电子电工技术课程设计.docx

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电子电工技术课程设计

任务书

（一）电路组成与工作原理

（二）技术要求

1、应用数字电路实现在一分钟或半分钟内测量脉搏数,并显示

2、测量误差≤2次/min

3、正常人脉搏为（60-80）次/min,老年人为（100-150）次/min,如出现心律不齐,要有所显示

4、功能耗要低,体积小,重量轻

（三）设计内容与要求

1、用压电陶瓷片作为脉搏传感器,用LED数码管显示

2、确定设计方案,画出组成方框图,简述每部分功能与基本实现方法

3、进行单元电路分析,选择合适的逻辑部分,采用动感扫描显示

4、进行必要的计算,以确定主要元件参数值

5、绘制完整的原理图

6、组装电路并进行实验调试,说明调试步骤与基本原理

7、对设计电路进行讨论,提出改进意见,简要进行误差分析

一．任务书2

二．概述4

三．电路组成与工作原理5

四．电路设计与计算17

（一）放大整形电路17

（二）设计计数器电路8

（三）译码与显示电路12

（四）时基信号产生电路15

（五）心律监测电路17

五．调试方法21

（一）总体观察21

（二）检查放大电路22

（三）计数器与译码显示电路的调试22

（四）时基电路的调试22

（五）漏夫脉冲检出电路的调试23

六．脉搏测试仪的使用方法23

七．所用仪器设备与元件24

八．参考文献25

九．总结26

一、概述

脉搏测试仪就是用来测量人体心脏跳动频率的有效工具,心脏跳动频率通常用每分钟心脏跳动的次数来表示。

采用脉搏计测量心脏跳动频率,不但精确,而且使用方便,显示结果也十分醒目。

（一）分析设计课题要求

正常人的脉搏次数就是每分钟60-80次（婴儿90-140次,老年人为50-150次）,这种频率属于低频范畴。

因此,脉搏计就是用来测试低频信号的装置,它的基本功能要求应该就是:

1.要把人体的脉搏（振动）转换成电信号,这就要借助传感器

2.对转换后的电信号要进行放大与整形等处理,以保证其它电路能正常加工与处理

3.在很短的时间里（若干秒）内,测出经放大后的电信号频率值

总之,脉搏计的核心就是要对低频电脉冲信号在固定的短时间内计数,最后以数字形式显示出来。

（二）确定总体方案

把转换为电信号的脉搏信号,在单位时间内进行计数,冰用数字显示其计数值,从而直接得到每分钟的脉搏数,这种方案比较直观,所需电路结构简单。

这种方案的方框图如图:

方框图中各部分的作用就是:

1.传感器:

将脉搏转换成相应的电脉冲信号

2.放大电路:

对微小电脉冲信号进行放大

3.时基产生电路:

产生固定时间（1分钟或半分钟）的控制信号,作为计数器的门控信号,使计数器只有在此期间才进行计数

4.计数、译码、显示电路,在门控信号作用期间,对电脉冲信号进行计数,并经显示译码器译码,再由数码器显示计数值

5.心律监测电路,如出现心律不齐时,应有所显示

三．电路组成与工作原理

（一）传感器

为了把脉搏转换成电信号,应采用压电式传感器,它有两种基本类型:

石英晶体与压电陶瓷。

目前更多使用的就是压电陶瓷,它在性能上,能满足脉搏计的要求,而且成本低

（二）放大电路

通常用运算放大器,但在数字电路系统中也常用非门来构成线性放大器,如图所示,使门电路工作在线性区,它就有电压放大能力。

图中门电路的输出,输入所接的反馈电阻就是为其工作在线性区而设置的门电路构成的放大电路,具有功能小,稳定性高与成本低等的优点,它的缺点就是输出阻抗高与上限频率低

（三）时基信号产生电路

为了得到频率较低,脉冲宽度一定的时基信号,通常用振筛加分频的方法,先用振筛器产生高频脉冲,然后经数次分频得到所要求的信号。

CC4060内部同时包含振筛与分频部分电路。

（四）计数器:

计数器最好选用有选通脉冲输出控制的计数器

（五）心律监测电路:

用555定时器构成的单稳态触发器与Rs触发器与一个LED发光二极管组成,心律不正常就是指脉搏中间出现停跳的状态,即在连续的脉搏电信号中出现脉冲失落现象,通常可采用漏失脉冲检出电路来进行监测。

四．电路的设计与计算

（一）放大与整形电路

这部分电路如图3、4、4所示。

其中非门G1与G2构成两级放大器,555斯密特完成整形功能,为了使G1与G2非门处于传输特性的线性区,应适当选取反馈电阻R1的阻值。

其阻值不能太小,否则非门的输出与输入间的信号直接馈通,一般R1值应比非门的输出电阻R0大两个数量级（非门R0=8～15KΩ）,但R1的值也不能太大,否则使工作稳定性变差,甚至有可能偏离出线性区。

为此,R1值应比非门的输入电阻R1小1—2个数量级（R1=1010）,所以R1=1～10mΩ,可选为5、1mΩ,22mΩ等值,由非门构成的放大电路,其放大倍数约为20倍,一般就是不可调的,如放大倍数不够,可采用多级放大器级联起来增大放大倍数,用555定时器构成施密特触发器进行整形,R无效（高电平）且C-V不外接电压,所以当U1≥2/3EC时555被置0,UOUT输出低电平,UI≤1/3EC时,555被置1,UOut输出高电平,其传输特性有回差,通常回差越大,电路抗干扰能力也越强,回差的抗干扰作用可用图10、5说明。

（二）计数器电路

计数器就是脉搏测量仪的重要组成部分,电路采用74LS160作为计数器

74LS160的特点:

1、有几种功能:

计数允许、计数清零、置位等

2、同步十进制计数器（加法）

74LS160管脚排列如图3、4、5功能表见表

现在简要说明这些管脚的功能

（1）CP（脚2）:

为计数脉冲输入端

（2）S1,S2（脚7、脚10）为计数允许控制端,当S1,S2为“1”时,计数脉冲由CP端进入计数器,而当S1,S2为“0”时,禁止计数脉冲输入计数器,计数器保持禁止前的最后计数状态

（3）—Rd（脚1）为复零端,R=0时计数器输出（190～193）全为D

（4）—LD（引脚9）:

为置位端,LD=1时计数器输出预值数（190～193）

（5）C（脚15）进位端,当C=1时,计数器产生进位

采用74LS160作为计数器主要有以下几个理由:

（1）可以用S1,S2端作为计数的一分钟允许端

（2）计数输出为BCD码,便于译码显示

（3）可以通过三个74LS160来实现功能的要求

74LS160功能表

输入

输出

CPLDRDS1S2

Q

XXOXX

O

↑01XX

预置数

↑1111

计数

X110X

保持

X11X0

保持

实现计数的功能:

用三个74LS160来完成计数功能,将3个计数器为个位、十位、百位、三个位数,将整形后的输入脉搏电信号输入到计数器个位的CD端,来计八个数的数,将个位计数器的进位端C与十位计数器的CP相连来实现十位的计数,将十位的计数进位端C与百位计数器CP相连实现百位的计数,将S,S与振筛器输出相连来控制计数器的工作时间,保证当一分钟到时计数器停止工作,然后通过Rd将计数器制0,以便下次使用,连接如图3、4、5（b）所示。

（三）译码与显示电路

译码器的功能就是计数器74LS160输出的计数结果为（BCD）码,转换成七段字形码,以驱动数码管实现数字变成符号的显示。

CC4511就是常用的BCD码——七段显示译码器,它的管脚图如下:

Ain～Din:

BCD码输入端

a～g:

七段译码输出

—LT:

灯测试端

—BI:

熄灭测试端

￣L￣E:

锁定允许端

它本身由译码器与输出缓冲器组成,具有锁存译码与驱动等功能,其输出量达电流可达25mA,可直接驱动共阴极LED数码管。

CC4511的逻辑电路方框图与引出端图分别第二章介绍过,这里不再累赘。

计数器使用74LS160三个计数器级联,所以要用三个译码器来实现个,十,百位的译码,将个位,计数器的四个输出端与个位的译码器输入端相连实现译码个位。

同理,也可以实现个位与百位的译码连接方法如图3、4、6、

数码管限流电阻值需根据数码管电流的允许值进行计算,若把电路中的某位显示电路单独画出来如图3、4、7所示,限流电阻R1～R7可按下式进行计算:

R1～R7=（VOH-VD）/IS

式中VOH为CC4511输出高电平（≈VDD）,VD为LED正向工作电压（约为1、5～2V）,IS为数码管笔段电流（约为5～10mA）

图3、4、7某位显示电路

（四）时基信号产生电路

时基电路应产生一个方波定时脉冲,用来控制计数器74LS160的计数允许端S1,S2以便使计数器在定时脉冲宽度所固定的时间内进行时脉搏脉冲计数,固定时间为一分钟,为了得到定时的脉冲信号（计数器的门控信号）,采用振筛。

分频的方法,在参考电路中,选用了CC4060组件来完成这些功能。

CC4060就是一个14位二进制串行计数器（分频器）,但就是它内部除了14个T型触发器（组成14位计数器）外,还包含一个振筛器,只要在CP1,CP0,—C—PO端外接电阻与电容,就可以构成RC振筛器,有关电路已在第三章讨论过了。

为了得到60秒脉宽的定时信号,RC振筛器的输出脉冲需经214次分频得到,该单元电路如图3、4、8所示,则RC振筛器脉冲的频率f0约为:

F0=214/（60×2）=136Hz

图3、4、860秒定时电路

当CC4060接成RC振筛器时,其振筛频率为f0与RC之间有以下近似关系:

F0=1/2、2RTC

内阻RT的值小于1KΩ,电容CT应大于或等于100PF,一般可全选定容器G容量,再根据上式可估算出电阻RI的值。

内阻RS就是为了改善振筛器稳定性,减少由于器件的参数的差异,而引起振筛周期的变化可大为减小。

为了得到准确的振筛频率值,实际上R1与RS均采用电位器,以便调整。

（五）心律监测电路

图3、4、9所示电路,不仅可以测出人的心脏每分钟跳动次数,还能够指示出心律就是否正常,心律不正常（心律不齐）就是指脉搏中间出现停跳状态,即在连续的脉搏电信号中出现脉搏失落的现象,通常可采用漏失脉冲检出电路来进行监测电路如图3、4、9所示。

图3、4、9心律监测电路图

漏夫脉冲检出电路的核心部分就是由555定时器所组成的单稳态触发器。

此外,在外接电容C的两端并入了一个三极管T、

在没有加入触发脉冲前,电路处于稳态,输出端（555定时器引脚3）为低电平,U0=0、当输入端（555定时器引脚7）的触发脉冲下降沿到达后,电路进入暂稳态输出端为高电平,U0=1、而后电源电压UCC通过电子R开始向电容C冲电,当充电至VC=2/3VCC时,电路返回到稳态,输出端重新回到低电平,U0=0,这个稳态一直维持到下一个触发脉冲的下降沿到达时为止。

暂稳态持续时间只取决于外接电阻R与电容C的大小,t10=1,1RC,单稳态电路的工作波形如图:

图3、4、10单稳态电路的工作波形

漏失脉冲检出电路的基本原理就是使电路在没有漏失脉冲时,电容C充电值始终达不到UC=2/3VCC,则输出端将一直维持高电平,但就是,当有漏失脉冲时,电容C充电时间加长,可使电容C充电值达到2/3VCC,于就是电路由暂稳态返回稳态,输出端变为低电平。

在下一个触发脉冲下降沿达到时,输出端又变为高电平,结果在漏失脉冲状态下,输出端产生一负脉冲,它可作为有漏失脉冲的标志信号。

现结合图3、4、9所示电路与工作波形图（见图3、4、11）进行说明。

图3、4、11漏失脉冲检出电路图

假设单稳电路开始时U0=1,本来电容C应通过电阻R被电源电压VCC充电,但此时Ui为低电平,晶体管T饱与导通,则C端电压UC将近似为0,只有在t,时刻后,由于UI为高电平,晶体管T截至,电容C才开始充电,UC将近似线性增加。

当到达t2时刻,电容C充电电压尚未达到2/3VCC,而触发脉冲UI的下降沿出现了,在此后的t2～t3期间。

电容C很快放电,这样输出端电压U0仍保持原来的高电平。

在t3时刻C又充电,未冲到2/3VCC时,UI又产生下降沿（t4时刻）,C很快放电,······可见有漏失脉冲时,输出端U0就会出现一个负脉冲,它就就是检出漏失脉冲的标志信号。

图3、4、9中的两个与非门组成Rs触发器,用来记忆漏失状态。

当有漏失脉冲时,U0出现负脉冲,于就是LED被点亮,以告测试者。

为了能检出漏失脉冲,应适当调节单稳态触发器输出脉冲宽度t10=1、1Rc,使其稍大于输入脉冲的周期。

由于正常人的心脉速度为60～120次/min,其周期为1～0、5s,则要求1、1Rc>（0、5～1）s。

电容C的取值范围为几百皮法到几十微法,而电阻R应该采用电位器,以便于调整。

五．调试方法

在试验箱面包板上插接或在EP刷电路板上焊入各元件,经认真检查无误后即可开始调试。

（一）总体观察

以低频可调频率脉冲发生器的输出信号当作脉搏传感器的输出信号,接通电源开关S2,如显示器显示正规则数字,表明电路基本工作正常,而后按下清零按钮S1,对计数器与定时器清零,则显示的计数值应不断增加,进一步说明电路的工作就是正常的,否则要进行逐级检查。

（二）检查放大电路

仍用脉冲信号发生器做输入信号源,用脉冲示波器观测放大电路与整形电路输出端电压波形,正常情况下应有100倍以上的放大,整形电路输出的电压波形应理想,否则可改动一下整形电路外接电阻值。

如果电压放大倍数较小,可改换两个另外的非门,或者再加一,两级电压放大器。

（三）计数译码与显示电路的调试

用低频脉冲信号发生器的输出信号做为计数器的输入,从LED数码管上读取数字,观察个,十,百位计数器就是否都能完成逢十进一的功能。

然后按下清零钮R,使两个计数器均清零,重新开始计数,则数码管应反映这一状态。

（四）时基信号电路的调试

定时电路CC4060的振筛频率应为136Hz。

可用脉冲示波器观测CC4060的9脚振筛波形,并调节10脚与11脚所接电位器RW1与RW2,使振筛频率为要求值,然后用示波器观测CC4060的Q14输出波形,它应完成214=16384次分频,即其周期为1/136X16384≈13秒。

此时,再以低频脉冲发生器的输出做为计数器74LS160的计数脉冲,按清零钮R,使计数器与定时器同时清零,用秒表记下此时的时间,随着计数脉冲的输入,数码管计数值不断增加,当计数值停止增加而稳定不动时,记下此时的时间。

（五）漏失脉冲检出电路的调试

用低频脉冲发生器输出的脉冲信号,做为漏失脉冲检出电路的输入信号,调节检出电路中的三极管,在输入信号频率为1～2Hz时,发光二极管不亮。

去掉脉冲信号源,用移位寄存器产生一个串行序列信号1101······加至晶体三极管的基极,再用双踪脉冲示波器观察基极金与555定时器引脚3的波形,此时有输入漏失脉冲,同时发光二极管亮。

六．脉搏测试仪的使用方法

可用9V叠层电池作为电源,也可以使用稳压电源。

用松紧带将压电陶瓷片紧压手腕的脉搏处,而后接通电源开关（S2）,显示器将显示无规则数字,这就是接通瞬间电源的干扰脉冲构成的。

紧接着按下清零按钮（S1）,则数码管计数值将随着脉搏的跳动而逐渐增加,直至计数值稳定不动时,记下数值,即为每分钟的脉搏次数。

在测试时发现二极管指示灯亮,则说明被测试者心律不齐,而后按下复位按钮（S3）,使发光二极管灭,在进行检测。

七．所用仪器设备与元件

1.数字逻辑试验箱一台

2.外用表一台

3.示波器一台

4.元器件明细表

压电陶瓷传感器

CC4060一块555二块

74LS160三块非门二个

CC4511三块发光二极管一个

共阴极LED数码管三个开关三个

三极管一个电阻:

300Ω,510KΩ,220KΩ,47Ω,100KΩ

2个滑动变阻器电容:

4700PF,1000PF,1μF

八．参考文献

（一）阎石数字电子电路中央广播电视大学出版社

（二）郝鸿安常用数字集成电路应用手册中国计量出版社

（三）任为民电子技术课程设计指导中央广播电视大学出版

九．总结

在这学期的电子技术基础课当中,我学到了很多以前从未接触过的知识,极大丰富了我贫乏的知识,使我对电子技术课有了具体的了解。

我们这次设计主要就是鉴于数字电路脉搏测试电路的基本组成,工作原理等方面,这样让我们把已经学过的比较零散的数字电路知识能够有机的系统地联系起来用于实际应用当中,培养综合分析,设计电路的能力,这大大提高了我们动手与动脑的能力。

在这次设计当中,通过自己动手使自己了解到以前从未听说过的知识。

由于第一次接触设计电路,有一定的难度,但就是得到了老师、组员们的大力帮助,在老师的正确指导下,在组员们的齐心合力下使我们能顺利完成这次设计,为课程设计划上了圆满的句号。

2013年1月8号