课程名称：数字电子技术课程设计

题    目：电子脉搏计设计

目录

电子脉搏计设计              3

一、设计任务与要求              3

二、方案设计与论证              3

三、单元电路设计与参数计算              4

四、总电路工作原理及元器件清单              9

五、仿真调试与分析              11

六、 结论与心得              11

七、参考文献              12

电子脉搏计设计

一、设计任务与要求

1． 实现在15 s 内测量1 min的脉搏数；

2． 用数码管将测得的脉搏数用数字的形式显示；

3． 测量误差小于±4次/min。

二、方案设计与论证

脉搏测试仪是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。它是用来测量频率较低的小信号。通过对信号的放大，显示，对身体脉搏进行模拟测试。电子脉搏计分成以下6部分：

1 函数信号发生器——将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号，通过正弦波模拟人体的脉搏跳动。

2 放大整形电路——把传感器的微弱电流，微弱电压放大。

3倍频器——将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将15s内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。

4控制电路——用555定时器以保证在基准时间控制下，使4倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。

5 计数、译码、显示电路——用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。

6 电源电路——按电路要求提供符合要求的直流电源。

方案一、

电路对脉冲进行了4倍频，计数时间也相应地缩短了4倍(15s)，而数码管显示的数字却是1min的脉搏跳动次数。这样当计时为15 s的时候，数码管显示的数据就是一分钟的脉搏数，如需重新计数，只需清零即可。

方案二、

人体的正常脉搏跳动为50-100/min。为了简化电路以及节省元件，故取计数器的计数范围为0-99.让函数信号发生器模拟人体脉搏的跳动，以每个上升沿代表一次脉搏，让计数器记录上升沿的个数，然后左移两位，表示所记数字乘以四，这样我们就可以15 s测量一分钟的上升沿的个数。这样15 s就测量出了一分钟的脉搏数。

方案比较

方案一的电路相对简单，容易实现，而题目的要求误差小于±4次/min，方案一能满足课程设计要求。而方案二测量精度高，但电路比较复杂，要换成BCD码，故障率高，延时比较，且计数不能连续。综上所述，选择方案一。

大致的设计框图1如下：

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2018-9-18 18:18 上传

图1-电路设计框图

三、单元电路设计与参数计算

以下几个模块是构成电子脉搏计的主要功能模块，为更清晰的说明该方案的原理，先分模块介绍如下：

1信号发生

脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为响应的电冲信号。脉搏传感器是脉象检测系统中重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结果的显示。目前典型的脉搏传感器有以下三种：光电类、压阻类和压电类。在这三种当中目前采用最多的是压电型传感器，其工作原理是利用敏感元件直接把压力转变为电信号。

而本次课程设计中是利用函数信号发生器代替脉搏传感器，使用正弦波模拟人体脉搏跳动来测量。

图2—函数信号发生器

2 放大整型电路

放大电路多种多样，本次实验采用比较简单、廉价的运放电路。由一个运放器OP07和两个电阻就组成了符合要求的放大电路。放大倍数可调，本次放大倍数大约为10倍。而整形电路采用了简单一点的与非门进行整形，通过实验可以放大整形正弦电路。RONE、RTWO直接取10K?达到输入阻抗的要求。基于电路模块化设计的理念，信号放大电路有两个引脚：

In，输入引脚，输入传感器的输出；

Out，输出引脚，输出放大后信号。

图3——放大整形电路

3四倍频

由于我们要在15 s内测量1min内的脉搏数，所以我们要对脉搏进行调频。60/15=4,需要四倍频电路。如将15s内函数信号发生器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的简单一点的异或门组成的4倍频电路。此处采用4070BD异或门芯片，通过UTHREEA和UTHREEA构成二倍频电路，UFIVEA和UFIVEA亦构成二倍频电路；两个二倍频串联组成四倍频电路。利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用，当输入由“0”变成“1”或由“1”变成“0”时，都会产生脉冲输出。其中异或门间的RC电路是为了延时，经过测试，当CONE=33uf，CTWO=6.8uf，RTHREE=10k，RFOUR=10k的时候能达到四倍频的要求。电路图如下：

图4——四倍频电路

4 555定时器

555定时器的功能表

表1  555定时器的功能表清零端高触发端TH低触发端Q放电管T功能

0XX0导通直接清零

101X保持上一状态保持上一状态

1101截止置1

1001截止置1

1110导通清零

555定时器主要是为了在实15s内完成测量任务，使单稳态时间长度为15 s。本实验采用555单稳态定时电路。工作原理大概如下：开关打上，RST、VCC都为高电平，由于有CTHREE存在，THR和 TH1为低电平。此时输出为高电平，随着电容的充电，当时间达到15s的时候，电容两端电容为 2/3VCC，THR和THI为2/3VCC，输出为低电平。时间的设计常数为T= 1.1*RC。所以CFOUR取0.01uf，CTHREE取6.8uf，RONE取2MΩ。当要重新计数时，，断开SONE，手动接上STWO，然后断开，把CTHREE两端的电量放掉，再接上SONE。电路如图5所示：

图5—555定时器电路

5数码管显示

这部分电路主要要完成对方波脉冲计数，将计数结果译码显示出来的功能。本设计中采用简单的比较熟悉的74LS160作为计数器，因为它是十进制计数器无需改装，直接使用。因为脉搏测试器中需要上百位的数字。因此，将三片74LS160直接按并行进位方式连接即的千进制计数器。三块芯片的ENP LOAD CLR都为高电平以保证电路的工作。其中第二第三块芯片ENT为高电平，第一块芯片ENT受555定时器的控制。当555定时器输出为低电平时，74LS160输入端接收到的是高电平，开始计数；输出为高电平时，74LS160接收到的是低电平，停止计数(计数结束)。此时显示的就是15s内的脉冲数了。七段数码管与74LS160的连接方式如下：

图6——数码管显示电路

表2 74LS160功能表清零预置使能时钟预置数据输入输出工作模式

RDLDEP  ETCPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0

0

1

1

1

1X

0

1

1

1X   X

X   X

0   X

X   0

1   1X

↑

X

X

↑X  X  X  X

d3d2d1d0

X  X  X  X

X  X  X  X

X  X  X  X0  0  0  0

d3d2d1d0

保持

保持

十进制计数异步清零

同步置数

数据保持

数据保持

加法计数

四、总电路工作原理及元器件清单

1．总原理图

图7—总原理图

2．电路完整工作过程描述(总体工作原理)

打开电源开关，电路各部分开始工作。首先是函数信号发生器发生发出的信号，在放大器的放大整形电路中放大大约10倍，然后经过异或门的四倍频电路，时间缩为一分钟的四分之一，频率变成了原来的四倍；倍频器的主要作用就是为了计数器能在15s内计算出1min钟的脉冲数。脉冲数进入七段数码管计数器，计数开始。来一个脉冲计数器就加一。此时555定时器可以在15s内完成任务，使单稳态的时间长度为15s。15s后，定时器输出端电平翻转，计数器停止工作。显示出脉搏跳动的次数。

元件清单

表3 元件清单元件序号型号主要参数数量备注

CONE/CTWO/CTHREE/CFOUR电容33uF，6.8uF，6.8uF，0.01uF4

RONE/RTWO/RTHREE/RFOUR/RSEVEN电阻10KΩ，100KΩ，10KΩ，10KΩ，2MΩ5

UTEN，UELEVENT74LS160N2

UEIGHT，USEVENDCD_HEX_DIG_BLUE2

SONE，STWO开关2

UTHIRD555 _TIME_RATED1

UONECOMPARATOP_VIRTUAL1

UTHREEA,UFOURA,UFIVEA,USIXA4070BD_10V4

UTWONAND21

VCC6V

XFG1函数信号发生器

五、仿真调试与分析

拟脉搏信号从函数信号发生器发出，经过OP07运放器运放电路，放大10倍后，进入一个延时电容、3个与或门的延时分频。采用4070BD异或门芯片，通过UTHREEa和UTHREEb构成二倍频电路，UFOURa和UFOURb亦构成二倍频电路；两个二倍频串联组成四倍频电路。利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用，当输入由“0”变成“1”或由“1”变成“0”时，都会产生脉冲输出。，倍频后的频率直接送入到74160N解码，解码后就到达七段数码管进行显示。

打开定时器的开关之后，定时的过程实际上就是电容不断充电的过程。电容上的电压从0到2/3Ｖｃｃ这段时间就是我们要定时的时间(15s)。开始，555定时器out端口为高电平，74160N开始工作,此后，电源经外部电阻不断向向 C 充电，当 C 上电压升到＞ 2 /3 V DD 时，THR、TRI两端为2/3Vcc，输出V0 翻转，变为0；74160N停止工作。故74160N工作的时间为：T=1.1RC=15s。

这样就可以以电脉冲信号发生代替脉搏跳动信号测出15 s的每分钟脉搏数。

以下是电子脉搏计在15s时测出的数据：

图8——测试结果结论与心得

这个课程设计的难度是高，一开始看完题目浑然不知，不知道接下来要做什么，后来通过慢慢了解555定时器，以及上网收集资料和翻阅文献，终于对555定时器的引脚功能有所了解。后来和同组人员日夜兼程，分工合作，这个过程中困难重重，接错过线，用错过元件。有些元件不在元件库里面，又要上网找，不过最后整组人员通力合作，最终还是设置出来了，基本达到了实验的要求。

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2018-9-18 17:08 上传

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