脉搏计课程设计.docx
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脉搏计课程设计
电子电路综合实验报告
学生姓名：
贺杰
学号：
1410404006
专业年级：
2014级通信工程4班
指导教师：
周妮讲师
起止日期：
2016年3月—2016年6月
电气与信息工程学院
2016年6月3日
摘要：
电于脉搏计可以连续台动地测量手术或重危病人的脉搏，也可以用于健康管理，运动员的训练等方面，为提高运用电子技术基本知识进行理论设计、实践创新以及独立工作、团队合作的能力，通过实践制作一个数字频率计，学会合理的利用集成电子器件制作基于数字电路和模拟电路的课程设计与制作。
电子脉搏计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。
1目的与意义
一、目的：
1、掌握组合逻辑电路的工作原理及设计方法。
2、学会安装和调试分立元件与集成电路组成的电子电路小系统。
二、意义
对于医院的危重病人，或者在其他一些特殊场合，需对人的脉搏进行连续检测，本课题即针对这一需求，设计一台简易的电子脉搏计。
1、制作要求
实现在15S内测量1min的脉搏数，并且显示其数字。
正常人脉搏数为60~80次/min婴儿为90~100次/min，老人为100~150次/min。
（只考虑数字部分，即输入波形视为矩形波）
2、制作步骤
（1）拟定测试方案和设计步骤，填写真值表；
（2）根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图；
（3）进行相应的仿真测试；
（4）设计、调试和安装电路并测试；
（5）撰写设计报告。
2方案设计
电子脉搏计是由脉搏计数器和控制时间的定时电路所组成，并且还要在15S内测量出1min的脉搏数。
所以，我们先按要求，分开设计各个功能的电路图，然后再组合连接成一个完整的按要求的电子脉搏计。
方案一：
图3－1 方案一整体框图
正常人脉搏数为60~80次/min，婴儿为90~100次/min，老人为100~150次/min。
为了精准电路，我取计数器的计数范围为0-299。
让信号发生器模拟人体脉搏的产生。
以每个上升沿代表一次脉搏。
让计数器记录上升沿的个数，再左移两位，表示所记数字乘以四。
这样我们就可以15秒钟测量一分钟的个数。
但是这种方案由六位二进制码转换BCD码电路复杂，故障率高，延时较长，且计数不能连续，所以舍弃这种方案。
方案二：
图3－２ 方案二整体框图
在计数器与脉搏产生器之间串联一个四倍频电路。
这样我们在15秒内采集的脉冲个数就可以等效为一分钟的个数，另外再加一个计时控制电路，当计时为15秒时，让计数器停止计数，此时读出的数据就是一分钟的脉搏数。
如需重新记数，只要清零即可。
此种方法能够连续计数，且计数电路结构简单。
故选用第二种方案。
方案二，框图介绍：
以下几个模块是构成电子脉搏计的主要功能模块，为使人们更了解该方案的原理，现将各个模块介绍如下。
1.脉搏模拟电路主要是产生一定频率的脉冲信号，来模拟人体的脉搏经过传感器和波形整形后的输出信号。
该信号直接送给脉搏四倍频电路。
2.四倍频电路的作用是将脉搏模拟信号的频率增加四倍，即让计数器记录的数据为实际值的四倍。
让我们在15s内就可以读出1分钟的脉搏数。
3.时钟产生电路由555构成，主要是为整个电路提供一个基准时钟，让被测者能够对比时间与脉冲个数，来判断脉搏的快慢。
4.计时电路接收时钟信号并计时，当计时到15s的时候，给JK触发器一个有效脉冲，让JK触发器通过与门控制脉搏信号与计数电路的通与断。
5.清零信号主要是为下一次计数做准备。
当需要再一次测量时，只需按下清零信号键，使数据归零。
就可以重新计数。
6.电源主要是为各个模块提供电能，使其正常工作，本设计采用5V直流供电，电源直接从数电实验箱上获得。
3系统硬件设计
电路原理总述：
电路原理如图２－2所示，因为拾取脉搏需要传感器，信号放大器，波形整形电路，为了方便起见，我以频率可调的矩形波模拟脉搏。
经过四倍频，产生需要计数的脉冲。
另一路，由NE555产生周期为1秒的矩形波，并输给计时电路，做为时间基准，控制脉搏脉冲的通与断。
再由脉搏计数器对脉搏进行计数。
通过数码管显示出来。
如需重新测量，只需让各电路清零即可。
此外，各个模块用同一个电源供电。
１．四倍频电路：
原理图如图3－1所示，其工作原理为：
当a点为低电平稳定时，b点为0。
a=b,c=0。
当a由低变高时，第一个异或输出为高。
给电容充电，b点电压逐渐升高，当电压达到异或门的阈值电压2V时，c点为低。
高电平时间由R1，C1的值共同确定。
当a点由高到低时，b点电压不变，且电容开始放电，此时，a=!
b, c点电位为高，直到电容放电致电压小于2V，c点跳变为低。
整个过程组成一个二倍频电路，两个二倍频电路构成一个四倍频电路。
输入与输出波形如图3－2所示。
输入脉搏信号用250HZ的矩形波，T=4ms。
前级二倍频电路的高电平应为2ms。
经计算得：
TW=0.7RC=0.7×6K×0.47uF=1.974ms。
为使上升沿分布均匀，二级倍频电路的高电平应小于1/2TW。
且如果电容过大，则波形可能出现丢步现象。
故我们只需要分布均匀的上升沿即可。
所以：
TW2=0.7RC=0.7×0.23K×0.47uF=0.075ms
四4-1四倍频电路
4
图
图
4-2 四倍频电路输出输入波形比较
２、脉搏计数电路
脉搏计数电路主要用到两个十进制计数器74LS160，该元件功能为：
ENT、ENP为芯片的使能端，当ENT、ENP接高电平时芯片处于工作状态，接低电平时处于休眠状态。
我们将这两端接高电平，使它一直工作。
CLR为清零端，CLR=0，QA～QD输出为0，CLR=1，芯片正常工作。
LOAD为同步置数端，低电平有效，当LOAD为低，且有下降沿来时，A、B、C、D四个数就并行置入，从QA、QB、QC、QD输出。
RCO为进位端。
即由9变为0时，该端出现一个高电平。
在两个芯片级联时，分同步级联与异步级联。
同步级联的方法不仅电路简单，而且功耗较低，因为十位数据显示端只在进位信号来时工作，其余时间不工作，而异步级联十位数据显示端一直工作，经电流表测量，同步电流为0.888uA,异步级联电流为0.972uA,故我采用同步级联的方法。
将个位数据计数器的进位端与十位数据的使能端联接起来，把两个芯片的LOAD与CLR都接高电平，两个CLK端连起来接模拟的脉搏信号输出端XFG1。
这样就组成一个100进制的计数器。
XFG1每来一个上升沿，数码管显示的数字就会加1，这样就可以实现计算脉搏数量这一功能。
其电路联接如图4-3所示：
图4-3脉搏计数电路
３、时钟信号产生电路
时钟信号在电子脉搏计中的作用是产生一个基准时钟，并控制脉搏计数器的工作，作为参考时钟。
时钟电路的原理图如图4-4所示：
图4-4555时钟信号产生电路原理图
该电路是用LM555CN做的一个多谐振荡器。
为了得到占空比为50%的矩形波，在R2上并联一个二极管，当电容充电时，充电回路是VCC-R1-D1-C2-GND，电容放电时，放电回路是C2-R2-DIS-GND。
振荡周期由R1，R2，C2共同决定。
其输出波形如图4-5所示。
产生波形的周期：
（理想状态下）T=0.7（R1+R2） =0.7×（6.8+6.8）×0.1 =1.008ms
F=1/T=1KHZ
图4-5波形产生电路的输出波形（T=0.1ms）
因为仿真软件的记时单位是ms，若以s为单位，则要等很长时间，故我采用1KHZ代替1HZ的时钟信号。
计算过程如上所示。
4、计时控制电路：
计时控制电路如图4-6所示，74LS163是一个十六进制的计数器。
ENT、ENP和A接高电平，使芯片工作，B、C、D接低电平，即当LOAD为低电平时，74LS163置1。
芯片的CLR接R3与开关，组成清零电路。
当开关闭合时，CLR=1，芯片正常计数。
当开关打开，CLR=0芯片清零。
R3为下拉电阻，R3=10K。
RCO为进位信号端，当计数到15时，QA～QD输出高电平，下一个脉冲来时，QA～QD输出为0、0、0、0。
RCO来一个上升沿。
使该上升沿经过一个非门引到LOAD端，即进位时给LOAD一个低电平，使其置数。
这样计数器从1计到15然后返回1。
这样组成一个15进制计数器。
RCO端输出为一个15分频波形。
四个
发光二极管指示计数器所记数值。
R6、R7、R8、R9为四个限流电阻。
根据经验值取300欧姆。
进位信号端RCO每15秒产生一个上升沿，该上升沿给JK触发器，JK触发 器的JK接1，则每来一个上升沿，1Q和～1Q翻转一次。
即1Q输出15s的高电平，然后输出15秒的低电平，时序如图3-7所示。
即控制计数器工作15秒，然后停15秒。
LED5为控制状态指示灯。
LED5亮表示计数器不工作。
LED5不亮则脉搏计工作。
也就是说LED5是一个报警器，我们也可以用一个蜂鸣器代替。
而LED1-4，是为了表示74LS163输出端QA、QB、QC、QD的高低电平。
图4-6 计时控制电路原理图
根据设计要求，本设计的系统硬件框图：
图4-7总原理图
电路完整工作过程描述（总体工作原理）总体框图如图4-7所示，一路由555产生电钟信号，
从3端口输出进入74LS163的CLK端，让163开始计数。
163的进位端RCO接JK触发器的CLK。
让1Q的高低电平每15秒变一次。
清零系统由电源、按键、下拉电阻和地组成。
74LS163的CLR、74LS160的CLR和74LS73的CLR端连在一起并接下拉电阻旁。
当开关闭合，CLR输入一个高电平；当开关断开，CLR端输入一个低电平，系统清零。
另一路为信号处理电路，由波形发生器和四倍频电路组成。
这两路信号通过一个与门电路合并在一起输入计数电路的CLK端。
当1Q处于高电平时，脉搏信号通过与门直接输入计数电路的CLK端。
当1Q为低电平时，与门输出为0，相当于脉搏与计数断开。
脉搏计停止工作。
操作方法：
开机后先使开关断开再闭合，让系统清零。
此时74LS73的1Q端输出为零，计数器不工作，这样做的目的是为了解决倍频电路的丢步问题。
让系统等待15秒，计数器开始工作。
记录15秒后计数停止，数码管显示不变，此时我们就可以读出人体1分钟的脉搏数。
如需重新开始，只要将开关再打开一次然后关闭即可。
3．元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
1
74LS160N
2
十进制计数器
2
74LS163N
1
十六进制计数器
3
74LS73D
1
双JK触发器
4
74LS86N
1
异或门
5
74LS09D
1
与门
6
74LS04N
1
非门
7
LED_red
5
发光二极管
8
DCD_HEX
3
数码管
9
二极管
1
10
电阻
300*5230*16k*110k*16.8k*2
10
11
电容
100nf*20.47uf*2
4
12
LM555CN
1
555定时器
表4-1元件清单
4仿真调试与分析
电路设计好以后，用软件Multisim进行仿真。
在这软件中，由于仿真软件的记时单位是ms，若以s为单位，则要等很长时间，故我采用1KHZ代替1HZ的时钟信号，时间用1ms代替1s。
当仿真开始，右下角的数码管开始显示时间从1至15（秒）循环，用函数发生器输入一个频率为500HZ的矩形波，待一段时间后，关闭开关。
过一会，当显示时间的数码管重新从1开始时，显示脉搏数的数码管也开始从1开始计数。
最后，当显示时间的数码
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