數(shù)電課程設(shè)計(jì)--電子脈搏計(jì)

1、<p>　　評(píng)分: </p><p>　　數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　電子脈搏計(jì)數(shù)器</b></p><p>　　學(xué) 校： </p><p>　　二級(jí)院系：計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí)：

2、 </p><p>　　小組成員： </p><p>　　指導(dǎo)老師 </p><p>　　方案制作于2011-6-8</p><p>　　題目：數(shù)字電子脈搏計(jì)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)要求</b></p><p>

3、;　　設(shè)計(jì)一個(gè)電子脈搏計(jì)，要求：</p><p>　　1.實(shí)現(xiàn)在15秒內(nèi)測(cè)量1 min的脈搏數(shù)；</p><p>　　2.用數(shù)碼管將測(cè)得的脈搏數(shù)用數(shù)字的形式顯示；</p><p>　　3.測(cè)量誤差小于4次/min。</p><p><b>　　總體框圖</b></p><p><b>　

4、　1．</b></p><p>　　圖２－1　方案一整體框圖</p><p>　　方案一：人體的正常脈搏為每分鐘50-100次/秒。為了簡(jiǎn)化電路以及節(jié)省元件，我取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為0-99。讓信號(hào)發(fā)生器模擬人體脈搏的產(chǎn)生。以每個(gè)上升沿代表一次脈搏。讓計(jì)數(shù)器記錄上升沿的個(gè)數(shù)，然后左移兩位，表示所記數(shù)字乘以四。這樣我們就可以15秒鐘測(cè)量一分鐘的個(gè)數(shù)。但是這種方案由六位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換B

5、CD碼電路復(fù)雜，故障率高，延時(shí)較長(zhǎng)，且計(jì)數(shù)不能連續(xù)，所以舍棄這種方案。</p><p>　　圖２－２　方案二整體框圖</p><p>　　方案二：在計(jì)數(shù)器與脈搏產(chǎn)生器之間串聯(lián)一個(gè)四倍頻電路。這樣我們?cè)?5秒內(nèi)采集的脈沖個(gè)數(shù)就可以等效為一分鐘的個(gè)數(shù)，另外再加一個(gè)計(jì)時(shí)控制電路，當(dāng)計(jì)時(shí)為15秒時(shí)，讓計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，此時(shí)讀出的數(shù)據(jù)就是一分鐘的脈搏數(shù)。如需重新記數(shù)，只要清零即可。此種方法能夠連續(xù)計(jì)數(shù)

6、，且計(jì)數(shù)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。故選用第二種方案。</p><p><b>　　2．框圖介紹：</b></p><p>　　以下幾個(gè)模塊是構(gòu)成電子脈搏計(jì)的主要功能模塊，為使人們更了解該方案的原理，現(xiàn)將各個(gè)模塊介紹如下。</p><p>　　1.脈搏模擬電路主要是產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，來(lái)模擬人體的脈搏經(jīng)過(guò)傳感器和波形整形后的輸出信號(hào)。該信號(hào)直接送給脈搏四

7、倍頻電路。</p><p>　　2.四倍頻電路的作用是將脈搏模擬信號(hào)的頻率增加四倍，即讓計(jì)數(shù)器記錄的數(shù)據(jù)為實(shí)際值的四倍。讓我們?cè)?5s內(nèi)就可以讀出1分鐘的脈搏數(shù)。</p><p>　　3.時(shí)鐘產(chǎn)生電路由555構(gòu)成，主要是為整個(gè)電路提供一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘，讓被測(cè)者能夠?qū)Ρ葧r(shí)間與脈沖個(gè)數(shù)，來(lái)判斷脈搏的快慢。</p><p>　　4.計(jì)時(shí)電路接收時(shí)鐘信號(hào)并計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)到15s的

8、時(shí)候，給JK觸發(fā)器一個(gè)有效脈沖，讓JK觸發(fā)器通過(guò)與門(mén)控制脈搏信號(hào)與計(jì)數(shù)電路的通與斷。</p><p>　　5.清零信號(hào)主要是為下一次計(jì)數(shù)做準(zhǔn)備。當(dāng)需要再一次測(cè)量時(shí)，只需按下清零信號(hào)鍵，使數(shù)據(jù)歸零。就可以重新計(jì)數(shù)。</p><p>　　6.電源主要是為各個(gè)模塊提供電能，使其正常工作，本設(shè)計(jì)采用5V直流供電，電源直接從數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱上獲得。</p><p><b>

9、;　　元器件清單</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用數(shù)電中常見(jiàn)的器件，這樣我們就可以熟練地使用而且可以降低該電路的故障率。以下為本實(shí)驗(yàn)所使用的器件。</p><p>　　異或門(mén)74LS86一片，計(jì)數(shù)器74LS160兩片，16進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS163一片，JK觸發(fā)器74LS73一片，LM555一片，與門(mén)74LS08，非門(mén)74LS04，數(shù)碼管三個(gè)，發(fā)光二極管五只，二極管一只。電

10、阻電容若干。其中：</p><p>　　１．異或門(mén)：當(dāng)兩個(gè)輸入一致時(shí)，輸出為0，輸入相異時(shí)，輸出為1。通過(guò)查芯片資料得，以74LS86為代表的74LS系列的額定電壓為5V，最大5.25V。最小輸入高電平電壓2V，最大低電平輸入電壓0.8V。高電平最小輸出電壓2.7V，低電平最大輸出電壓0.5V。電源電流最大10mA。為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平。符合我們的設(shè)計(jì)要求。異或門(mén)的原理圖與真值表如圖３－１所示</p>

11、<p>　　圖3－１　異或門(mén)的邏輯符號(hào)與真值表</p><p>　?。玻?-2輸入與門(mén)及其真值表如圖３－２所示，A、B為與門(mén)的輸入端，Y為與門(mén)的輸出端。當(dāng)輸入全1時(shí)，輸出為1。當(dāng)輸入有0時(shí)，輸出為0。與門(mén)的這一功能決定它可以作為自動(dòng)控制的開(kāi)關(guān)使用。當(dāng)A端接信號(hào)，B端接控制端，B=1時(shí)，Y=A；B=0時(shí)，Y=0。</p><p>　　圖３－２　與門(mén)的邏輯符號(hào)與真值表</p

12、><p>　?。常?4LS160與74LS163有相同的邏輯結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖３－３所示，管腳圖如圖３－４所示：</p><p>　　ENT、ENP為芯片的使能端，當(dāng)ENT、ENP接高電平時(shí)芯片處于工作狀態(tài)，接低電平時(shí)處于休眠狀態(tài)。我們將這兩端接高電平，使它一直工作。CLR為清零端，CLR=0，QA～QD輸出為0，CLR=1，芯片正常工作。LOAD為同步置數(shù)端，低電平有效，當(dāng)LOAD為低，且有

13、下降沿來(lái)時(shí)，A、B、C、D四個(gè)數(shù)就并行置入，從QA，、QB、QC、QD輸出。RCO為進(jìn)位端。即由9變?yōu)?時(shí)，該端出現(xiàn)一個(gè)高電平。時(shí)序圖如圖3-4所示。</p><p>　　圖３－３　74LS160內(nèi)部電路圖</p><p>　　圖3-4　74LS160、74LS163邏輯圖</p><p>　　圖3-5 ７４ＬＳ１６０邏輯圖時(shí)序圖</p><p&

14、gt;　?。矗肑K觸發(fā)器74LS73帶有異步清零端。當(dāng)JK同時(shí)接1時(shí)，每來(lái)一個(gè)上升沿，1Q就翻轉(zhuǎn)一次。如果1CLR為低電平，無(wú)論有無(wú)上升沿，1Q輸出為0。邏輯結(jié)構(gòu)為圖３－5所示。</p><p>　　圖３－6?。剩擞|發(fā)器的邏輯圖</p><p>　?。担?55電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，定時(shí)器555是一種多功能集成電路，只要在外部接上幾個(gè)電阻和電容，就可以組成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)電路

15、和多諧振蕩器。由內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖可知它由比較器1、比較器2、與非門(mén)G1與G2的SR鎖存器和放電三極管TD組成。內(nèi)含一個(gè)由三個(gè)阻值相同的電阻R組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生1/3VCC和2/3 VCC兩個(gè)基準(zhǔn)電壓。在復(fù)位端加低電平信號(hào)，鎖存復(fù)位可以使輸出為低電平。正常工作時(shí)復(fù)位端加高電平。</p><p>　　TH：高電平觸發(fā)端簡(jiǎn)稱(chēng)高觸發(fā)端，又稱(chēng)閾值端，標(biāo)志為T(mén)H。</p><p>　　TR：低電平觸發(fā)端

16、，簡(jiǎn)稱(chēng)低觸發(fā)端，標(biāo)志為T(mén)R。</p><p>　　VCO：控制電壓端。VO：輸出端。</p><p>　　Dis：放電端。REST ：復(fù)位端。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)由555組成多諧振蕩器。</p><p>　　圖３－６?。担担祪?nèi)部原理圖和邏輯圖</p><p>　　表１　555功能真值表</p>&

17、lt;p>　　6.非門(mén)74LS04為一個(gè)反向器，其原理圖與真值表如圖3-7所示。A=0時(shí)，Y=1。A=1時(shí)，Y=0。</p><p>　　圖3-7非門(mén)邏輯符號(hào)</p><p>　　7.除了主要元件外，我們還用到了四輸入數(shù)碼管、發(fā)光二極管、電阻、電容等。其邏輯圖如圖所示：</p><p>　　圖3-8數(shù)碼管、電阻、電容、發(fā)光二極管邏輯圖</p>&

18、lt;p>　　對(duì)于數(shù)碼管，其直值表如下：</p><p>　　表二：數(shù)碼管輸出與輸入的關(guān)系真值表</p><p>　　各功能模塊及其原理：</p><p><b>　　電路原理總述：</b></p><p>　　電路原理如圖２－2所示，因?yàn)槭叭∶}搏需要傳感器，信號(hào)放大器，波形整形電路，為了方便起見(jiàn)，我以頻率可調(diào)的矩

19、形波模擬脈搏。經(jīng)過(guò)四倍頻，產(chǎn)生需要計(jì)數(shù)的脈沖。另一路，由NE555產(chǎn)生周期為1秒的矩形波，并輸給計(jì)時(shí)電路，做為時(shí)間基準(zhǔn)，控制脈搏脈沖的通與斷。再由脈搏計(jì)數(shù)器對(duì)脈搏進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。如需重新測(cè)量，只需讓各電路清零即可。此外，各個(gè)模塊用同一個(gè)電源供電。</p><p><b>　　１．四倍頻電路：</b></p><p>　　原理圖如圖４－１所示，其工作原理為

20、：當(dāng)a點(diǎn)為低電平穩(wěn)定時(shí)，b點(diǎn)為0。a=b,c=0。當(dāng)a由低變高時(shí)，第一個(gè)異或輸出為高。給電容充電，b點(diǎn)電壓逐漸升高，當(dāng)電壓達(dá)到異或門(mén)的閾值電壓2V時(shí)，c點(diǎn)為低。高電平時(shí)間由R1，C1的值共同確定。當(dāng)a點(diǎn)由高到低時(shí)，b點(diǎn)電壓不變，且電容開(kāi)始放電，此時(shí)，a=!b, c點(diǎn)電位為高，直到電容放電致電壓小于2V，c點(diǎn)跳變?yōu)榈?。整個(gè)過(guò)程組成一個(gè)二倍頻電路，兩個(gè)二倍頻電路構(gòu)成一個(gè)四倍頻電路。輸入與輸出波形如圖４－2所示。輸入脈搏信號(hào)用250HZ的矩形

21、波，T=4ms。前級(jí)二倍頻電路的高電平應(yīng)為2ms。經(jīng)計(jì)算得：TW=0.7RC=0.7×7K×0.4uF=1.96ms。</p><p>　　為使上升沿分布均勻，二級(jí)倍頻電路的高電平應(yīng)小于1/2TW。且如果電容過(guò)大，則波形可能出現(xiàn)丟步現(xiàn)象。故我們只需要分布均勻的上升沿即可。所以：</p><p>　　TW2=0.7RC=0.7×1K×0.1uF=0.0

22、7ms</p><p>　　圖４－１　四倍頻電路</p><p>　　圖４－２　倍頻電路輸出輸入波形比較</p><p><b>　　２、脈搏計(jì)數(shù)電路</b></p><p>　　脈搏計(jì)數(shù)電路主要用到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160，該元件功能已在元件清單里詳細(xì)介紹過(guò)，在此不再多說(shuō)。在兩個(gè)芯片級(jí)聯(lián)時(shí)，分同步級(jí)聯(lián)與異步級(jí)聯(lián)。同步

23、級(jí)聯(lián)的方法不僅電路簡(jiǎn)單，而且功耗較低，因?yàn)槭粩?shù)據(jù)顯示端只在進(jìn)位信號(hào)來(lái)時(shí)工作，其余時(shí)間不工作，而異步級(jí)聯(lián)十位數(shù)據(jù)顯示端一直工作，經(jīng)電流表測(cè)量，同步級(jí)聯(lián)電流為0.888uA,異步級(jí)聯(lián)電流為0.972uA,故我采用同步級(jí)聯(lián)的方法。</p><p>　　將個(gè)位數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端與十位數(shù)據(jù)的使能端聯(lián)接起來(lái)，把兩個(gè)芯片的LOAD與CLR都接高電平，兩個(gè)CLK端連起來(lái)接模擬的脈搏信號(hào)輸出端XFG1。這樣就組成一個(gè)100進(jìn)制的

24、計(jì)數(shù)器。XFG1每來(lái)一個(gè)上升沿，數(shù)碼管顯示的數(shù)字就會(huì)加1。</p><p>　　其電路聯(lián)接如圖4-3所示：</p><p>　　圖４－３　 脈搏計(jì)數(shù)電路</p><p>　?。场r(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路</p><p>　　時(shí)鐘信號(hào)在電子脈搏計(jì)中的作用是產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘，并控制脈搏計(jì)數(shù)器的工作，作為參考時(shí)鐘。時(shí)鐘電路的原理圖如圖4-4所示：</

25、p><p>　　圖４－４　555時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路原理圖</p><p>　　該電路是用LM555CM做的一個(gè)多諧振蕩器。為了得到占空比為50%的矩形波，在R2上并聯(lián)一個(gè)二極管，當(dāng)電容充電時(shí)，充電回路是VCC-R1-D1-C2-GND，電容放電時(shí)，放電回路是C2-R2-DIS-GND。振蕩周期由R1，R2，C2共同決定。其輸出波形如圖4-5所示。</p><p><

26、b>　　產(chǎn)生波形的周期</b></p><p>　?。ɡ硐霠顟B(tài)下）T=0.7（R1+R2）C</p><p>　　=0.7×（72+72）×0.01</p><p><b>　　=1.008ms</b></p><p>　　F=1/T=1KHZ</p><p>

27、;　　圖４－５　波形產(chǎn)生電路的輸出波形（T=0.1ms）</p><p>　　因?yàn)榉抡孳浖挠洉r(shí)單位是ms，若以s為單位，則要等很長(zhǎng)時(shí)間，故我采用1KHZ代替1HZ的時(shí)鐘信號(hào)。計(jì)算過(guò)程如上所示。</p><p><b>　　４、計(jì)時(shí)控制電路：</b></p><p>　　計(jì)時(shí)控制電路如圖４－６所示，74LS163是一個(gè)十六進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。ENT、

28、ENP和A接高電平，使芯片工作，B、C、D接低電平，即當(dāng)LOAD為低電平時(shí)，74LS163置1。芯片的CLR接R3與開(kāi)關(guān)，組成清零電路。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，CLR=1，芯片正常計(jì)數(shù)。當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，CLR=0芯片清零。R5為下拉電阻，R3=10K。（開(kāi)關(guān)打開(kāi)清零）</p><p>　　RCO為進(jìn)位信號(hào)端，當(dāng)計(jì)數(shù)到15時(shí)，QA～QD輸出高電平，下一個(gè)脈沖來(lái)時(shí)，QA～QD輸出為0、0、0、0。RCO來(lái)一個(gè)上升沿。使該上升沿經(jīng)過(guò)

29、一個(gè)非門(mén)引到LOAD端，即進(jìn)位時(shí)給LOAD一個(gè)低電平，使其置數(shù)。這樣計(jì)數(shù)器從1計(jì)到15然后返回1。這樣組成一個(gè)15進(jìn)制計(jì)數(shù)器。RCO端輸出為一個(gè)15分頻波形。四個(gè)發(fā)光二極管指示計(jì)數(shù)器所記數(shù)值。R6、R7、R8、R9為四個(gè)限流電阻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取300歐姆。</p><p>　　進(jìn)位信號(hào)端RCO每15秒產(chǎn)生一個(gè)上升沿，該上升沿給JK觸發(fā)器，JK觸發(fā)</p><p>　　器的JK接1，則每來(lái)一個(gè)

30、上升沿，1Q和～1Q翻轉(zhuǎn)一次。即1Q輸出15s的高電平，然后輸出15秒的低電平，時(shí)序如圖4-7所示。即控制計(jì)數(shù)器工作15秒，然后停15秒。LED5為控制狀態(tài)指示燈。LED5亮表示計(jì)數(shù)器不工作。LED5不亮則脈搏計(jì)工作。也就是說(shuō)LED5是一個(gè)報(bào)警器，我們也可以用一個(gè)蜂鳴器代替。</p><p>　　圖４－６　計(jì)時(shí)控制電路原理圖</p><p><b>　　總體設(shè)計(jì)電路圖</b

31、></p><p>　　1. 總體框圖如圖5-1所示，一路由555產(chǎn)生電鐘信號(hào)，從3端口輸出進(jìn)入74LS163的CLK端，讓163開(kāi)始計(jì)數(shù)。163的進(jìn)位端RCO接JK觸發(fā)器的CLK。讓1Q的高低電平每15秒變一次。清零系統(tǒng)由電源、按鍵、下拉電阻和地組成。74LS163的CLR、74LS160的CLR和74LS73的CLR端連在一起并接下拉電阻旁。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合，CLR輸入一個(gè)高電平；當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，CLR端輸入一個(gè)

32、低電平，系統(tǒng)清零。</p><p>　　另一路為信號(hào)處理電路，由波形發(fā)生器和四倍頻電路組成。這兩路信號(hào)通過(guò)一個(gè)與門(mén)電路合并在一起輸入計(jì)數(shù)電路的CLK端。當(dāng)1Q處于高電平時(shí)，脈搏信號(hào)通過(guò)與門(mén)直接輸入計(jì)數(shù)電路的CLK端。當(dāng)1Q為低電平時(shí)，與門(mén)輸出為0，相當(dāng)于脈搏與計(jì)數(shù)斷開(kāi)。脈搏計(jì)停止工作。</p><p>　?。? 操作方法：開(kāi)機(jī)后先使開(kāi)關(guān)斷開(kāi)再閉合，讓系統(tǒng)清零。此時(shí)74LS73的1Q端輸出為