數顯式脈搏測試儀資料

1、大學電子課程設計 數顯式脈搏測試儀學院： 專業(yè)、班級： 姓名： 學號： 指導老師： 2014年 12 月電子實習目錄一實習設計目的 3二 設計引言以及設計概述 3 1引言 2概述 3 目的 4意義 5 要求 6 內容 7要解決的主要問題 三設計方案的論證（理論依據和多種方案的分析比較） 4 四設計畫出總的原理框圖，簡述工作原理 7 五 設計各單元模塊， 闡述工作原理 8 （參數計算選擇、元件功能、芯片引腳功能、線路連接、工作原理、驗證過程）1 傳感器 82 放大與整形 93 倍頻電路104 定時電路105 計數譯碼顯示12六 調試各單元模塊（調試原理和調試方法）151 放大電路測試 152 倍

2、頻電路測試 163. 定時電路測試 174. 電路整體性能測試 18七 繪制總原理圖，詳細闡述工作原理 18八 心得體會 22九 參考文獻 22一、實習設計目的實習是對學生運用所學專業(yè)理論知識和實踐操作技能的一次檢驗，使學生得 到一次全面、系統的實踐訓練，以鞏固所學的理論知識，加強實際操作、獨立工 作和解決實際問題的能力。同時，培養(yǎng)嚴謹求實、團結協作、吃苦耐勞、遵守紀 律的良好作風，通過設計實習可達到以下目的：（1）加深對所學理論知識的理解，更熟練掌握基本理論，且將理論與實際相結 合。（2）學會基本的設計方法，能靈活運用所學理論知識進行設計，為今后的畢業(yè) 設計打下良好的基礎。（3）對所設計的電

3、路進行實際電路驗證，學會基本的調試電路的方法，二 設計引言以及設計概述（1）引言人體脈搏計的設計是基于傳感器，放大電路，顯示電路等基礎電路的基礎上， 實現對人體脈搏的精確測量。 其設計初衷是適用于各年齡階段的人群， 方便快捷 的測量脈搏次數， 并用十進制數顯示出來。 具體的各部分電路接下來將介紹。 隨 著時代的發(fā)展， 人類進入了信息化電子時代， 傳感器技術作為現代技術的主要內 容將有較大的發(fā)展。 信息技術包括技術、 通信技術和傳感器技術。 現代人類社會 已經進入信息時代， 因而信息技術對社會發(fā)展， 科學進步將起到決定性作用。 現 代信息技術的基礎是信息采集、 信息傳輸與信息處理， 他們就是傳感

4、器技術、 通 信技術和計算機技術。 傳統的脈搏測量用手工測量， 通常將指尖輕壓動脈向較堅 實的面， 以使脈搏的感覺傳到指尖， 如果將動脈壓上軟的組織， 則脈動波會被吸 收或抵消， 使指尖不易觸覺脈動； 指尖壓在動脈上的力量要適中， 用力太重將阻 斷血流，反而無脈搏產生。這種手工方法雖然簡單易行，但容易產生誤差，特別 是臨床住院病人常規(guī)的監(jiān)測上， 這種手工測脈搏的方法不僅影響工作效率， 并且 不能連續(xù)監(jiān)測， 無法實時觀察。 我們設計的數字脈搏計是一種自動測量人體脈搏 的儀器，能直觀地顯示人體每分鐘脈搏數，可連續(xù)、動態(tài)監(jiān)量，價格便宜，適于 普及推廣。本此課設設計了一款基于壓電傳感器的電子脈搏計，

5、實現在 30s 內測 量人的脈搏跳動次數，并且將脈搏次數顯示出來。 該傳感器可與電子電路相結合， 將脈搏信號轉化為模擬電信號， 并利用濾波技術等信號處理方法準確的測量人體 微弱的脈搏信號，而且可以進一步實現顯示記錄功能。（2）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， 生命科學和信息科 學的結合越來越緊密， 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)術語， 是指心臟每分鐘跳動次數， 已第一聲為準， 心

6、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， 導致主動脈的收縮和舒張， 是血流壓力 - 波的形式從主動脈根部開始沿著動脈系統傳播，這種波稱為脈搏 波。脈搏波所呈現的形態(tài)強度， 速率和節(jié)律等方面的綜合信息， 反應出許多生理 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不等。 因此心率測量問 題可以轉化為脈搏的測量， 而脈搏的測量更容易實現特點。 在實際應用中得到廣 泛應用。脈搏計在實際應用中非常廣泛，

7、 他是用來測量一個人的心臟跳動次數的 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， 從而掌握如何根據需求設計滿足要 求的各種電路圖，解決生活中的實際問題，將所學的知識應用于實踐。（3）實習目的加深對所學理論知識的理解，更熟練掌握基本理論，且將理論與實際相結合。 學會基本的設計方法， 能靈活運用所學理論知識進行設計， 為今后的畢業(yè)設計打 下良好的基礎。 對所設計的電路進行實際電路驗證， 學會基本的調試電路的方法 和熟悉焊接技術。 熟悉脈搏計電路的組

8、成， 工作原理和設計方法。 掌握多諧振蕩 器、倍頻器、計數器、譯碼器等工作的原理和使用方法等的特點、用途以及主要 參數的計算方法。熟悉集成電路芯片 74LS00、74LS160、晶閘管、有源濾波等電 路的特點以及主要參數的選擇方法。（4）意義培養(yǎng)理論聯系實際的正確設計思想， 訓練綜合運用已經學過的理論和生產實際 知識去分析和解決工程實際問題的能力。培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。（ 5）要求最終的電路要能夠實現在 15s 內測量人體 1min 的脈搏振動的次數，并且將振 動的次數通過顯示器顯示出來。一般來說，正常人的脈搏振動的次數為 6080 次/min ，嬰兒為 90100次/min ，老人為 1001

9、50次/min 。（6）內容人體脈搏計的設計是基于傳感器、 放大電路、 顯示電路等基礎電路的基礎上實 現對人體脈搏的精確測量。 其設計初衷是適用于各年齡階段的人群， 方便快捷的 測量脈搏次數，并用十進制數顯示出來。（7）要解決的主要問題 主要解決傳感器、放大與整形、倍頻電路、定時電路、計數譯碼顯示這五個單 元模塊的設計和連接，最終實現要求設計的功能。三 設計方案的論證（理論依據，多種方案的分析比較）（1）傳感器是將脈搏跳動信號轉換為與此相對應的電脈沖信號。（ 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。（ 3）倍頻器是將整形后所得到的脈沖信號的頻率提高。如將15s 內

10、傳感器所獲得的信號頻率 4 倍頻，即可得到對應一分鐘的脈沖數，從而縮短測量時間。（ 4）控制電路用 555 保證基準時間控制， 4 倍頻后的脈沖信號送計數、顯示電 路中。（5）計數、譯碼、顯示電路用來讀出脈搏數，以十進制數的形式由數碼管顯示 出來。上述測量過程中，由于對脈沖進行了 4 倍頻，計數時間也相應地縮短了 4 倍 15S，而數碼管顯示的數字卻是 1min 的脈搏跳動次數。 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。電路原理框圖如圖 1 所示：圖 1 方案一脈搏計原理框圖此方案采用脈搏傳感器， 74LS160計數器集成運放放大電路， 555 構成的單穩(wěn) 態(tài)觸發(fā)器，

11、 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換 為響應的電脈搏沖信號。 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就組成了。 放大倍數可調。 倍頻電路對脈搏進 行調頻，如將 15S內傳感器所獲得信號頻率 4倍頻即可得到對應一分鐘的脈沖數， 從而縮短測量時間。 555 定時器是為了實驗在規(guī)定時間內完成。本設計采用簡單 的 74LS160 作為計數器，因為它是十進制計數器，無需改裝，直接使用。因為脈 搏測量器所需的上百位的數字。 因此將三片 74LS160直接進行進位方式連接， 即 得千進制計數器。結合以上各部分電路內容及設計要求分析

12、， 以控制電路為樞紐， 將經傳感器、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 對計數器的控制， 使其能夠準確的顯示脈搏數。 根據此框圖， 各部分電路有如下 幾種設計方案： 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， 考慮到運放的使用較 555 簡單方便，選擇用運 放構成遲滯比較器， 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雜， 成本比較高， 所以這里采用了能滿足設計要 求的 D觸發(fā)器組成的 4 倍頻電路。

13、基準時間產生電路的設計方案也較多， 可以選 擇石英晶體振蕩電路、 555 定時器構成的單穩(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 復雜，所以選擇 555 產生基準時間，計 數譯碼顯示電路的計數器設計有較多方案， 可以選擇 160、161、279 等芯片均可 以設置為 10 進制來滿足要求，在此選擇使用普遍，較熟悉的 160 作為計數器電 路。方案二測量脈搏跳動固定次數（比如 5 次， 10 次）所需的時間，然后轉換為每分鐘 的脈搏數。電路原理圖如圖 2 所示。圖 2 方案二脈搏計原理框圖這兩種方案比較起來， 第一種更直觀， 所需的電路結構更簡單些； 第二種方

14、案 的測量誤差比較小， 但實現起來電路要復雜些。 為了使脈搏計輕巧而便宜， 通常 采用第一種方案。本文進行的設計就基于這一方案。四、電路設計數顯式脈搏計主要由采樣輸入電路、 脈沖計數電路、 基準時間產生電路、 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以 獲得準確的脈搏數。 下次工作時通過按鈕來清零， 重新顯示脈搏數。 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 轉換成電平信號，由三極管接受之后經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

15、 時間電路由單穩(wěn)態(tài) 555產生一個周期為 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，輸出為低電平，對計數器和 D觸發(fā)器進行清零，輸出高 電平。計數器的脈沖信號由鎖存器輸出信號、 時間基準電路的輸出信號、 倍頻電 路信號通過三輸入與非門產生。 由三輸入與非門的輸出信號作為計數器的時鐘 信號，驅動計數器計數。 計數器是由 16進制的 74LS160的 10進制計數器， 三個 計數器從左至右分別為百位、十位、個位。十位的計數受各位的影響，只有當個 位計數到 9 后十位的使能端信號才有效。 十位開始計數，百位的計數原理同十位。 74LS160計數器集成運放放大電路， 555 構成的

16、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換為響應的電脈搏沖信號。 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 電阻就組成了。 放大倍數可調。 倍頻電路對脈搏進行調頻， 如將 15S 內傳感器所 獲得信號頻率 4 倍頻即可得到對應一分鐘的脈沖數，從而縮短測量時間。 555 定 時器是為了實驗在規(guī)定時間內完成。 本設計采用簡單的 74LS160作為計數器， 因 為它是十進制計數器， 無需改裝， 直接使用。因為脈搏測量器所需的上百位的數 字。因此將三片 74LS160直接進行進位方式連接， 即得千進制計數器。 結合以上

17、各部分電路內容及設計要求分析， 以控制電路為樞紐， 將經傳感器、 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對計數器的控制， 使其能 夠準確的顯示脈搏數。（1）傳感器脈搏傳感器的作用是將脈搏信號轉換為響應的電沖信號。 脈搏傳感器是脈象檢 測系統中重要的組成部分， 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 動轉換為電信號。傳感器信號調節(jié)，該部分結構簡單 R1和 R2的值分別選取 510 和 10K，電源采用 5V 供電，紅外線

18、發(fā)光管采用 TLN104 接收三極管采用 TLP104。本次設計中是利用函數信號發(fā)生器， 使用正弦波模擬人體脈搏跳動。 其 原理電路如圖 3：20(2) 放大與整形 由于傳感器輸出電阻比較高，本次課程設計中的放大電路采用了同相放大器， 如圖所示，運放采用了 OP07，電源電壓采用正負 5V，放大電路放大倍數為 倍左右。整形電路在這里采用了最為簡單的與非門電路。電路如圖4 所示。圖 4 放大與整形電路NE5532AI 的功能介紹：1、等效輸入噪聲電壓5納伏/Hz 的典型值在 1kHz2、單位增益帶寬，典型值為 10MHz3、高直流電壓增益，典型值為 100V/mV4、峰峰值輸出電壓擺幅為 32V

19、典型的電壓 CC+=+18V 和 RL=600 5、高轉換率，典型值為 9V/us6、寬電源電壓范圍， +3V 到+20VNE5532AI 管腳接線圖（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 內測出 1min 內的人體脈搏跳動次數， 從而縮短測量時間， 以提高診斷效率。 倍頻電路的形式 很多，如鎖相倍頻器、異或門倍頻器等，由于鎖相倍頻器電路比較復雜，成本比 較高，所以這里采用了能滿足設計要求的 D觸發(fā)器組成的 4 倍頻電路。電路如圖 5 所示。圖 5 倍頻電路（4）定時電路555定時器是為了試驗在 15s 內完成任務，使單穩(wěn)態(tài)的時間長度為 15s。所以

20、定時時間為 15s。本試驗采用 555 單穩(wěn)態(tài)定時電路。工作原理大概如下：開關打開， 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：開關打開， 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，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)結束時：隨著電容的充電，當時間達到 15s 的時候，電容兩端電 壓為 2/3VCC,THR和 THI 為

21、 1/3VCC，此時輸出變?yōu)榈碗娖健r間常數有 t=1.1RC 可以求得。取 C5=10nF，C2=4.7uF，R6=2.9M。圖 6 定時電路10圖 7 555 內部原理圖和邏輯圖（5）計數譯碼顯示這部分電路主要要完成對方波脈沖計數， 將計數結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這個功能， 而且電路都很相似， 對于計數 器，選擇曾在這個 學 期做過 的 電子技 術實驗中多 次用到 的十進制計 數器 74LS160。電路如圖 8 所示。圖 8 計數與顯示芯片使用說明：74LS160 邏輯功能測試74LS160 是中規(guī)模集成同步十進制加法計數器， 具有異步清零和同步預

22、置數的功能。 使 用 74LS160 通過置零法或置數法可以實現任意進制的計數器。其引腳圖見圖9。先對 74LS160 的基本功能進行測試，并將計數器的工作狀態(tài)填入表 9 中。 異步清零：當 RD0 時，Q 0Q1Q2Q30。 同步預置： 當 LD 0 時，在時鐘脈沖 CP 上升沿作用下， Q 0D0，Q1D1，Q2D2，Q3 D3 。11 鎖存：當使能端 EP ET0 時，計數器禁止計數，為鎖存狀態(tài)。圖 9 74LS160 引腳圖計數：當使能端 EP ET 1 時，為計數狀態(tài)。表 9 74LS160 的邏輯功能表時鐘 CP異步清除RD同步置數LDEPET工作狀態(tài)0清零10預置數1101保持1

23、10保持（但 C=0）1111送數五、性能的測試本次課程設計中是利用函數信號發(fā)生器， 使用正弦波模擬人體脈搏跳動。 圖 10 所示。圖 10 函數信號發(fā)生器121. 放大電路測試 在本次課程設計中， 由于傳感器電阻大， 所以需要放大電路， 放大電路的電 路圖為圖 11所示，波形圖如圖 12 所示圖 11 放大電路圖 12 放大前與放大后的波形對比（ A 通道為信號源波形， B 通道為放大后波形）2）倍頻電路測試13四倍頻電路：原理圖如圖 13 所示，其工作原理為：當 a 點為低電平穩(wěn)定時， b 點為 0。 a=b,c=0 。當 a 由低變高時，第一個異或輸出為高。給電容充電， b 點電壓逐漸

24、升高，當電壓達到異或門的閾值電壓 2V時， c 點為低。高電平時間由 R1，C1的 值共同確定。 當 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，兩個二倍頻電路構成一個四倍頻電路。輸入與輸出波形如圖 14 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為 2ms。 經計算得： TW=0.7RC=0.7 7K0.4uF=1.96ms。為使上升沿分布均勻，二級倍頻電路的高電平應小于 1/2TW。且如果電容過 大，則波形可能出現丟步現象。故我們只需

25、要分布均勻的上升沿即可。所以：TW2=0.7RC=0.71K0.1uF=0.07ms。14圖 14 4 倍頻波形（ A 通道為頻率放大 4 倍后波形， B 通道為信號源波形）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秒以內為高電平， 15 秒之后為低電平。電路如圖 15 所示，波形如圖 16 所示。15圖 15 555 定時器部分電路圖 16 555 定時輸出波形（4）電路整體性能測試 在本次課程設計中當加入一個 1Hz，10V 的信號源時，在 15 秒時脈搏計上 的示數為 60，在題目要求的誤差范圍內16圖 17 加入 1hz

26、 信號源時 15 秒所測出的脈搏數 其他測量值如表一所示表一 輸入頻率以及脈搏計顯示示數輸入頻率脈搏計顯示1Hz600.5Hz302Hz12010Hz600六、結論本次課程設計基本實現了課題的要求， 將脈搏跳動信號轉換為對應的電脈沖信 號，放大整形后進行四倍頻，并在 15s（基準時間） 內對此信號計數，便得到 了 1min 脈搏數。七、性價比555 集成芯片， 74LS160，NE5532AI，7400,74LS86 以及數碼管都是在市場上 的銷售價格都比較便宜， 可以買到， 并且常用的芯片， 在一定條件上可以代替市 場上銷售昂貴的脈搏計。此脈搏計，制作簡單，方便，成本低廉，性價比良好。17八

27、、實訓心得體會經過為期兩周的數字電子技術綜合課程設計實習，我學到了很多東西，這一 課程設計使我們對課堂上所學的理論知識有了進一步的認識， 并增強了我對數字 電子技術這門課程的興趣， 我對實驗要求有新的提高， 增強我對焊接的嚴謹性， 動手能力也有一定的提高， 對電路板布線也知道了一些注意事項。 經過實訓進一 步加深對邏輯電路和一些常用 IC 如 74LS160、7400、555 等應用的熟悉和掌握。 另外，我也發(fā)現自己對數電知識和電子設計軟件掌握得不夠， 其次在此次設計過 程中由于我們頻繁的使用 Multisim10 這個仿真軟件，因此我也進一步熟悉了此 軟件的使用，同時使用電腦對繪圖操作上有了

28、進一步提高。我首先應選出一個比較該興趣的課題，然后根據設計題目的技術指標或電路 所實現的功能， 對各單元模塊進行設計， 在設計過程中遇到了一些問題， 使得我 查找各種相關資料， 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。這一課程設計，使我向更高的精神和知識層次邁向一 大步。在以后的學習生活中，我會努力學習，培養(yǎng)自己獨立思考的能力，積極參 加多種設計活動， 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 才而更加適應社會。 最后將各單元模塊進行總體設計并畫出原理框圖。 最后我們 用仿真軟件對我們所設計的電路進行了仿真， 經過我們不斷地調試才達到我們實 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)基礎知識做了一次實際檢驗和鞏固， 這次課程設計使我懂得了理論與實際相結 合是很重要的， 只有理論知識是遠遠不夠的， 只有把所學的理論知識與實踐相結 合起來，從理論中得出結論， 才能真正為社會服務， 從而提高自己的實際動手能 力和獨立思考的能力。 通過實訓明白數字電路的安裝， 焊接過程是一個考驗人耐 心的過程，對電路的安裝、焊接、分析。調試要一步一步的來，不能急躁，