数显式脉搏计数器.docx
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数显式脉搏计数器.docx
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数显式脉搏计数器
课程设计
数显式脉搏测试仪设计
班级
学号
学生姓名
指导教师
课程设计任务书
课程名称数字逻辑课程设计
课程设计题目数显式脉搏测试仪设计
课程设计的内容及要求:
一、设计说明与技术指标
设计一个数显式脉搏测试电路,技术指标如下:
①测试时间为1分钟。
②实时显示脉搏数,1分钟时停止,并提醒。
③利用脉冲或者正弦波模拟脉搏传感器输出。
④要求用数码管显示时间。
二、设计要求
1.在选择器件时,应考虑成本。
2.根据技术指标,通过分析计算确定电路和元器件参数。
3.画出电路原理图(元器件标准化,电路图规范化)。
三、实验要求
1.根据技术指标制定实验方案;验证所设计的电路,用multisim软件仿真。
2.进行实验数据处理和分析。
四、推荐参考资料
1.彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京:
高等教育出版社
2.孙梅生,李美莺,徐振英.电子技术基础课程设计[M].北京:
高等教育出版社
3.梁宗善.电子技术基础课程设计[M].武汉:
华中理工大学出版社
4.童诗白,华成英主编.模拟电子技术基础.[M]北京:
高等教育出版社,2006年
五、按照要求撰写课程设计报告
成绩评定表:
序号
评定项目
评分成绩
1
设计方案正确,具有可行性,创新性(15分)
2
设计结果可信(例如:
系统分析、仿真结果)(15分)
3
态度认真,遵守纪律(15分)
4
设计报告的规范化、参考文献充分(不少于5篇)(25分)
5
答辩(30分)
总分
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
年月日
一、概述
随着人们生活水平的提高,心脏疾病的发病率呈上升趋势,已成为威胁人类身体健康的杀手之一,因为心脏病的发作具有突发性和随机性,所以为患者进行实时的测量监控已成为必然的趋势。
随着电子科技的不断发展,生命科学和信息科学的结合越来越紧密,许多研究人员都投身于人类的健康事业中。
心率:
用来描述心动周期的专业术语,是指心脏每分钟跳动次数,已第一声为准,心电信号是一种非常弱且频率较低的一种信号,一般幅值在0.05到5毫伏之间,频率在0.05到100HZ之间,脉搏波:
人体心室周期的收缩和舒张,导致主动脉的收缩和舒张,是血流压力---波的形式从主动脉根部开始沿着动脉系统传播,这种波称为脉搏波。
脉搏波所呈现的形态强度,速率和节律等方面的综合信息,反应出许多生理的血流特征,而心率的测量是一种评价人生理状况很好的方法。
心率和脉搏在身体正常的时候是相等的。
在房颤等心脏疾病的时候可出现不等。
因此心率测量问题可以转化为脉搏的测量,而脉搏的测量更容易实现特点。
在实际应用中得到广泛应用。
脉搏计在实际应用中非常广泛,他是用来测量一个人的心脏跳动次数的电子仪器,也是心电图的主要组成部分,用来测量频率较低的小信号。
其原理适用于很多声控器械,它涉及到时序逻辑电路如何设计分析和工作等方面。
通过使电路更深刻的了解时序逻辑部件的工作原理,从而掌握如何根据需求设计满足要求的各种电路图,解决生活中的实际问题。
二、方案论证
主要由采样输入电路、脉冲计数电路、基准时间产生电路、译码显示电路四个部分组成。
且要求在开始工作15S后能自动停止对脉搏的计数以获得准确的脉搏数。
下次工作时通过按钮来清零,重新显示脉搏数。
将脉搏信号转换成电平信号,由三极管接受之后经过放大电路将信号放大10倍,流入整形电路成为规则的矩形波,再由倍频电路对此信号进行二倍变频。
与此同时,基准时间电路由单稳态555产生一个周期为15秒的信号。
整个电路的核心部分控制电路的工作,按下开关,输出为低电平,对计数器和D触发器进行清零,输出高电平。
计数器的脉冲信号由锁存器输出信号、时间基准电路的输出信号、倍频电路信号通过三输入与非门产生。
由三输入与非门的输出信号作为计数器的时钟信号,驱动计数器计数。
计数器是由16进制的74LS160的10进制计数器,三个计数器从左至右分别为百位、十位、个位。
十位的计数受各位的影响,只有当个位计数到9后十位的使能端信号才有效。
十位开始计数,百位的计数原理同十位。
1.传感器是将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。
方法:
可以利用函数信号发生器,使用正弦波模拟人体脉搏跳动。
2.放大整形电路把传感器的微弱电流,微弱电压放大,整形出去杂散信号。
方法:
可以使用电压比较器进行整型。
3.倍频器是将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。
如将15s内传感器所获得的信号频率4倍频,即可得到对应一分钟的脉冲数,从而缩短测量时间。
方法:
实现可以采用能满足设计要求的D触发器组成的4倍频电路。
4.控制电路用555保证基准时间控制,4倍频后的脉冲信号送计数、显示电路中。
5.计数、译码、显示电路用来读出脉搏数,以十进制数的形式由数码管显示出来。
上述测量过程中,由于对脉冲进行了4倍频,计数时间也相应地缩短了4倍15S,而数码管显示的数字却是1min的脉搏跳动次数。
用这种方案测量的误差为±4次/min,测量时间越短,误差也就越大。
图1方案原理图
74LS160计数器集成运放放大电路,555构成的单稳态触发器,D触发器组成的4倍频电路等电路。
采用简单的74LS160作为计数器,因为它是十进制计数器,无需改装,直接使用。
因为脉搏测量器所需的上百位的数字。
因此将三片74LS160直接进行进位方式连接,即得千进制计数器。
结合以上各部分电路内容及设计要求分析,以控制电路为枢纽,将经传感器、放大整形电路、倍频电路的脉搏信号和时间信号通过控制电路实现对计数器的控制,使其能够准确的显示脉搏数。
根据此框图,各部分电路有如下几种设计方案:
放大电路可以在同相放大器和反相放大器之间选择,二者几乎没有区别,在此选择使用反相比较器,整形电路可以用555构成的施密特触发器或者由运放组成的迟滞电压比较器,考虑到运放的使用较555简单方便,选择用运放构成迟滞比较器,倍频电路的形式很多,可以用锁相倍频器或者异或门倍频器等,由于锁相倍频器电路比较复杂,成本比较高,所以这里采用了能满足设计要求的D触发器组成的4倍频电路。
基准时间产生电路的设计方案也较多,可以选择石英晶体振荡电路、555定时器构成的单稳态触发器,因为石英晶体振荡电路还需要接入4060集成芯片,使用比555复杂,所以选择555产生基准时间,计数译码显示电路的计数器设计有较多方案,可以选择160、161、279等芯片均可以设置为10进制来满足要求,在此选择使用普遍,较熟悉的160作为计数器电路。
三、电路设计
数显式脉搏计主要由采样输入电路、脉冲计数电路、基准时间产生电路、译码显示电路四个部分组成。
且要求在开始工作15S后能自动停止对脉搏的计数以获得准确的脉搏数。
下次工作时通过按钮来清零,重新显示脉搏数。
其工作原理简介:
电路连接好以后,通过红外光照射人的手指的血脉流动情况,将脉搏信号转换成电平信号,由三极管接受之后经过放大电路将信号放大10倍,流入整形电路成为规则的矩形波,再由倍频电路对此信号进行二倍变频。
与此同时,基准时间电路由单稳态555产生一个周期为15秒的信号。
整个电路的核心部分控制电路的工作,按下开关,输出为低电平,对计数器和D触发器进行清零,输出高电平。
计数器的脉冲信号由锁存器输出信号、时间基准电路的输出信号、倍频电路信号通过三输入与非门产生。
由三输入与非门的输出信号作为计数器的时钟信号,驱动计数器计数。
计数器是由16进制的74LS160的10进制计数器,三个计数器从左至右分别为百位、十位、个位。
十位的计数受各位的影响,只有当个位计数到9后十位的使能端信号才有效。
十位开始计数,百位的计数原理同十位。
74LS160计数器集成运放放大电路,555构成的单稳态触发器,D触发器组成的4倍频电路等电路。
脉搏传感器作用将脉搏信号转换为响应的电脉搏冲信号。
放大电路多种多样,本次试验采用比较简单,廉价的运放电路。
由一个运放器和三个电阻就组成了。
放大倍数可调。
倍频电路对脉搏进行调频,如将15S内传感器所获得信号频率4倍频即可得到对应一分钟的脉冲数,从而缩短测量时间。
555定时器是为了实验在规定时间内完成。
本设计采用简单的74LS160作为计数器,因为它是十进制计数器,无需改装,直接使用。
因为脉搏测量器所需的上百位的数字。
因此将三片74LS160直接进行进位方式连接,即得千进制计数器。
结合以上各部分电路内容及设计要求分析,以控制电路为枢纽,将经传感器、放大整形电路、倍频电路的脉搏信号和时间信号通过控制电路实现对计数器的控制,使其能够准确的显示脉搏数。
1.传感器
脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为响应的电冲信号。
脉搏传感器是脉象检测系统重要的组成部分,其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结果的显示。
目前典型的脉搏传感器有以下三种:
光电类、压阻类和压电类。
传感器采用了红外光电转换器,作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况,把脉搏跳动转换为电信号。
传感器信号调节,该部分结构简单R1和R2的值分别选取510Ω和10KΩ,电源采用5V供电,红外线发光管采用TLN104接收三极管采用TLP104。
本次设计中是利用函数信号发生器,使用正弦波模拟人体脉搏跳动。
如图2.
图2传感器原理图
2.放大与整形
放大电路多种多样,本次试验采用比较简单、廉价的运放电路。
由一个运放器和俩个电阻就组成了符合要求的放大电路。
放大倍数可调,本次放大倍数大约为10倍。
由于整形电路比较复杂,要先较好的对脉冲信号的不规则整形是有一定的难度,初次想到的就使用电压比较器进行整形,但是在模拟软件下这种不知道那个是电压比较器。
如图3.
图3放大电路
3.倍频电路
该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频,以便在15s内测出1min内的人体脉搏跳动次数,从而缩短测量时间,以提高诊断效率。
如图4.
图4倍频电路
4.定时电路
555定时器是使时间长度为15s。
工作原理:
开关打开,RST、VCC、1端都为高电平,此时比较器1、2都输出高电平,输出端输出为低电平。
触发时:
触发信号加在触发端,比较器2输出低电平,锁存器置1,输出端输出高电平。
电源通过电阻R6向电容C2充电,暂稳态开始。
经过一个小的延迟时间,触发信号消失,触发端为高电平。
暂稳态结束时:
随着电容的充电,当时间达到15s的时候,电容两端电压为2/3VCC,THR和THI为1/3VCC,此时输出变为低电平。
时间常数有t=1.1RC可以求得。
取C5=10nF,C2=4.7uF,R6=2.9MΩ。
如图5.
图5555定时电路
5.计数译码显示
这部分电路主要要完成对方波脉冲计数,将计数结果译码显示出来的功能。
对于这部分电路,有很多方案都可以实现这个功能,而且电路都很相似,对于计数器,选择曾在这个学期做过的电子技术实验中多次用到的十进制计数器74LS160。
如图6.
图表6译码显示电路
四、性能测试
本次课程设计中是利用函数信号发生器,使用正弦波模拟人体脉搏跳动。
如下图7.
图7函数发生器
1.放大与整形电路测试
在本次课程设计中,由于传感器电阻大,输出信号较弱,所以需要放大电路。
如下电路的放大倍数为:
Au=Rf/Ri=10
如图9所示A通道为信号源波形,B通道为放大后的波形。
如图表8,9.
图8放大电路
图9放大电路测试
2.倍频放大电路
由于要求在15秒内完成60秒的测试,该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频,以便在15s内测出1min内的人体脉搏跳动次数,从而缩短测量时间,以提高诊断效率。
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=0.7×7K×0.4uF=1.96ms。
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=0.7×1K×0.1uF=0.07ms
如图表10,11.
图10倍频电路
图11倍频电路测试
3.定时电路测试
本次课题中,要求用15秒测出1min的人体脉搏,所以用555定时器使输出端在15秒以内为高电平,15秒之后为低电平,低电平指示灯变亮提示,电路停止计数,数码管停止跳动,显示1min内脉搏个数。
如图表12,13.
图12定时电路
图13定时电路测试
1.整体电路测试
下图为总图,和测试表格结果。
人的心跳不会全部相同,大概在60-80之间,表格1中不同频率表示不同人的不同心率,第二列表格表示不同人类在不同的心率下一分钟内的脉搏数量。
当函数传输时间达到15秒时,开关跳开,555输出为低电平,此时经过反向器二极管发光以作提示之用。
图14,表1,如下。
图14总电路图
表1测试数据表
频率(HZ)/人的心跳频率
数码管显示/人的脉搏数(1min)
1
060
0.5
030
1.25
076
1.5
090
2
129
10
581
五、结论
本次课程设计基本实现了课题的要求,将脉搏跳动信号转换为对应的电脉冲信号,放大整形后进行四倍频,并在15s(基准时间)内对此信号计数,便得到了1min脉搏数。
经过实训进一步加深对逻辑电路和一些常用IC如74LS160、7400、555等应用的熟悉和掌握。
另外,我也发现自己对数电知识和电子设计软件掌握得不够,其次在此次设计由于我们频繁的使用Multisim10这个仿真软件,因此我也进一步熟悉了此软件的使用,同时使用电脑对绘图操作上有了进一步提高。
我首先应选出一个比较该兴趣的课题,然后根据设计题目的技术指标或电路所实现的功能,对各单元模块进行设计,在设计过程中遇到了一些问题,使得我查找各种相关资料,在增长知识的同时增强解决问题和动手的能力,锻炼我做事细心、用心、耐心的能力。
这一课程设计,使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。
在以后的学习生活中,我会努力学习,培养自己独立思考的能力,积极参加多种设计活动,培养自己的综合能力,从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。
最后将各单元模块进行总体设计并画出原理框图。
最后我们用仿真软件对我们所设计的电路进行了仿真,经过我们不断地调试才达到我们实际的要求。
通过这次实践,使我对抽象的理论有了具体的认识。
也使对我专业知识和专业基础知识做了一次实际检验和巩固,这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
除了这些还要考虑的就是性价比的问题555集成芯片,74LS160,NE5532AI,7400,74LS86以及数码管都是在市场上的销售价格都比较便宜,可以买到,并且常用的芯片,在一定条件上可以代替市场上销售昂贵的脉搏计。
此脉搏计,制作简单,方便,成本低廉,性价比良好。
参考文献
1.彭介华,电子技术课程设计指导[M].北京:
高等教育出版社
2.孙梅生,李美莺,徐振英.电子技术基础课程设计[M].北京:
高等教育出版社
3.梁宗善.电子技术基础课程设计[M].武汉:
华中理工大学出版社
4.童诗白,华成英主编.模拟电子技术基础.[M]北京:
高等教育出版社,2006年
附录I总电路图
图表15电路总原理图
附录II元器件清单
表格2元器清单
序号
编号
名称
型号
数量
1
U1/2/3
数码管
DCD_HEX
3
2
U4
定时器
555
1
3
U5/8/9
译码器
74LS160N
3
4
U6A/6B/7A/7B
异或门
4070BD_10V
4
5
U10
与非门
NAND2
1
6
U11A
放大器
NE5532AI
1
7
R1/2/5
电阻
1010KΩ
3
8
R3
电阻
2.9MΩ
1
9
R4
电阻
100KΩ
1
10
R6
电阻
100Ω
1
11
U12/13
反相器
NOT
2
12
LED1
LED灯
LED—green
1
13
C1/2/3/4
电容
4
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