數(shù)顯式脈搏計數(shù)器

1、課程設(shè)計數(shù)顯式脈搏測試儀設(shè)計班級學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師課程設(shè)計任務(wù)書課程名 稱數(shù)字邏輯課程設(shè)計課程設(shè)計題目數(shù)顯式脈搏測試儀設(shè)計課程設(shè)計的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計說明與技術(shù)指標(biāo)設(shè)計一個數(shù)顯式脈搏測試電路，技術(shù)指標(biāo)如下：測試時間為1分鐘。 實時顯示脈搏數(shù)，1分鐘時停止，并提醒。利用脈沖或者正弦波模擬脈搏傳感器輸出。要求用數(shù)碼管顯示時間。二、設(shè)計要求1 .在選擇器件時，應(yīng)考慮成本。2 .根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過分析計算確定電路和元器件參數(shù)。3 .畫出電路原理圖（元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。三、實驗要求1 .根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實驗方案；驗證所設(shè)計的電路，用 multisim軟件仿真。2 .進行實驗數(shù)據(jù)處理和分析。

2、四、推薦參考資料1 .彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)m.北京：高等教育出版社2 .孫梅生，李美鶯，徐振英.電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計m.北京：高等教育出版社3 .梁宗善.電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計m.武漢：華中理工大學(xué)出版社4 .童詩白，華成英主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).m北京：高等教育出版社，2006年 五、按照要求撰寫課程設(shè)計報告成績評定表:序號評定項目評分成績1設(shè)計方案正確，具后可行性，創(chuàng)新性（15分）2設(shè)計結(jié)果可信（例如：系統(tǒng)分析、仿真結(jié)果）（15分）3態(tài)度認真，遵守紀(jì)律（15分）4設(shè)計報告的規(guī)范化、參考文獻充分（不少于 5篇）（25分）5答辯（30分）總分最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）

3、指導(dǎo)教師簽字:1、 概述隨著人們生活水平的提高， 心臟疾病的發(fā)病率呈上升趨勢， 已成為威脅人類身體健康的殺手之一， 因為心臟病的發(fā)作具有突發(fā)性和隨機性， 所以為患者進行實時的測量監(jiān)控已成為必然的趨勢。 隨著電子科技的不斷發(fā)展， 生命科學(xué)和信息科學(xué)的結(jié)合越來越緊密， 許多研究人員都投身于人類的健康事業(yè)中。 心率： 用來描述心動周期的專業(yè)術(shù)語， 是指心臟每分鐘跳動次數(shù)， 已第一聲為準(zhǔn)， 心電信號是一種非常弱且頻率較低的一種信號， 一般幅值在 0.05 到 5 毫伏之間，頻率在0.05 到 100hz 之間，脈搏波：人體心室周期的收縮和舒張， 導(dǎo)致主動脈的收縮和舒張， 是血流壓力- 波的形式從主動脈

4、根部開始沿著動脈系統(tǒng)傳播，這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現(xiàn)的形態(tài)強度，速率和節(jié)律等方面的綜合信息，反應(yīng)出許多生理的血流特征， 而心率的測量是一種評價人生理狀況很好的方法。 心率和脈搏在身體正常的時候是相等的。 在房顫等心臟疾病的時候可出現(xiàn)不等。 因此心率測量問題可以轉(zhuǎn)化為脈搏的測量， 而脈搏的測量更容易實現(xiàn)特點。 在實際應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。 脈搏計在實際應(yīng)用中非常廣泛， 他是用來測量一個人的心臟跳動次數(shù)的電子儀器， 也是心電圖的主要組成部分， 用來測量頻率較低的小信號。 其原理適用于很多聲控器械， 它涉及到時序邏輯電路如何設(shè)計分析和工作等方面。 通過使電路更深刻的了解時序邏輯部件的工作原理，從而

5、掌握如何根據(jù)需求設(shè)計滿足要求的各種電路圖，解決生活中的實際問題。2、 方案論證主要由采樣輸入電路、 脈沖計數(shù)電路、 基準(zhǔn)時間產(chǎn)生電路、 譯碼顯示電路四個部分組成。且要求在開始工作15s 后能自動停止對脈搏的計數(shù)以獲得準(zhǔn)確的脈搏數(shù)。下次工作時通過按鈕來清零， 重新顯示脈搏數(shù)。 將脈搏信號轉(zhuǎn)換成電平信號， 由三極管接受之后經(jīng)過放大電路將信號放大10 倍，流入整形電路成為規(guī)則的矩形波， 再由倍頻電路對此信號進行二倍變頻。 與此同時， 基準(zhǔn)時間電路由單穩(wěn)態(tài)555 產(chǎn)生一個周期為 15 秒的信號。 整個電路的核心部分控制電路的工作，按下開關(guān)，輸出為低電平，對計數(shù)器和 d 觸發(fā)器進行清零，輸出高電平。計數(shù)

6、器的脈沖信號由鎖存器輸出信號、時間基準(zhǔn)電路的輸出信號、倍頻電路信號通過三輸入與非門產(chǎn)生。由三輸入與非門的輸出信號作為計數(shù)器的時鐘信號，驅(qū)動計數(shù)器計數(shù)。計數(shù)器是由 16 進制的 74ls160 的 10 進制計數(shù)器，三個計數(shù)器從左至右分別為百位、十位、個位。十位的計數(shù)受各位的影響，只有當(dāng)個位計數(shù)到 9 后十位的使能端信號才有效。十位開始計數(shù)，百位的計數(shù)原理同十位。1傳感器是將脈搏跳動信號轉(zhuǎn)換為與此相對應(yīng)的電脈沖信號。方法：可以利用函數(shù)信號發(fā)生器，使用正弦波模擬人體脈搏跳動。2 .放大整形電路把傳感器的微弱電流，微弱電壓放大，整形出去雜散信號。方法：可以 使用電壓比較器進行整型。3 .倍頻器是將整

7、形后所得到的脈沖信號的頻率提高。如將15s內(nèi)傳感器所獲得的信號頻率4倍頻，即可得到對應(yīng)一分鐘的脈沖數(shù)，從而縮短測量時間。方法：實現(xiàn)可以采用能 滿足設(shè)計要求的d觸發(fā)器組成的4倍頻電路。4 .控制電路用555保證基準(zhǔn)時間控制，4倍頻后的脈沖信號送計數(shù)、顯示電路中。5 .計數(shù)、譯碼、顯示電路用來讀出脈搏數(shù)，以十進制數(shù)的形式由數(shù)碼管顯示出來。上述測量過程中，由于對脈沖進行了 4倍頻，計數(shù)時間也相應(yīng)地縮短了 4倍15s,而數(shù) 碼管顯示的數(shù)字卻是1min的脈搏跳動次數(shù)。用這種方案測量的誤差為 4次/min,測 量時間越短，誤差也就越大。圖1方案原理圖74ls160計數(shù)器集成運放放大電路，555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)

8、觸發(fā)器，d觸發(fā)器組成的4倍 頻電路等電路。采用簡單的74ls160作為計數(shù)器，因為它是十進制計數(shù)器，無需改裝， 直接使用。因為脈搏測量器所需的上百位的數(shù)字。因此將三片74ls160直接進行進位方式連接，即得千進制計數(shù)器。結(jié)合以上各部分電路內(nèi)容及設(shè)計要求分析， 以控制電路為樞 紐，將經(jīng)傳感器、放大整形電路、倍頻電路的脈搏信號和時間信號通過控制電路實現(xiàn)對計 數(shù)器的控制，使其能夠準(zhǔn)確的顯示脈搏數(shù)。根據(jù)此框圖，各部分電路有如下幾種設(shè)計方案： 放大電路可以在同相放大器和反相放大器之間選擇，二者幾乎沒有區(qū)別，在此選擇使用反相比較器，整形電路可以用555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器或者由運放組成的遲滯電壓比較器， 考

9、慮到運放的使用較555簡單方便，選擇用運放構(gòu)成遲滯比較器，倍頻電路的形式很多， 可以用鎖相倍頻器或者異或門倍頻器等，由于鎖相倍頻器電路比較復(fù)雜，成本比較高，所以這里采用了能滿足設(shè)計要求的 d觸發(fā)器組成的4倍頻電路。基準(zhǔn)時間產(chǎn)生電路的設(shè)計 方案也較多，可以選擇石英晶體振蕩電路、555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，因為石英晶 體振蕩電路還需要接入4060集成芯片，使用比555復(fù)雜，所以選擇555產(chǎn)生基準(zhǔn)時間， 計數(shù)譯碼顯示電路的計數(shù)器設(shè)計有較多方案，可以選擇160、161、279等芯片均可以設(shè)160作為計數(shù)器電路置為10進制來滿足要求，在此選擇使用普遍，較熟悉的三、電路設(shè)計數(shù)顯式脈搏計主要由采樣輸入電

10、路、 脈沖計數(shù)電路、 基準(zhǔn)時間產(chǎn)生電路、 譯碼顯示電路四個部分組成。且要求在開始工作15s 后能自動停止對脈搏的計數(shù)以獲得準(zhǔn)確的脈搏數(shù)。下次工作時通過按鈕來清零，重新顯示脈搏數(shù)。其工作原理簡介：電路連接好以后，通過紅外光照射人的手指的血脈流動情況， 將脈搏信號轉(zhuǎn)換成電平信號， 由三極管接受之后經(jīng)過放大電路將信號放大10 倍， 流入整形電路成為規(guī)則的矩形波， 再由倍頻電路對此信號進行二倍變頻。與此同時，基準(zhǔn)時間電路由單穩(wěn)態(tài)555 產(chǎn)生一個周期為 15 秒的信號。 整個電路的核心部分控制電路的工作， 按下開關(guān)， 輸出為低電平， 對計數(shù)器和 d 觸發(fā)器進行清零， 輸出高電平。 計數(shù)器的脈沖信號由鎖存

11、器輸出信號、 時間基準(zhǔn)電路的輸出信號、倍頻電路信號通過三輸入與非門產(chǎn)生。 由三輸入與非門的輸出信號作為計數(shù)器的時鐘信號，驅(qū)動計數(shù)器計數(shù)。計數(shù)器是由 16 進制的 74ls160 的 10 進制計數(shù)器，三個計數(shù)器從左至右分別為百位、 十位、 個位。十位的計數(shù)受各位的影響， 只有當(dāng)個位計數(shù)到9 后十位的使能端信號才有效。十位開始計數(shù)，百位的計數(shù)原理同十位。 74ls160 計數(shù)器集成運放放大電路， 555 構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器， d 觸發(fā)器組成的 4 倍頻電路等電路。脈搏傳感器作用將脈搏信號轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的電脈搏沖信號。 放大電路多種多樣， 本次試驗采用比較簡單，廉價的運放電路。 由一個運放器和三個電阻

12、就組成了。放大倍數(shù)可調(diào)。倍頻電路對脈搏進行調(diào)頻，如將15s 內(nèi)傳感器所獲得信號頻率4 倍頻即可得到對應(yīng)一分鐘的脈沖數(shù)， 從而縮短測量時間。 555 定時器是為了實驗在規(guī)定時間內(nèi)完成。 本設(shè)計采用簡單的 74ls160 作為計數(shù)器，因為它是十進制計數(shù)器，無需改裝，直接使用。因為脈搏測量器所需的上百位的數(shù)字。因此將三片 74ls160 直接進行進位方式連接，即得千進制計數(shù)器。結(jié)合以上各部分電路內(nèi)容及設(shè)計要求分析， 以控制電路為樞紐，將經(jīng)傳感器、放大整形電路、 倍頻電路的脈搏信號和時間信號通過控制電路實現(xiàn)對計數(shù)器的控制， 使其能夠準(zhǔn)確的顯示脈搏數(shù)。1傳感器脈搏傳感器的作用是將脈搏信號轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的電沖

13、信號。脈搏傳感器是脈象檢測系統(tǒng)重要的組成部分， 其性能的好壞直接影響到后置電路的處理和結(jié)果的顯示。 目前典型的脈搏傳感器有以下三種： 光電類、 壓阻類和壓電類。傳感器采用了紅外光電轉(zhuǎn)換器， 作用是通過紅外光照射人的手指的血脈流動情況， 把脈搏跳動轉(zhuǎn)換為電信號。 傳感器信號調(diào)節(jié)，該部分結(jié)構(gòu)簡單r1和r2的值分別選取510q和10kq,電源采用5v供電，紅外線發(fā)光管采用tln104接收三極管采用tlp104。本次設(shè)計中是利用函數(shù)信號發(fā)生器，使用正弦波模擬人體脈搏跳動。如圖 2.2 .放大與整形放大電路多種多樣，本次試驗采用比較簡單、廉價的運放電路。由一個運放器和倆個 電阻就組成了符合要求的放大電路

14、。放大倍數(shù)可調(diào)，本次放大倍數(shù)大約為 10倍。由于整 形電路比較復(fù)雜，要先較好的對脈沖信號的不規(guī)則整形是有一定的難度， 初次想到的就使 用電壓比較器進行整形，但是在模擬軟件下這種不知道那個是電壓比較器。如圖 3.圖3放大電路3 .倍頻電路該電路的作用是對放大整形后的脈搏信號進行4倍頻，以便在15s內(nèi)測出1min內(nèi)的人體脈搏跳動次數(shù)，從而縮短測量時間，以提高診斷效率。如圖 4.圖4倍頻電路4 .定時電路555定時器是使時間長度為15s。工作原理：開關(guān)打開，rst、vcc、1端都為高電 平，此時比較器1、2都輸出高電平，輸出端輸出為低電平。觸發(fā)時：觸發(fā)信號加在觸發(fā) 端，比較器2輸出低電平，鎖存器置1

15、,輸出端輸出高電平。電源通過電阻r6向電容c2 充電，暫穩(wěn)態(tài)開始。經(jīng)過一個小的延遲時間，觸發(fā)信號消失，觸發(fā)端為高電平。暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束時：隨著電容的充電，當(dāng)時間達到15s的時候，電容兩端電壓為 2/3vcc,thr和thi為1/3vcc,此時輸出變?yōu)榈碗娖?。時間常數(shù)有 t=1.1rc可以求得。取 c5=10nf, c2=4.7uf, r6=2.9mq。如圖 5.圖5 555定時電路5 .計數(shù)譯碼顯示這部分電路主要要完成對方波脈沖計數(shù)，將計數(shù)結(jié)果譯碼顯示出來的功能。對于這部 分電路，有很多方案都可以實現(xiàn)這個功能，而且電路都很相似，對于計數(shù)器，選擇曾在這個學(xué)期做過的電子技術(shù)實驗中多次用到的十進制計數(shù)器7

16、4ls160。如圖6.圖表6 譯碼顯示電路u8： 74ls160h * h 凸 q1- - j ,-* k3總:htv- - - -9w- :等it :awt 口徑，;亙一四、性能測試本次課程設(shè)計中是利用函數(shù)信號發(fā)生器，使用正弦波模擬人體脈搏跳動。如下圖 7.圖步函數(shù)信號發(fā)生器-xfg1沽口信號選項公共7函數(shù)發(fā)生器1 .放大與整形電路測試在本次課程設(shè)計中，由于傳感器電阻大，輸出信號較弱，所以需要放大電路。如下電 路的放大倍數(shù)為：au=rf/ri=10如圖9所示a通道為信號源波形，b通道為放大后的波形。如圖表 8,9.5vvccu11a圖8放大電路圖9放大電路測試2 .倍頻放大電路由于要求在15

17、秒內(nèi)完成60秒的測試，該電路的作用是對放大整形后的脈搏信號進 行4倍頻，以便在15s內(nèi)測出1min內(nèi)的人體脈搏跳動次數(shù)，從而縮短測量時間，以提 高診斷效率。當(dāng)a點由高到低時，b點電壓不變，且電容開始放電，此時，a=!b, c點 電位為高，直到電容放電致電壓小于 2v, c點跳變?yōu)榈?。整個過程組成一個二倍頻電路， 兩個二倍頻電路構(gòu)成一個四倍頻電路。輸入與輸出波形如圖所示。輸入脈搏信號用250hz 的矩形波，t=4ms。前級二倍頻電路的高電平應(yīng)為 2ms。經(jīng)計算得：t w =0.7rc=0.7x 7k 義 0.4uf=1.96ms為使上升沿分布均勻，二級倍頻電路的高電平應(yīng)小于1/2t w o且如果

18、電容過大，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：t w2 =0.7rc=0.7 1k x0.1uf=0.07ms如圖表10,11.4070bd 10v10kq4jtb圖10倍頻電路-r-10kq圖11倍頻電路測試3 .定時電路測試本次課題中，要求用15秒測出1min的人體脈搏，所以用 555定時器使輸出端在 15秒以內(nèi)為高電平，15秒之后為低電平，低電平指示燈變亮提示，電路停止計數(shù)，數(shù)碼 管停止跳動，顯示1min內(nèi)脈搏個數(shù)。如圖表12,13.vccvccxsci圖12定時電路圖13定時電路測試1.整體電路測試下圖為總圖，和測試表格結(jié)果。人的心跳不會全部相同，大概在 6

19、0-80之間，表格1 中不同頻率表示不同人的不同心率，第二列表格表示不同人類在不同的心率下一分鐘內(nèi)的 脈搏數(shù)量。當(dāng)函數(shù)傳輸時間達到 15秒時，開關(guān)跳開，555輸出為低電平，此時經(jīng)過反向 器二極管發(fā)光以作提示之用 。圖14,表1,如下。kfg10-m-a5-wv-1dktmq4070bd10vc1 33ufvccu11au10fiamd2u12u7b210kd1q7qbd_1ov407qbd_1ov c2 一.3.&uflth4070bd 10vne5532ai r410qk 口lm5s0dco hex74ls160n-s韶35好!dcd hexdch.相招斗打聒iu8 74l31i60-ni

20、i1cc.il i? is16。時ycct!n -圖14總電路圖表1測試數(shù)據(jù)表頻率（hz） /人的心跳頻率數(shù)碼管顯示/人的脈搏數(shù)（1min）10600.50301.250761.5090212910581五、結(jié)論本次課程設(shè)計基本實現(xiàn)了課題的要求， 將脈搏跳動信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電脈沖信號，放大整形后進行四倍頻，并在15s （基準(zhǔn)時間）內(nèi)對此信號計數(shù)，便得到了 1min脈搏數(shù)。 經(jīng)過實訓(xùn)進一步加深對邏輯電路和一些常用ic如74ls160、7400、555等應(yīng)用的熟悉和掌握。另外，我也發(fā)現(xiàn)自己對數(shù)電知識和電子設(shè)計軟件掌握得不夠，其次在此次設(shè)計由于我們頻繁的使用 multisim10這個仿真軟件，因此我

21、也進一步熟悉了此軟件的使用，同時使用電腦對繪圖操作上有了進一步提高。 我首先應(yīng)選出一個比較該興趣的課題， 然后根據(jù)設(shè)計題目的技術(shù)指標(biāo)或電路所實現(xiàn)的功能， 對各單元模塊進行設(shè)計， 在設(shè)計過程中遇到了一些問題，使得我查找各種相關(guān)資料，在增長知識的同時增強解決問題和動手的能力，鍛煉我做事細心、用心、 耐心的能力。這一課程設(shè)計， 使我向更高的精神和知識層次邁向一大步。在以后的學(xué)習(xí)生活中， 我會努力學(xué)習(xí)，培養(yǎng)自己獨立思考的能力，積極參加多種設(shè)計活動， 培養(yǎng)自己的綜合能力， 從而使得自己成為一個有綜合能力的人才而更加適應(yīng)社會。 最后將各單元模塊進行總體設(shè)計并畫出原理框圖。 最后我們用仿真軟件對我們所設(shè)計的電路進行了仿真， 經(jīng)過我們不斷地調(diào)試才達到我們實際的要求。 通過這次實踐， 使我對抽象的理論有了具體的認識。也使對我專業(yè)知識和專業(yè)基礎(chǔ)知識做了一次實際檢驗和鞏固， 這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，