数字脉搏计课程设计报告.docx
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数字脉搏计课程设计报告
天津大学电力电子课程设计报告
课题名称：
数字脉搏计
实验人：
自动化1班淦智权
同组人：
自动化1班李得铭
2014年12月25日
一、设计任务及要求：
设计、组装一个数字脉搏计。
（1） 用十进制数字显示被测人体的脉搏每分钟跳动的次数，测量范围为20~200次/分。
（2） 在短时间（5秒、15秒）内测量出每分钟的脉搏数。
（3） 测量误差±4次/分。
（4）锁定每分钟的脉搏数，分别要求：
①显示计数过程，并保持计数结果。
手动清零。
②不显示计数过程，锁存为计数结果。
自动清零，自启动计数。
注：
5S和15S由开关控制。
二、电路设计方案及原理
（一）总方案原理图：
对于方案选择，由提供的PPT上的方案的原理框图，我们决定按该框图进行分析，不过在每个框图部分实现会有多种方案并进行有计划的结合实际的改造。
1、模拟信号处理（设计并仿真）
对于脉搏信号的放大、滤波、整形部分采用MultiSim或PSPICE仿真实现。
脉搏信号放大器（仿真）
输入：
1mV、1.2Hz
输出：
能够驱动CMOS数字芯片
性能指标：
电压增益：
大于1000倍
通频带：
0.15Hz—30Hz
仿真要完成的主要任务：
功能分析、指标测量。
2、给定条件
实验箱一台：
直流电源、面包板、连续脉冲信号等
元器件：
锁相环CD4046
计数器（可预置数的4位二进制计数器）CD4526
计数器（二——十进制同步加计数器）CD4518
计数器/分频器（14位二进制串行计数器/分频器）CD4060
译码器74LS48
数码管LG5011AH（实验箱上74LS48已与数码管连接好）
缓冲器（反相器）
电阻、电容若干
数电实验中常用芯片
三、各单元部分设计及电路实现
（一）仿真阶段
对于仿真部分的要求题目要求如下：
输入：
1mV、1.2Hz；电压增益：
大于1000倍；通频带：
0.15Hz—30Hz
我们采用的multisim仿真，仿真阶段有三个部分，分别是：
放大，滤波及整形。
放大是要将采集到的微小的脉搏信号放大成可读取的信号；滤波是为了滤去杂波；整形是为了将正弦信号转化为方波，方便计数
1、放大部分对于放大，我们用的是最基础的放大器放大方法，由于电压增益大于1000，我们决定放大3000倍，采用三个LM324器件，进行10*10*30三级放大，具体参数见下图。
放大结果波形如下图：
A通道原输入信号，B通道为放大后输出信号，为便于显示，通道AB幅值单位不同。
2、滤波部分，对于滤波，由于通频带为0.15Hz—30Hz，我们考虑过带通滤波器，但由于带通滤波器的参数计算过于复杂，经过考虑，我们还是决定采用一个低通滤波器和高通滤波器串联的方式，根据公式
得出参数，如下图所示：
滤波效果如图
因为滤波器做得比较简陋，滤波效果有所误差，大于30HZ时仍有波形通过，不过幅值较小。
3、整形部分对于整形部分，我们需要将一个正弦信号整形为方波信号，我们决定采用555定时器组成施密特触发器来完成这一任务，施密特触发器具有回滞性，可将正弦波转化为方波。
器件如下图：
结果如下图：
4、组装（仿真部分总线图）
最后，将这三部分组合成一个电路，如下图：
下图为输出结果，A通道为输入正弦信号，B通道为经放大滤波整形之后的输出方波
仿真阶段即告一段落，接下来是数字阶段，在这一阶段进行数字信号的各项处理。
（二）数字信号处理
根据题目要求分成了四个部分：
倍频电路（负责将输入信号放大到四倍频或十二倍频）；计数译码显示（负责信号的计数及显示过程）；控制信号发生（控制计数译码显示部分的计数开始及结束）；基准时间产生（负责产生题目要求的5s及15s时间）。
在设计过程中，我们将后两个部分控制信号发生和基准时间产生结合在一起进行研究。
1、倍频电路
由于在设计中要求在5S~15S完成脉搏每分钟跳动次数计数功能，而在仿真后输出的信号频率与原信号频率相同，则测量要一分钟才可以实现，为了缩短测量时间，则将原信号频率加倍。
CD4046是目前常见的集成锁相环。
用CD4046实现的一种N倍频参考电路如下图所示，电路中CD4526是可预置数的4为二进制计数器，用来实现N分频。
改变置数值，可以改变N。
所需元件：
芯片CD4046,CD4526,电阻10KΩ,100KΩ,2.2MΩ,1.2MΩ电容10μF,0.68μF.
倍频电路直接采用的是实验指导书上介绍的倍频电路，右边的CD4526是一种1/N分频计数器，实质是减计数器。
将分频倍数输入图示中的N端，如4分频——DP4-DP1取0100、12分频——DP4-DP1取1100。
汉字“出”表明的线即为倍频电路的输出。
CD4046和CD4526的引脚对应如下表所示：
CD4046
CD4526
图中管脚表示
对应芯片管脚号
图中管脚表示
对应芯片管脚号
PCB
3
Q1
7
PCA
14
Q2
9
R1
11
Q3
15
R2
12
Q4
1
PC2
13
DP1
5
VCOin
9
DP2
11
SF
15
DP3
14
VCOout
4
DP4
2
CA
6
PE
3
CB
7
CF
13
VSS
8
R
4
Inh
5
CPE
10
CP
6
“0”
12
2、控制信号发生与基准时间产生：
题目要求基准时间产生5s/15s手动/自动
所需器件：
555芯片三片，电容电阻若干，包括120KΩ,100KΩ,1KΩ,40.5KΩ36KΩ,68KΩ,100μF,10nf。
（1）对于基准时间产生，我们决定采用由555定时器构成的单稳态触发器，根据公式tw=1.1RC,5s或15s由不同的电阻值决定。
当tw=5s，根据公式，R=45.5KΩ，实际因为各种误差等原因，经过实际测量，R=40.5KΩ
当tw=15s，根据公式，R=136.5KΩ，实际因为各种误差等原因，经过实际测量，R=120KΩ
如图所示为单稳态触发器输出波形（以5s时间为例）
（2）根据题目要求，对于4倍频，信号手动产生（实验台采用单脉冲按钮替换开关），大致如下图，每当开关A开启（或按下按钮），单稳态触发器就会发出一个15s的高电平。
（3）根据题目要求，对于12倍频，需要信号自动触发，我们于是需要一个信号触发装置，决定采用555构成的多谐振荡器来完成这一目的，因为其能自己震荡一个方波。
继续对题目分析，题目要求“不显示计数过程，锁存为计数结果。
自动清零，自启动计数”，虽然这是对显示的要求，可为达到这一结果，在控制信号方面必须要与之配合方能成功，明显地，清零过程应晚于计数锁存过程，这一过程需要另一个单稳态触发器，只要保持清零单稳态的高电平时间大于定时单稳态的5s即可，同时，我们也意识到，清零单稳态和定时单稳态的上升沿应同时被多谐振荡器触发，是以，多谐振荡器周期应大于清零和定时的高电平时间，多谐振荡器的OUT端要同时连到定时和清零的CC端（引脚7）。
综上，一共需要三个555芯片，具体与计数显示部分结合的部分在文后将进一步阐述。
大致器件图及参数如下图所示：
U1为5s定时单稳态触发器，U2（左下角）为多谐振荡器（周期约为12.04s），U3为清零用单稳态触发器（高电平时间约为7.48s）。
2、计数译码显示部分：
这部分电路主要完成对方波信号计数，将计数结果译码显示出来的功能。
对于这部分电路有很多方案可以实现，电路大多相似。
对于计数器采用74LS160N，比较熟悉它；对于译码器，由于74LS160输出的是8421BCD码，故应选择能译码BCD码译码器。
所需器件：
同步计数器74LS160芯片3片，数码管LG5011AH（实验箱上74LS48已与数码管连接好）3个，六相反相器74LS04芯片1片。
（1）计数部分
因为计数范围从20~200，所以需要三个计数器，我们采用的芯片为74ls160三片，大致接线如下图，因为后期题目要求，需要对清零锁存进行进一步改变。
（2）显示计数过程，并锁存结果，手动清零的实现。
我们将555单稳态定时器的出口OUT端接到计数器锁存端（EP或ET），当规定时间过去，555单稳态OUT口从高电平转到低电平，锁存端转为低电平，从而实现数据锁存。
而清零端（RD）连接实验台的电平产生器（形同于开关），平时，开关指向高电平，清零端不工作，需要手动清零时，将开关拨向地即可，实现手动异步清零功能。
注，在下一次计数开始之前，要将开关拨回高电平。
大致接线图如下图（为便于仿真，直接用四线LED管DCD-HEX）：
（3）自动计数，不显示计数过程，锁存为计数结果，自动清零自动计数的时间（主要用于12倍频）
一开始，我们的想法是将自动清零做成同步置数清零，异步锁存（锁存端连接单稳态触发器的OUT端），即当给定时间到时，OUT端输出转为低电平，则立即锁存，而当CLK信号上升沿到来时再将“0000”置给数码管。
但一个问题是，锁存时间取决于计数的CLK信号，当信号频率很高时，比如12HZ，则锁存时间为0.0833s，过小，锁存效果不明显，仍需要进一步改进。
经过改进，我们最终决定再用一个555单稳态使其清零，只要使多谐振荡器周期大于清零555输出周期大于计时555周期，即可满足要求（555部分具体参数可看上文）。
将定时单稳态触发器OUT端连到计数器锁存端，清零单稳态触发器OUT接到计数器清零端。
多谐振荡器的OUT端同时连到定时和清零的CC端（引脚7）。
具体工作过程分析如下：
当多谐振荡器同时触发定时单稳态和清零单稳态高电平，经过5s，定时单稳态触发器低电平使锁存端工作，计数锁存；再经过一段时间（7.48-6=1.48s）后，清零单稳态触发器跳变到低电平，清零端工作，数码管数字清零；再经过一段时间（12.04-7.48=4.56s）后，多谐振荡器上升沿，同时触发定时单稳态和清零单稳态进入高电平，新一轮计数开始。
对于不显示计数过程，经过查阅资料了解到七段码LED管及与其连接的74LS48的功能表，发现当RBI端口为低电平时，数码管字形消隐，于是将5s定时单稳态触发器的OUT端口经过非门接到RBI端口，这样，当定时单稳态计时，OUT端为高电平时，RBI端为低电平，不显示字形；当计时结束，OUT端转为低电平，RBI端为高电平，显示锁存的计数结果。
大概接线图如下图：
（注：
关于显示不显示的问题秩序将七段数码管的RBI段通过非门与74LS160的清零端连接即可。
）
四、整机电路
数字部分整机电路原理图
倍频电路仿真完成，可在实验台上搭建，倍频输出到计数译码显示的74LS160的CP始终输入端。
此处为省略倍频电路
五、总结与体会
1）电路调试阶段的问题与解决情况
i.倍频电路输出不稳定，是计数过程出现问题：
在检查完基础的4倍频电路后，突然发现倍频电路计数输出时有短时停止现象。
经过布线检查和对电路合理分析，发现CD4526的脉冲输出接触不良。
所以在以后的接线中我们都更加小心谨慎以防类似情况出现，浪费实验时间。
ii.不显示计数过程中锁相环又是不工作：
也是在四倍频检查后出现的情况，当电路开始计数后发现计数过程不能停止，在自启动的操作时，每次技术结果不统一，存在很大误差，不满足实验预期。
我们静下心来从排线开始检查，经过多次改线甚至重装锁相环后发现是控制电路电平信号输出时错误，其中一个信号在经过非门逻辑门处理后系统恢复正常。
iii.555单稳态触发器总达不到预计清零效果：
当电路工作时，计数器还没达到预计计数结果却被清零。
同样我们也进行了全面的分析检查和多次重装，经综合后认为是两单稳态触发器的定时时间配合不理想而导致最后计数结果不符合要求。
在通过调整单稳态触发器的时间常数后，最终达到实验要求。
2）体会与心得
数字脉搏计这个课题被老师布置下来的时候，我们都觉得毫无头绪，之前从没接触过multisim仿真，如今得从头学起，可当第一次尝试的仿真器件在电路图上顺利运行时，我发现这个软件真的是很有趣，非常实用。
我们从仿真部分做起，这部分倒是十分顺利.在数字阶段，我们发现了很多问题，有时候找不到问题原因甚至会产生沮丧，但是，我们互相讨论，不断改进自己的方案，对自己即将在实验台上的操作也有了一定的准备和思路。
不过当我们正式接线的时候，我们发现自己很大的一个疏忽的地方就是提前收集芯片的引脚资料，这是需要自己吸取教训的地方。
在实际操作的时候，我们的分工十分明确，我负责倍频器和控制电路部分，李得铭负责技术译码显示部分，在一开始是分着接线，后来我们意识到这样效率较低，于是我和他同时开工，效率大大提升了，最后在结合部分一同工作。
当然，在接线调试时也遇到一些由于错误马虎造成的问题，幸而我们都及时解决，并未耽误太长时间。
在课程设计结束之后，我感慨颇多，首先对于自己的动手能力是一种极大地挑战和提升。
在这样的实际操作之后，以后的学习和工作当中我会更加自信，并且让我的综合分析能力得到极大地加强。
作为一名工科男，将来的工作面对的将会是十分具体实际的问题，所以个人能力一定要有保证，这是硬实力，是成功的基石。
在此次课设中，每当遇到问题时，一下子在如此繁琐的电路中发现问题解决问题是一件十分让人疲倦的事，但是必须要耐心静心专心才能解决问题，最后完成任务，达到要求。
所以在探索的过程中即使产生了沮丧和烦躁的情绪也要学会克服，必须要一步一步的达到自己最后的目标。
所以十分感谢老师的悉心指导！
（王老师期间被我多次问询却每次都那么耐心，我都不好意思了，哈哈！
谢谢王老师啦！
）
六、实际数据记录及分析
（1）4倍频时显示计数过程、手动清零数据
输入1Hz、5V方波时
61
61
61
61
61
输入2Hz、5V方波时
120
120
121
120
120
（2）12倍频时显示计数过程、手动清零数据
输入1Hz、5V方波时
62
59
58
61
60
输入2Hz、5V方波时
124
121
122
120
120
（3）12倍频时不显示计数过程、自动启动、自动清零数据
输入1Hz、5V方波时
60
60
62
62
63
（4）误差分析：
由以上几组数据不难看出所有的数据都存在偏差，12倍频的误差比4倍频的大。
主要原因是在实验时，合适、准确的电阻是很难找到的，我们采用的是近似值。
如15S定时器的电阻应取136.51kΩ，我们实际上取的是120kΩ；5S定时器的电阻应取45.51kΩ，我们实际上取的是40.5kΩ。
因此定时时间在一定程度上偏短。
其次，倍频电路不稳定，这个问题主要是由于锁相环CD4046过于敏感，使得电路在长时间工作后不稳定，且这种误差并不是单纯的正偏差或负偏差，因而难以通过修改参数进行更正。
但是所有数据正偏差都在4次/min以内，符合课程设计中误差不超过±4次/min的要求。
七、参考文献
【1】《数字电子技术基础教程》，周跃庆编，天津大学出版社。
【2】《模拟电子技术基础教程》，周跃庆编，天津大学出版社。
【3】《电子技术实验教程》，王萍主编，机械工业出版社。
【4】CD4046锁相环，中文数据手册
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