數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) -電子脈搏計(jì)設(shè)計(jì)

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1、xx 學(xué) 院 課程設(shè)計(jì)說明書 全套圖紙加扣 3012250582 課程名稱： 數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目： 電子脈搏計(jì)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： xx 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 日 期： 2

2、0 年 月 日 xx 學(xué) 院 任 務(wù) 書 一．設(shè)計(jì)題目：電子脈搏計(jì)設(shè)計(jì) 二．主要內(nèi)容及安排 脈搏測試儀是用來測量一個(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。它是用來測量頻率較低的小信號(hào)。 (1)實(shí)現(xiàn)在15S內(nèi)測量1min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。 (4)設(shè)計(jì)電路，在時(shí)間允許的情況下要安裝測試，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫出設(shè)計(jì)說明書。 三、安排進(jìn)度 6月12號(hào)：圖書館收集資料 6月14號(hào)：互聯(lián)網(wǎng)收集資料 6月28號(hào)：資料的整理 6月20號(hào)：模

3、擬電子電路初步完成 6月21號(hào)：設(shè)計(jì)報(bào)告初步完成 7月08號(hào)：論題答辯 四、總評(píng)成績 指導(dǎo)教師 學(xué)生簽名 電子脈搏計(jì)設(shè)計(jì) 一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 為更好的運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，加深對(duì)電子電路的掌握，達(dá)到創(chuàng)新的目的。通過實(shí)踐制作一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)，學(xué)會(huì)合理的利用集成電子器件制作電路基于數(shù)字電路和模擬電路的課程設(shè)計(jì)與制作。 簡述了在EDA平臺(tái)上利用硬件描述語言VHDL結(jié)合CPLD/FPGA器件，設(shè)計(jì)了一種數(shù)顯式脈搏測試儀。通過測

4、試和實(shí)際應(yīng)用表明：其性能穩(wěn)定、工作可靠、升級(jí)方便。實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體脈搏的電子測量，并且能通過外界擴(kuò)音器實(shí)現(xiàn)聽診的功能。文章給出了系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)原理，硬件電路及軟件設(shè)計(jì)等。該系統(tǒng)利用脈沖干擾動(dòng)平均值法濾波，在提高精度的同時(shí)也大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，該儀器成本低，可靠性高，操作方便。 電子脈搏計(jì)設(shè)計(jì)：由壓電陶瓷片、三個(gè)2輸入與或門CD4070組成四倍頻器、555集成定時(shí)器、十進(jìn)制集成塊74160N三片、七段數(shù)碼管(DCH-HEX）組成。， 74160N與它配套使用可直接驅(qū)動(dòng)顯示。 脈搏測試儀是用來測量一個(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。它是用來測量頻率較低的小

5、信號(hào)。 要求： (1)實(shí)現(xiàn)在15S內(nèi)測量1min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(shè)計(jì)與論證 方案一 1傳感器 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)。 2 放大整形電路 把傳感器的微弱電流放大，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 用來讀出脈搏數(shù)，并以十進(jìn)制數(shù)的形式

6、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。 上述測量過程中，由于對(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lmin的脈搏跳動(dòng)次數(shù)。用這種方案測量的誤差為±4次／min，測量時(shí)間越短，誤差也就越大。 方案二 該方案是首先測出脈搏跳動(dòng)5次所需的時(shí)間，然后再換算為每分鐘脈搏跳動(dòng)的次數(shù)，這種測量方法的誤差小，可達(dá)±1次／min。此方案的傳感器、放大與整形、計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路等部分與方案I完全相同。 方案的比較： 方案Ⅰ結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但測量精度偏低；方案Ⅱ電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，測量精度較高。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，精度為 ±4次／m

7、in，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)盡量簡化電路，降低成本，故選擇方案Ⅰ。大致框圖如下： 放大整形電路 四倍頻器 信號(hào)發(fā)生 555定時(shí)器 解碼顯示 三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 1．傳感器 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)。 本次課程設(shè)計(jì)中是利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，使用正弦波模擬人體脈搏跳動(dòng)。 函數(shù)信號(hào)發(fā)生

8、器 2．放大與整形 放大電路多種多樣，本次實(shí)驗(yàn)采用比較簡單、廉價(jià)的運(yùn)放電路。由一個(gè)運(yùn)放器和兩個(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。由于整形電路比較復(fù)雜，要想較好的對(duì)脈搏信號(hào)的不規(guī)則性進(jìn)行比較規(guī)則的整形是有一定的難道，初次想到的就是用電壓比較器進(jìn)行整形，但是在模擬軟件種不知道那個(gè)是電壓比較器?！纱嗑陀靡粋€(gè)簡單點(diǎn)的與非門進(jìn)行簡單的整形。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，可以放大，整形正弦電路。 3. 倍頻電路 由于我們要在15s內(nèi)測量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)傳感器所獲得的信號(hào)頻率4倍頻，即可

9、得到對(duì)應(yīng)一分鐘的脈沖數(shù)，從而縮短測量時(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)要求的異或門組成的4倍頻電路。Ｕ９ａ和Ｕ９ｂ構(gòu)成二倍頻電路，Ｕ8ａ和Ｕ8ｂ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。其中電容ｃ是為了延時(shí)，經(jīng)過測試，當(dāng)ｃ1=33uf，c2=3.8uf，R1=10k，R2=10k的時(shí)候能達(dá)到四倍頻的要求。電路圖如下： 4．定時(shí)電路 555定時(shí)器是為了試驗(yàn)在15s內(nèi)完成任務(wù)，使單

10、穩(wěn)態(tài)的時(shí)間長度為15s。所以定時(shí)時(shí)間為15s。本試驗(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，由于有電容c3的存在、THR和THI為低電平。此時(shí)輸出為低電平，隨著電容的充電，當(dāng)時(shí)間達(dá)到15s的時(shí)候，電容兩端電壓為2/3Ｖｃｃ,THR和THI為1/3Ｖｃｃ，此時(shí)輸出變?yōu)榈碗娖健r(shí)間常數(shù)有t=1.1RC可以求得。本次試驗(yàn) C=4.6uF R=3M.左圖分別為電阻兩端電壓曲線和555定時(shí)器的輸出端電平。 555單穩(wěn)態(tài)定時(shí)電路 5．計(jì)數(shù)譯碼顯示 本設(shè)計(jì)中采用簡單的74LS160作為計(jì)數(shù)器，因?yàn)樗鞘M(jìn)制計(jì)數(shù)器無需改裝，

11、直接使用。因?yàn)槊}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(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： 74LS160的功能表 CLK Rd’ LD’ EP ET 工作狀態(tài) X 0 X X

12、 X 置零 向上 1 0 X X 預(yù)置數(shù) X 1 1 0 1 保持 X 1 1 X 0 保持（但C=0） 向上 1 1 1 1 計(jì)數(shù) 4、 總原理及元器件清單電路工作 1、總電路圖： 2、工作原理： 打上電源開關(guān)，電路各部分開始工作。首先是信號(hào)發(fā)生器發(fā)生的信號(hào)，經(jīng)過四倍頻電路，頻率變成了原來的四倍；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。來一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器就加

13、一。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)。 3、元器件清單 元件名稱 類型及參數(shù) 說明 集成塊 Cd4011 一塊 集成塊 Cd4030 與或門一塊 集成塊 74160 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，3塊 集成塊 IN555 555定時(shí)器 電阻 3M/10k/10k/10k/100k 各一個(gè) 電容 33uf/6.8uf/4.6uf/10nf 各一個(gè) 集成塊 DCD-HEX(七段數(shù)碼管) 3塊 函數(shù)發(fā)生器 函數(shù)發(fā)生器（模擬脈搏） 1（400mV 1HZ） 開關(guān) J1 一個(gè) 電源 VCC

14、 直流6V 五、仿真調(diào)試與分析 模擬脈搏信號(hào)從函數(shù)發(fā)生器發(fā)出，經(jīng)過運(yùn)放電路，放大10倍后，進(jìn)入一個(gè)電容、3個(gè)與或門的延時(shí)分頻。倍頻原理在“倍頻電路”那部分已經(jīng)講述清楚了。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。 打上定時(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端口為低電平，經(jīng)過外部的非門之后，變成高電平，74160N C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1/3Ｖｃｃ，輸

15、出 V 0 翻轉(zhuǎn)，變?yōu)?；1經(jīng)過非門變成0，74160N停止工作。故74160N工作的時(shí)間為：T=1.1RC=15s 六、結(jié)論與心得： 總體來說，本次實(shí)驗(yàn)獨(dú)立完成，使我受益匪淺。在摸索該如何設(shè)計(jì)電路使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維，增加了實(shí)際操作能力。我覺得以后更要加強(qiáng)這方面的設(shè)計(jì)，提高自己的能力.我覺得自己的動(dòng)手能力有了很大的提高;自信心也增強(qiáng)了.在課程設(shè)計(jì)中自己動(dòng)腦子解決遇到的問題，書本上的知識(shí)有了用武之地，這鞏固和深化了自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)。這次實(shí)習(xí)恰恰給我們提供了一個(gè)應(yīng)用自己所學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì)，從到圖書館查找資料到對(duì)電路的設(shè)計(jì)對(duì)電路定位的再到最后電路的成型，都對(duì)我所學(xué)的

16、知識(shí)進(jìn)行了檢驗(yàn)?？梢哉f，本次設(shè)計(jì)有苦也有甜。 設(shè)計(jì)思路是最重要的，只要你的設(shè)計(jì)思路是成功的，那你的設(shè)計(jì)已經(jīng)成功了一半。因此我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)前做好充分的準(zhǔn)備。我們要熟練地掌握課本上的知識(shí)，這樣才能對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析解決。 留給我印象最深的是要設(shè)計(jì)一個(gè)成功的電路，必須要有耐心，要有堅(jiān)持的毅力。在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過程中，花費(fèi)時(shí)間最多的是各個(gè)單元電路的連接及電路的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上，如控制電路，基準(zhǔn)時(shí)間電路等。在多種方案的選擇中，我們仔細(xì)比較分析其原理以及可行的原因，最后還是在老師的耐心指導(dǎo)下，使整個(gè)電路可穩(wěn)定工作。 七、參考文獻(xiàn)： [1] 閆石編著.《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）》.北京：高等教育出版社 2006 [2] 崔瑞雪、張?jiān)隽季幹?《電子技術(shù)動(dòng)手實(shí)踐》.北京航空航天大學(xué)出版社 2007 [3] 康華光編著.《電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第四版）》.北京：高等教育出版社 1998 [4]《實(shí)用醫(yī)療保健電子裝置制作》 11