数显式脉搏计数器.docx
- 文档编号:28653330
- 上传时间:2023-07-19
- 格式:DOCX
- 页数:20
- 大小:1.35MB
数显式脉搏计数器.docx
《数显式脉搏计数器.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《数显式脉搏计数器.docx(20页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
数显式脉搏计数器
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
2.彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京:
高等教育出版社
3.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
4.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
5.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
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。
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
160作为计数器电路。
置为10进制来满足要求,在此选择使用普遍,较熟悉的
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.
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.
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.
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.
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
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.
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
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.
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.
12定时电路
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。
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
15电路总原理图
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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 数显式 脉搏 计数器