数字脉搏测试仪.docx
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数字脉搏测试仪
目录
第一章概述1
第二章课程设计目的1
第三章设计要求及技术指标1
3.1要求及指标1
第四章总体设计方案1
第五章数字脉搏测试仪工作原理及原理方框图1
5.1工作原理1
5.2原理方框图2
第六章芯片及器件资料介绍2
芯片CD40112
CD45532
CD45114
数码管6
PNP型三极管6
第七章数字脉搏测试仪原理及个人设计模块6
7.1原理分析6
7.2显示模块7
7.3计数与显示的控制8
第八章设计心得与体会9
附录：
电路原理总图10
参考文献：
10
第一章概述
本次课程设计的题目是数字脉搏测试仪，其核心部分主要由四个模块组成--------显示模块、计数模块、整形模块和计时模块。
我们小组四人各自负责一个模块，小组组长我负责显示模块；徐欣负责计数模块；韩宜廷负责整形模块；孙健负责计时模块。
显示模块主要通过CD4511译码器传输译码信息，再通过三极管控制数码管分时显示；计数模块主要CD4553对整形好的矩形脉冲进行计数给译码器输入编码；整形模块主要通过CD4011内部的电阻与电容的搭配将信号进行放大与整形；计时模块主要通过CD4060控制一个六十秒钟的时间信息，从而控制一分钟的计时。
通过这几个模块的结合，脉搏测试仪的整体设计基本完成。
第二章课程设计目的
本次课程设计旨在为了更好的巩固理论知识，将所学的理论知识推广到实践应用当中，加深对电子电路的掌握，达到创新的目的。
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电路。
第三章设计要求及技术指标
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（传感器输出电压一般为几个毫伏）。
3.1要求及指标
1、实现在30~60内秒测量1分钟的脉搏数，并且显示其数字。
正常人脉搏数为60~80次/min，为90~100次/min,老人为100~150次/min.。
2、用传感器将脉搏的跳动转换为电压信号，并加以放大整形和滤波。
3、测试误差不小于2次/min。
4、要求完成的任务：
设计电路，在时间允许的情况下要安装测试，分析实验结果，写出设计说明书。
第四章总体设计方案
把脉搏信号转换为电信号，在单位时间内进行记数，并用数字显示其记数值，从而直接得到每分钟的脉搏数。
为了使脉搏计轻巧而便宜，通常采用这种比较直观、效率较高的方案。
第五章数字脉搏测试仪工作原理及原理方框图
5.1工作原理
此数字脉搏测试仪使用传感器将拾取的脉搏跳动信号转换成电信号，经信号放大电路进行放大后，送到计数显示电路。
计时电路进行计时，一分钟到了，计数器停止计时，这时数码管显示的就是一分钟内脉搏跳动的次数。
5.2原理方框图
图1
第六章芯片及器件资料介绍
芯片CD4011
图2
1脚：
第一组数据输入端；6脚：
第二组数据输入端；11脚：
第四组数据输出端；
2脚：
第一组数据输入端；7脚：
接地；12脚：
第四组数据输入端；
3脚：
第一组数据输出端；8脚:
第三组数据输入端；13脚：
第四组数据输入端；
4脚:
第二组数据输出端；9脚：
第三组数据输入端；14脚：
正电源。
5脚：
第二组数据输入端；10脚：
第三组数据输出端；
CD4553
CD4553也称为MC14553b。
CD4553计数器只有一组三位BCD码输出，通过分时控制可形成三位十进制数字显示。
采用16脚双列直插式封装。
CD4553电路由三个同步级联的下降沿触发的BCD计数器（个位、十位、百位）、三个锁存器、分配锁存器数据的多路转换器、输入整形电路、时序扫描电路及振荡电路等部分组成。
图3
1脚：
数据选择输出端；6脚：
BCD码输出端；11脚：
时钟输入控制端；16脚：
电源。
2脚：
数据选择输出端；7脚：
BCD码输出端；12脚：
时钟输入端；
3脚：
外接电容管脚1；8脚：
接地；13脚：
复位端；
4脚：
外接电容管脚2；9脚：
BCD码输出端；14脚：
数据溢出端；
5脚：
BCD码输出端；10脚：
锁存控制器；15脚：
数据选择输出端；
表1CD4553的真值表
从真值表可以看出，计数情况只有两种：
一种是在RESET、DISBALE、LE为低电平，这时如果在CLOCK端子输入计数脉冲，在脉冲的下降沿到来时，芯片的输出将作加法计数。
第二种情况是在RESET、LE为低电平，CLOCK为高电平时，这时如果在DISABLE端子输入计数脉冲，在脉冲的上升沿到来时，芯片的输出将作加法计数。
此外，计数器锁存数据也有两种情况：
一种是RESET为低电平时，这时如果LE端子有上升沿，此时计数器将把计数锁存起来。
另外一种是RESET为低电平时，如果LE为高电平，此时计数器将把数据锁存起来。
图4
从图4可以看出，当扫描振荡器的扫描频率一定时（扫描频率的改变可以通过改变外接电容值的大小），个位、十位、百位扫描周期分时段显示。
CD4511
CD4511B是一个BCD-七段锁存译码器/驱动器。
说多谐振荡器和计数器是这个设计的核心部分,那么这个译码器就是担当着一座桥梁,因为通过译码器译码后,才能在LED数码管看到数据。
CD4511B通过读取计数器内的数据再通过BCD码转换,再将转换好的数据通过LED数码管显示出来。
本套设计最后能否成功，就是通过这个芯片能否顺利译码传输显示出来。
图7就是CD4511B这块芯片的引脚分布图。
图7
图8
在图7中，ABCD是输入端。
输入的数据为8421BCD码。
输入的8421BCD码经过锁存器锁存后再进行解码成符合数码管显示的数据。
再经过驱动器驱动数码管，从而最终显示出数据。
表3是CD4511B的真值表。
从表中可见：
当LE、BI、LT分别为0、1、1时候，若DCBA为0000，这时a、b、c、d、e、f、g分别为1、1、1、1、1、1、0。
经过启动器后显示的是数字0。
同样，若DCBA为0001，这时a、b、c、d、e、f、g分别为0、1、1、0、0、0、0。
经过启动器后显示的是数字1。
其余与此相同。
表2
8421BCD码是十位二进制码,也就是将十进制的数字转化为二进制,但是和普通的转化有一点不同,每一个十进制的数字0～9都对应着一个四位的二进制码,对应关系如下:
十进制0对应二进制0000,1对应二进制0001,2对应二进制0010……9对应二进制1001接下来10就有两个上述的码来表示10表示为00010000也就是BCD码。
遇见1001就会产生进位,不象普通的二进制码,到1111才产生进位10000。
表3
十进制数
8421BCD码
0
0000
1
0001
2
0010
3
0011
4
0100
5
0101
6
0110
7
0111
8
1000
9
1001
数码管
本设计提供的为LED数码管。
LED数码管也称半导体数码管，它是以发光二极管作笔段并按共阴极方式连接后封装而成的。
a～g是7个笔段电极，DP为小数点。
在设计中，采用的是共阴极的LED数码管。
图9
PNP型三极管
此三极管与平常书本中涉及到的三极管有所区别，最大的区别就是多数载流子的不同，PNP是两边是P型材料，中间夹着N型材料，。
在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的pn结，组成一个PNP结构。
中间的N区叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极b、发射极e和集电极c。
当基极为低电平时导通，基极为高电平时截止。
在此电路中PNP的作用主要是通过导通与截止控制分时显示，因为此数码管都是共阴极的数码管，所以当1、2、15输出一个低电平、两个高电平时，低电平的那个三极管导通之后，数码管就直接地，此时数码管就能亮；两个高电平的三极管因为截止后，数码管接的是高电平，所以在此短暂的时间里就不会显示，等下一个扫描脉冲过来时再改变。
图10
第七章数字脉搏测试仪原理及个人设计模块
7.1原理分析
数字脉搏测试仪电原理图如下图所示。
压电陶瓷片HTD-27将拾取的脉搏跳动信号转换成电信号，经CD4011B组成的四级线性放大器放大后，送到由CD4553和CD4511组成的计数显示电路。
CD4553内部输入端设置了脉冲整形电路，所以对脉冲沿无甚特殊要求。
它只有一组BCD码输出，但通过内部分时控制可形成三位十进制数字显示。
CD4511是译码器，其输出驱动三位LED共阴数码管。
BG1、BG2、BG3分别由CD4553的15、1、2脚控制实现三位数码管的分时显示。
CD4060组成计数闸门设定电路，R5、R6、C6与其内部电路组成振荡器，振荡器信号经内部213次分频后，由2脚输出延时60秒的正脉冲加到CD4553的11脚关闭闸门。
使用时，用手表带或松紧带将压电陶瓷片压在手腕的挠动脉处，注意一定要压紧。
在合上开关K1后即按一下复位开关K2，使CD4060和CD4553清零，这时计数闸门打开，脉搏信号由CD4553进行计数。
1分钟后，CD4060输出一高电平，使计数闸门关闭。
这时数码管显示的数字即为每分钟的脉搏数。
图11
7.2显示模块
在数字脉搏测试仪电路中（右图），显示模块包括芯片CD4511、片选三极管和数码管。
CD4511中的a,b,c,d,e,f,g七个管脚分别与数码管的a,b,c,d,e,f,g七个管脚相接，将CD4553传递给CD4511的数据输送给数码管显示。
三个数码管分别与CD4553的1脚，2脚，15脚相连。
三个数码管一次只导通一个管脚已实现片选，使得其中一个数码管有显示。
高电平（即1）时，数码管无显示；低电平（即0）时，数码管显示。
也就是说，三个数码管同时只有一个低电平输入，两个高电平输入，同一时间只有一个是亮的。
前面介绍过CD4553的芯片内部有一个扫描脉冲发生器，通过这个脉冲发生器控制1、2、15管脚的电平输出，在一个脉冲周期内只有一个端口是低电平输出，然后三个周期过后就是1、2、15三个管脚的每一个低电平轮流输出，因为此脉冲发生器的发生频率特别大，变换周期特别短，由于它们的变化速度很快，肉眼无法识别，故看似同时显示。
显示电路分为静态显示和动态（扫描）显示。
所谓静态显示，就是显示电路具有输出锁存功能，只要将所要显示的数据送出后就不再管，直到下次显示数据需要更新时再传送一次新数据。
动态显示，则要求对显示器件进行数据刷新，使显示数据有闪烁感。
由于本电路设计的是测试一分钟内脉搏跳动的测试，因此显示电路采用的是动态显示。
图12
7.3计数与显示的控制
图13
在前面介绍过，CD4553是BCD—7段锁存译码驱动器,分时控制可形成三位十进制数字显示。
三个同步级连的下降沿触发的BCD计数器（个位、十位、百位）、三个锁存器,由1,2和15脚数据选择输出端控制。
即作为分时输出同步控制信号端，从而形成动态显示方式，低电平有效。
在任一时刻，1，2，15脚只有一个是低电平，并作周期循环，形成一个三位时序信号。
三脚分别外接BG1、BG2、BG3三个PNP三极管。
通过三极管的放大，分时控制数码管。
由于CD4553内部有整形电路。
压电陶瓷式传感器在CD4011与电阻、电容的配合下，将凌乱的信号输入CD4553整形。
13脚复位端与CD4060进行一分钟限时计数。
3、4脚外接定时电容。
作芯片内部扫描振荡器的内部时钟。
CD4553的9、7、6、5脚为BCD码输出端。
通过这四个管脚将数据输入CD4511。
以求达到显示的目的。
第八章设计心得与体会
心得：
本次设计显示模块由我来设计控制，在显示模块设计中要通过关联译码器CD4511、由三个同步级联的下降沿触发的BCD计数器（个位、十位、百位）、三个锁存器、分配锁存器数据的多路转换器、输入整形电路、时序扫描电路及振荡电路等部分组成的多功能CD4553和PNP三极管的分时控制部分组成，在此设计中的难点主要有：
1、根据CD4533的1、2、15管脚的输出电平关系选择一个能在低电平输入的情况下，通过控制数码管的共阴极部分，从而实现片选、分时控制的功能。
2、CD4553通过输入的脉冲信号经过整形后进行计数再通过编码输出到一个译码器芯片CD4511，此译码器通过与CD4553的结合控制快速显示。
体会：
总体来说，本次总的课程设计由我们小组四人共同完成，使我们受益匪浅。
各个人分做部分模块，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我们的设计思维，增加了实际操作能力。
我觉得以后更要加强这方面的设计，提高自己的能力.我觉得自己的动手能力有了很大的提高;自信心也增强了.在课程设计中自己动脑子解决遇到的问题，书本上的知识有了用武之地，这巩固和深化了自己的知识结构。
这次课设恰恰给我提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆、网上查找资料到对电路的设计对电路定位的再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。
可以说，本次设计有苦也有甜。
设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。
因此我们应该在设计前做好充分的准备。
我们要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。
留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。
这次的设计更让我们懂得了如何去团结起来，发挥集体的力量，共同设计、讨论、查错、分析到最后定型，这个过程让我们对所学知识有了更形象的认识、更深的理解。
从实践中掌握到了很多经验，能力得到了极大的提升。
附录：
电路原理总图
图14
参考文献：
[1]余孟尝《数字电子技术简明教程》高等教育出版社2006年7月第三版
[2]标准数字电路4000CMOS全系列数据手册
[3]电子资源网
[4]谢志萍《传感器与检测技术》北京：
电子工业出版社2005年
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