖信號不是標(biāo)準(zhǔn)的方波，在查看電路圖之后發(fā)現(xiàn)了這個問題，將10nf的

24、電容換成10f的電解電容之后，問題得以解決。在之前的電路設(shè)計及仿真過程中也遇到了一些問題，基本都是電路軟件使用等問題，尤其有一點(diǎn)值得說明，在multisim10中，由于軟件只能觀測到12s（軟件界面右下角的傳遞函數(shù)所顯示的數(shù)據(jù)就是電路運(yùn)行的時間）的仿真結(jié)果，因此，在軟件中如果要仿真555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如果參數(shù)按照實際選取，即延時5s或者15s，將會很不方便，因而在實際的仿真過程中，在保證電路原理不變的前提下，適當(dāng)?shù)臏p小了參數(shù)值，并且提高了輸入信號的頻率。事實證明，這并不影響實際的實驗，仿真結(jié)果與實際實驗結(jié)果很吻合。通過這次課程設(shè)計，我收獲頗豐，也總結(jié)了一些經(jīng)驗。這次實驗跟以往的電子技術(shù)實驗不同，之前的實驗電路圖都已經(jīng)有了，只要按圖接線就可以了。而這次整個實驗的方案、流程都得自己設(shè)計。總的來說有以下幾點(diǎn)：首先，提前準(zhǔn)備的這個過程很重要，要充分利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)等資源，多找一些方案比較分析一下，找到的電路原理圖不可以直接照搬照抄，一定要搞清楚其具體原理，然