名稱： 數字電子技術設計
題 目： 電子脈搏計設計
目錄
電子脈搏計設計 3
一、設計任務與要求 3
二、方案設計與論證 3
三、單元電路設計與參數計算 4
四、總電路工作原理及元器件清單 9
五、仿真調試與分析 11
六、 結論與心得 11
七、參考文獻 12
電子脈搏計設計
一、設計任務與要求
1． 實現在15 s 內測量1 min的脈搏數；
2． 用數碼管將測得的脈搏數用數字的形式顯示；
3． 測量誤差小于±4次/min。
二、方案設計與論證
脈搏測試儀是用來測量一個人心臟跳動次數的電子儀器，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。通過對信號的放大，顯示，對身體脈搏進行模擬測試。電子脈搏計分成以下6部分：
1 函數信號發生器——將脈搏跳動信號轉換為與此相對應的電脈沖信號，通過正弦波模擬人體的脈搏跳動。
2 放大整形電路——把傳感器的微弱電流，微弱電壓放大。
3倍頻器——將整形后所得到的脈沖信號的頻率提高。如將15s內傳感器所獲得的信號頻率4倍頻，即可得到對應一分鐘的脈沖數，從而縮短測量時間。
4控制電路——用555定時器以保證在基準時間控制下，使4倍頻后的脈沖信號送到計數、顯示電路中。
5 計數、譯碼、顯示電路——用來讀出脈搏數，并以十進制數的形式由數碼管顯示出來。
6 電源電路——按電路要求提供符合要求的直流電源。
方案一、
電路對脈沖進行了4倍頻，計數時間也相應地縮短了4倍(15s)，而數碼管顯示的數字卻是1min的脈搏跳動次數。這樣當計時為15 s的時候，數碼管顯示的數據就是一分鐘的脈搏數，如需重新計數，只需清零即可。
方案二、
人體的正常脈搏跳動為50-100/min。為了簡化電路以及節省元件，故取計數器的計數范圍為0-99.讓函數信號發生器模擬人體脈搏的跳動，以每個上升沿代表一次脈搏，讓計數器記錄上升沿的個數，然后左移兩位，表示所記數字乘以四，這樣我們就可以15 s測量一分鐘的上升沿的個數。這樣15 s就測量出了一分鐘的脈搏數。
方案比較
方案一的電路相對簡單，容易實現，而項目的要求誤差小于±4次/min，方案一能滿足設計要求。而方案二測量精度高，但電路比較復雜，要換成BCD碼，故障率高，延時比較，且計數不能連續。綜上所述，選擇方案一。
大致的設計框圖1如下：
圖1-電路設計框圖
三、單元電路設計與參數計算
以下幾個模塊是構成電子脈搏計的主要功能模塊，為更清晰的說明該方案的原理，先分模塊介紹如下：
1信號發生
脈搏傳感器的作用是將脈搏信號轉換為響應的電沖信號。脈搏傳感器是脈象檢測系統中重要的組成部分，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變為電信號。
而本次設計中是利用函數信號發生器代替脈搏傳感器，使用正弦波模擬人體脈搏跳動來測量。
圖2—函數信號發生器
2 放大整型電路
放大電路多種多樣，本次實驗采用比較簡單、廉價的運放電路。由一個運放器OP07和兩個電阻就組成了符合要求的放大電路。放大倍數可調，本次放大倍數大約為10倍。而整形電路采用了簡單一點的與非門進行整形，通過實驗可以放大整形正弦電路。RONE、RTWO直接取10K?達到輸入阻抗的要求。基于電路模塊化設計的理念，信號放大電路有兩個引腳：
In，輸入引腳，輸入傳感器的輸出；
Out，輸出引腳，輸出放大后信號。
圖3——放大整形電路
3四倍頻
由于我們要在15 s內測量1min內的脈搏數，所以我們要對脈搏進行調頻。60/15=4,需要四倍頻電路。如將15s內函數信號發生器所獲得的信號頻率4倍頻，即可得到對應一分鐘的脈沖數，從而縮短測量時間。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雜，成本比較高，所以這里采用了能滿足設計要求的簡單一點的異或門組成的4倍頻電路。此處采用4070BD異或門芯片，通過UTHREEA和UTHREEA構成二倍頻電路，UFIVEA和UFIVEA亦構成二倍頻電路；兩個二倍頻串聯組成四倍頻電路。利用第一個異或門的延遲時間對第二個異或門產生作用，當輸入由“0”變成“1”或由“1”變成“0”時，都會產生脈沖輸出。其中異或門間的RC電路是為了延時，經過測試，當CONE=33uf，CTWO=6.8uf，RTHREE=10k，RFOUR=10k的時候能達到四倍頻的要求。電路圖如下：
圖4——四倍頻電路
4 555定時器
555定時器的功能表
表1 555定時器的功能表
清零端 | 高觸發端TH | 低觸發端 | Q | 放電管T | 功能 |
0 | X | X | 0 | 導通 | 直接清零 |
1 | 0 | 1 | X | 保持上一狀態 | 保持上一狀態 |
1 | 1 | 0 | 1 | 截止 | 置1 |
1 | 0 | 0 | 1 | 截止 | 置1 |
1 | 1 | 1 | 0 | 導通 | 清零 |
555定時器主要是為了在實15s內完成測量任務，使單穩態時間長度為15 s。本實驗采用555單穩態定時電路。工作原理大概如下：開關打上，RST、VCC都為高電平，由于有CTHREE存在，THR和 TH1為低電平。此時輸出為高電平，隨著電容的充電，當時間達到15s的時候，電容兩端電容為 2/3VCC，THR和THI為2/3VCC，輸出為低電平。時間的設計常數為T= 1.1*RC。所以CFOUR取0.01uf，CTHREE取6.8uf，RONE取2MΩ。當要重新計數時，，斷開SONE，手動接上STWO，然后斷開，把CTHREE兩端的電量放掉，再接上SONE。電路如圖5所示：
圖5—555定時器電路
5數碼管顯示
這部分電路主要要完成對方波脈沖計數，將計數結果譯碼顯示出來的功能。本設計中采用簡單的比較熟悉的74LS160作為計數器，因為它是十進制計數器無需改裝，直接使用。因為脈搏測試器中需要上百位的數字。因此，將三片74LS160直接按并行進位方式連接即的千進制計數器。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定時器的控制。當555定時器輸出為低電平時，74LS160輸入端接收到的是高電平，開始計數；輸出為高電平時，74LS160接收到的是低電平，停止計數（計數結束）。此時顯示的就是15s內的脈沖數了。七段數碼管與74LS160的連接方式如下：
圖6——數碼管顯示電路
表2 74LS160功能表
清零 | 預置 | 使能 | 時鐘 | 預置數據輸入 | 輸出 | 工作模式 |
RD | LD | EP ET | CP | D3 D2 D1 D0 | Q3 Q2 Q1 Q0 | |
0 1 1 1 1 | X 0 1 1 1 | X X X X 0 X X 0 1 1 | X ↑ X X ↑ | X X X X d3 d2 d1 d0 X X X X X X X X X X X X | 0 0 0 0 d3 d2 d1 d0 保持 保持 十進制計數 | 異步清零 同步置數 數據保持 數據保持 加法計數 |
四、總電路工作原理及元器件清單
1．總原理圖
圖7—總原理圖
2．電路完整工作過程描述（總體工作原理）
打開電源開關，電路各部分開始工作。首先是函數信號發生器發生發出的信號，在放大器的放大整形電路中放大大約10倍，然后經過異或門的四倍頻電路，時間縮為一分鐘的四分之一，頻率變成了原來的四倍；倍頻器的主要作用就是為了計數器能在15s內計算出1min鐘的脈沖數。脈沖數進入七段數碼管計數器，計數開始。來一個脈沖計數器就加一。此時555定時器可以在15s內完成任務，使單穩態的時間長度為15s。15s后，定時器輸出端電平翻轉，計數器停止工作。顯示出脈搏跳動的次數。
表3 元件清單
元件序號 | 型號 | 主要參數 | 數量 | 備注 |
CONE/CTWO/CTHREE/CFOUR | 電容 | 33uF，6.8uF，6.8uF，0.01uF | 4 | |
RONE/RTWO/RTHREE/RFOUR/RSEVEN | 電阻 | 10KΩ，100KΩ，10KΩ，10KΩ，2MΩ | 5 | |
UTEN，UELEVENT | 74LS160N | 2 | ||
UEIGHT，USEVEN | DCD_HEX_DIG_BLUE | 2 | ||
SONE，STWO | 開關 | 2 | ||
UTHIRD | 555 _TIME_RATED | 1 | ||
UONE | COMPARATOP_VIRTUAL | 1 | ||
UTHREEA,UFOURA,UFIVEA,USIXA | 4070BD_10V | 4 | ||
UTWO | NAND2 | 1 | ||
VCC | 6V | |||
XFG1 | 函數信號發生器 |
五、仿真調試與分析
擬脈搏信號從函數信號發生器發出，經過OP07運放器運放電路，放大10倍后，進入一個延時電容、3個與或門的延時分頻。采用4070BD異或門芯片，通過UTHREEa和UTHREEb構成二倍頻電路，UFOURa和UFOURb亦構成二倍頻電路；兩個二倍頻串聯組成四倍頻電路。利用第一個異或門的延遲時間對第二個異或門產生作用，當輸入由“0”變成“1”或由“1”變成“0”時，都會產生脈沖輸出。，倍頻后的頻率直接送入到74160N解碼，解碼后就到達七段數碼管進行顯示。
打開定時器的開關之后，定時的過程實際上就是電容不斷充電的過程。電容上的電壓從0到2/3Ｖｃｃ這段時間就是我們要定時的時間（15s）。開始，555定時器out端口為高電平，74160N開始工作,此后，電源經外部電阻不斷向向 C 充電，當 C 上電壓升到＞ 2 /3 V DD 時，THR、TRI兩端為2/3Vcc，輸出V0 翻轉，變為0；74160N停止工作。故74160N工作的時間為：T=1.1RC=15s。
這樣就可以以電脈沖信號發生代替脈搏跳動信號測出15 s的每分鐘脈搏數。
以下是電子脈搏計在15s時測出的數據：
圖8——測試結果
這個設計的難度是高，一開始看完項目渾然不知，不知道接下來要做什么，后來通過慢慢了解555定時器，以及上網收集資料和翻閱文獻，終于對555定時器的引腳功能有所了解。后來和同組人員日夜兼程，分工合作，這個過程中困難重重，接錯過線，用錯過元件。有些元件不在元件庫里面，又要上網找，不過最后整組人員通力合作，最終還是設置出來了，基本達到了實驗的要求。
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三三兩兩在離別 發表于 2020-6-26 13:08
555定時器那里你用的單穩態定時器可以不需要用555施密特觸發器加個開關來連接，可以直接用555定時器接成單 ...
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