電子電工技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書

1、任務(wù)書（一）電路組成和工作原理（二）技術(shù)要求1. 應(yīng)用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)在一分鐘或半分鐘測(cè)量脈搏數(shù)，并顯示2. 測(cè)量誤差 2 次 /min3. 正常人脈搏為（ 60-80 ）次 /min ，老年人為（ 100-150）次 /min ，如出現(xiàn)心律不齊，要有所顯示4. 功能耗要低，體積小，重量輕（三）設(shè)計(jì)容和要求1. 用壓電瓷片作為脈搏傳感器，用 LED數(shù)碼管顯示2. 確定設(shè)計(jì)方案，畫出組成方框圖，簡(jiǎn)述每部分功能和基本實(shí)現(xiàn)方法3. 進(jìn)行單元電路分析，選擇合適的邏輯部分，采用動(dòng)感掃描顯示4. 進(jìn)行必要的計(jì)算，以確定主要元件參數(shù)值5. 繪制完整的原理圖6. 組裝電路并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試，說(shuō)明調(diào)試步驟和基本原理7.

2、 對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行討論，提出改進(jìn)意見(jiàn)，簡(jiǎn)要進(jìn)行誤差分析目錄一任務(wù)書2二概述4三電路組成和工作原理5四電路設(shè)計(jì)與計(jì)算17（一）放大整形電路17（二）設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器電路8（三）譯碼和顯示電路12（四）時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生電路15（五）心律監(jiān)測(cè)電路17五調(diào)試方法21（一）總體觀察21（二）檢查放大電路22（三）計(jì)數(shù)器和譯碼顯示電路的調(diào)試22（四）時(shí)基電路的調(diào)試22（五）漏夫脈沖檢出電路的調(diào)試23六脈搏測(cè)試儀的使用方法23七所用儀器設(shè)備和元件24八參考文獻(xiàn)25九總結(jié)26一. 概述脈搏測(cè)試儀是用來(lái)測(cè)量人體心臟跳動(dòng)頻率的有效工具，心臟跳動(dòng)頻率通常用每分鐘心臟跳動(dòng)的次數(shù)來(lái)表示。采用脈搏計(jì)測(cè)量心臟跳動(dòng)頻率， 不但精確，而且

3、使用方便， 顯示結(jié)果也十分醒目。（一）分析設(shè)計(jì)課題要求正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘 60-80 次（嬰兒 90-140 次，老年人為 50-150 次），這種頻率屬于低頻疇。因此，脈搏計(jì)是用來(lái)測(cè)試低頻信號(hào)的裝置，它的基本功能要求應(yīng)該是：1. 要把人體的脈搏（振動(dòng)）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這就要借助傳感器2. 對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)要進(jìn)行放大和整形等處理， 以保證其它電路能正常加工和處理3. 在很短的時(shí)間里（若干秒） ，測(cè)出經(jīng)放大后的電信號(hào)頻率值總之，脈搏計(jì)的核心是要對(duì)低頻電脈沖信號(hào)在固定的短時(shí)間計(jì)數(shù)， 最后以數(shù)字形式顯示出來(lái)。（二）確定總體方案把轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的脈搏信號(hào)，在單位時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，冰用數(shù)字顯示其計(jì)數(shù)值，從

4、而直接得到每分鐘的脈搏數(shù)，這種方案比較直觀，所需電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。這種方案的方框圖如圖：傳感器放 大 與計(jì)數(shù)器顯示器整形譯碼器心 律 監(jiān)時(shí)基信號(hào)測(cè)發(fā)生器方框圖中各部分的作用是：1. 傳感器：將脈搏轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)2. 放大電路：對(duì)微小電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大3. 時(shí)基產(chǎn)生電路：產(chǎn)生固定時(shí)間（ 1 分鐘或半分鐘）的控制信號(hào)，作為計(jì)數(shù)器的門控信號(hào)，使計(jì)數(shù)器只有在此期間才進(jìn)行計(jì)數(shù)4. 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路，在門控信號(hào)作用期間，對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并經(jīng)顯示譯碼器譯碼，再由數(shù)碼器顯示計(jì)數(shù)值5. 心律監(jiān)測(cè)電路，如出現(xiàn)心律不齊時(shí)，應(yīng)有所顯示三電路組成和工作原理（一）傳感器為了把脈搏轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，應(yīng)采用壓電式傳

5、感器，它有兩種基本類型：石英晶體和壓電瓷。目前更多使用的是壓電瓷， 它在性能上，能滿足脈搏計(jì)的要求，而且成本低（二）放大電路通常用運(yùn)算放大器，但在數(shù)字電路系統(tǒng)中也常用非門來(lái)構(gòu)成線性放大器，如圖所示，使門電路工作在線性區(qū)，它就有電壓放大能力。圖中門電路的輸出，輸入所接的反饋電阻是為其工作在線性區(qū)而設(shè)置的門電路構(gòu)成的放大電路， 具有功能小，穩(wěn)定性高和成本低等的優(yōu)點(diǎn)，它的缺點(diǎn)是輸出阻抗高和上限頻率低（三）時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生電路為了得到頻率較低， 脈沖寬度一定的時(shí)基信號(hào)， 通常用振篩加分頻的方法，先用振篩器產(chǎn)生高頻脈沖，然后經(jīng)數(shù)次分頻得到所要求的信號(hào)。 CC4060 部同時(shí)包含振篩和分頻部分電路。（四 )

6、計(jì)數(shù)器：計(jì)數(shù)器最好選用有選通脈沖輸出控制的計(jì)數(shù)器（五 ) 心律監(jiān)測(cè)電路： 用 555 定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與 Rs觸發(fā)器和一個(gè) LED 發(fā)光二極管組成， 心律不正常是指脈搏中間出現(xiàn)停跳的狀態(tài)， 即在連續(xù)的脈搏電信號(hào)中出現(xiàn)脈沖失落現(xiàn)象，通?？刹捎寐┦}沖檢出電路來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。四電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算（一）放大與整形電路這部分電路如圖所示。其中非門 G1和 G2構(gòu)成兩級(jí)放大器， 555 斯密特完成整形功能， 為了使 G1和 G2非門處于傳輸特性的線性區(qū)， 應(yīng)適當(dāng)選取反饋電阻 R1的阻值。其阻值不能太小， 否則非門的輸出與輸入間的信號(hào)直接饋通，一般 R1 值應(yīng)比非門的輸出電阻 R0大兩個(gè)數(shù)量級(jí)（非門 R

7、0=815K ), 但 R1的值也不能太大，否則使工作穩(wěn)定性變差，甚至有可能偏離出線性區(qū)。為此，R1值應(yīng)比非門的輸入電阻10R1 小 12 個(gè)數(shù)量級(jí)（ R1=10 ), 所以 R1=110m, 可選為 5.1m， 22m等值，由非門構(gòu)成的放大電路，其放大倍數(shù)約為20 倍，一般是不可調(diào)的，如放大倍數(shù)不夠，可采用多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)起來(lái)增大放大倍數(shù)，用555 定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形， R 無(wú)效（高電平）且 C-V 不外接電壓，所以當(dāng) U1 2/3EC 時(shí) 555 被置 0， UOUT輸出低電平， UI 1/3EC 時(shí) ,555 被置 1,UOut 輸出高電平，其傳輸特性有回差，通?；夭钤酱?，電路

8、抗干擾能力也越強(qiáng)，回差的抗干擾作用可用圖10.5 說(shuō)明。（二）計(jì)數(shù)器電路計(jì)數(shù)器是脈搏測(cè)量?jī)x的重要組成部分，電路采用74LS160作為計(jì)數(shù)器74LS160的特點(diǎn)：1. 有幾種功能：計(jì)數(shù)允許、計(jì)數(shù)清零、置位等2. 同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（加法）74LS160管腳排列如圖功能表見(jiàn)表現(xiàn)在簡(jiǎn)要說(shuō)明這些管腳的功能（1）CP(腳 2）：為計(jì)數(shù)脈沖輸入端（2）S1, S2( 腳 7. 腳 10) 為計(jì)數(shù)允許控制端，當(dāng) S1,S 2 為“ 1”時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖由 CP 端進(jìn)入計(jì)數(shù)器，而當(dāng) S1,S 2 為“ 0”時(shí)，禁止計(jì)數(shù)脈沖輸入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器保持禁止前的最后計(jì)數(shù)狀態(tài)（3）Rd（腳 1）為復(fù)零端， R=0時(shí)計(jì)數(shù)器輸出（

9、 190 193）全為 D（4）LD( 引腳 9）：為置位端， LD=1 時(shí)計(jì)數(shù)器輸出預(yù)值數(shù)（ 190193）（5）C(腳 15）進(jìn)位端，當(dāng) C=1時(shí)，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生進(jìn)位采用 74LS160作為計(jì)數(shù)器主要有以下幾個(gè)理由：（ 1）可以用 S1 ,S 2 端作為計(jì)數(shù)的一分鐘允許端（ 2）計(jì)數(shù)輸出為 BCD碼，便于譯碼顯示（ 3）可以通過(guò)三個(gè) 74LS160來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的要求74LS160功能表輸入輸出CP LD RD S1 S2QXXOXXO 01XX預(yù)置數(shù) 1111計(jì)數(shù)X110X保持X11X0保持實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的功能：用三個(gè) 74LS160來(lái)完成計(jì)數(shù)功能， 將 3 個(gè)計(jì)數(shù)器為個(gè)位、十位、百位、三個(gè)位數(shù)，將整

10、形后的輸入脈搏電信號(hào)輸入到計(jì)數(shù)器個(gè)位的CD端，來(lái)計(jì)八個(gè)數(shù)的數(shù)，將個(gè)位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端 C 與十位計(jì)數(shù)器的 CP相連來(lái)實(shí)現(xiàn)十位的計(jì)數(shù)，將十位的計(jì)數(shù)進(jìn)位端 C 與百位計(jì)數(shù)器 CP相連實(shí)現(xiàn)百位的計(jì)數(shù)，將 S,S 與振篩器輸出相連來(lái)控制計(jì)數(shù)器的工作時(shí)間， 保證當(dāng)一分鐘到時(shí)計(jì)數(shù)器停止工作， 然后通過(guò) Rd將計(jì)數(shù)器制 0，以便下次使用，連接如圖（b）所示。（三）譯碼和顯示電路譯碼器的功能是計(jì)數(shù)器74LS160輸出的計(jì)數(shù)結(jié)果為 （BCD)碼，轉(zhuǎn)換成七段字形碼，以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)數(shù)字變成符號(hào)的顯示。CC4511 是常用的 BCD 碼七段顯示譯碼器，它的管腳圖如下：Ain Din ：BCD碼輸入端ag：七段譯碼輸出

11、LT: 燈測(cè)試端BI: 熄滅測(cè)試端 LE: 鎖定允許端它本身由譯碼器和輸出緩沖器組成，具有鎖存譯碼和驅(qū)動(dòng)等功能，其輸出量達(dá)電流可達(dá) 25mA，可直接驅(qū)動(dòng)共陰極 LED數(shù)碼管。CC4511 的邏輯電路方框圖和引出端圖分別第二章介紹過(guò)，這里不再累贅。計(jì)數(shù)器使用 74LS160三個(gè)計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)， 所以要用三個(gè)譯碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)，十，百位的譯碼，將個(gè)位，計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端與個(gè)位的譯碼器輸入端相連實(shí)現(xiàn)譯碼個(gè)位。同理，也可以實(shí)現(xiàn)個(gè)位和百位的譯碼連接方法如圖數(shù)碼管限流電阻值需根據(jù)數(shù)碼管電流的允許值進(jìn)行計(jì)算， 若把電路中的某位顯示電路單獨(dú)畫出來(lái)如圖所示，限流電阻 R1 R7 可按下式進(jìn)行計(jì)算：R1R7 =(VOH-

12、V D)/IS式中 VOH為 CC4511輸出高電平（ VDD),VD為 LED正向工作電壓（約為 1.5 2V),I S為數(shù)碼管筆段電流（約為510mA)圖某位顯示電路（四）時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生電路時(shí)基電路應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)方波定時(shí)脈沖，用來(lái)控制計(jì)數(shù)器74LS160 的計(jì)數(shù)允許端 S1,S 2 以便使計(jì)數(shù)器在定時(shí)脈沖寬度所固定的時(shí)間進(jìn)行時(shí)脈搏脈沖計(jì)數(shù)，固定時(shí)間為一分鐘，為了得到定時(shí)的脈沖信號(hào)（計(jì)數(shù)器的門控信號(hào)） ，采用振篩。分頻的方法 , 在參考電路中，選用了 CC4060組件來(lái)完成這些功能。CC4060是一個(gè) 14 位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器（分頻器） ，但是它部除了 14 個(gè) T 型觸發(fā)器（組成 14 位計(jì)數(shù)器

13、）外，還包含一個(gè)振篩器，只要在 CP1,CP0,C PO 端外接電阻和電容，就可以構(gòu)成 RC 振篩器，有關(guān)電路已在第三章討論過(guò)了。為了得到 60 秒脈寬的定時(shí)信號(hào)， RC振篩器的輸出脈沖需經(jīng) 214 次分頻得到，該單元電路如圖所示，則 RC振篩器脈沖的頻率 f 0 約為：F 0=214/ （60×2)=136Hz圖秒定時(shí)電路當(dāng) CC4060接成 RC振篩器時(shí)，其振篩頻率為f 0 與 RC之間有以下近似關(guān)系：F0=1/2.2R TC阻 RT 的值小于 1K, 電容 CT應(yīng)大于或等于 100PF,一般可全選定容器 G容量，再根據(jù)上式可估算出電阻 RI 的值。阻 RS 是為了改善振篩器穩(wěn)定

14、性，減少由于器件的參數(shù)的差異，而引起振篩周期的變化可大為減小。為了得到準(zhǔn)確的振篩頻率值，實(shí)際上R1 和 RS 均采用電位器，以便調(diào)整。( 五）心律監(jiān)測(cè)電路圖所示電路，不僅可以測(cè)出人的心臟每分鐘跳動(dòng)次數(shù)， 還能夠指示出心律是否正常，心律不正常（心律不齊）是指脈搏中間出現(xiàn)停跳狀態(tài)，即在連續(xù)的脈搏電信號(hào)中出現(xiàn)脈搏失落的現(xiàn)象， 通?？刹捎寐┦}沖檢出電路來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)電路如圖所示。圖心律監(jiān)測(cè)電路圖漏夫脈沖檢出電路的核心部分是由555 定時(shí)器所組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。此外，在外接電容 C 的兩端并入了一個(gè)三極管T.在沒(méi)有加入觸發(fā)脈沖前，電路處于穩(wěn)態(tài)，輸出端（ 555 定時(shí)器引腳 3）為低電平， U0=0. 當(dāng)輸

15、入端（ 555 定時(shí)器引腳 7）的觸發(fā)脈沖下降沿到達(dá)后，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)輸出端為高電平， U0=1. 而后電源電壓 UCC通過(guò)電子 R 開(kāi)始向電容 C 沖電，當(dāng)充電至 VC=2/3VCC時(shí)，電路返回到穩(wěn)態(tài)，輸出端重新回到低電平， U0=0，這個(gè)穩(wěn)態(tài)一直維持到下一個(gè)觸發(fā)脈沖的下降沿到達(dá)時(shí)為止。 暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間只取決于外接電阻 R 和電容 C 的大小， t 10=1,1RC, 單穩(wěn)態(tài)電路的工作波形如圖：圖單穩(wěn)態(tài)電路的工作波形漏失脈沖檢出電路的基本原理是使電路在沒(méi)有漏失脈沖時(shí)，電容 C 充電值始終達(dá)不到 UC=2/3VCC，則輸出端將一直維持高電平，但是，當(dāng)有漏失脈沖時(shí)，電容C充電時(shí)間加長(zhǎng)，可使電容C

16、 充電值達(dá)到2/3V CC, 于是電路由暫穩(wěn)態(tài)返回穩(wěn)態(tài)，輸出端變?yōu)榈碗娖健?在下一個(gè)觸發(fā)脈沖下降沿達(dá)到時(shí)， 輸出端又變?yōu)楦唠娖剑?結(jié)果在漏失脈沖狀態(tài)下， 輸出端產(chǎn)生一負(fù)脈沖， 它可作為有漏失脈沖的標(biāo)志信號(hào)。 現(xiàn)結(jié)合圖所示電路和工作波形圖（見(jiàn)圖）進(jìn)行說(shuō)明。圖漏失脈沖檢出電路圖假設(shè)單穩(wěn)電路開(kāi)始時(shí)U0=1，本來(lái)電容 C 應(yīng)通過(guò)電阻 R 被電源電壓 VCC充電，但此時(shí) Ui 為低電平，晶體管 T 飽和導(dǎo)通，則 C 端電壓 UC 將近似為 0，只有在 t ，時(shí)刻后，由于 UI 為高電平，晶體管 T 截至，電容 C 才開(kāi)始充電， UC 將近似線性增加。當(dāng)?shù)竭_(dá) t 2 時(shí)刻，電容 C 充電電壓尚未達(dá)到 2/

17、3VCC，而觸發(fā)脈沖 UI 的下降沿出現(xiàn)了，在此后的 t 2t 3 期間。電容 C很快放電，這樣輸出端電壓 U0 仍保持原來(lái)的高電平。在 t 3 時(shí)刻 C 又充電，未沖到 2/3VCC 時(shí)， UI 又產(chǎn)生下降沿（ t 4 時(shí)刻），C 很快放電，······可見(jiàn)有漏失脈沖時(shí)，輸出端 U0 就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖，它就是檢出漏失脈沖的標(biāo)志信號(hào)。圖中的兩個(gè)與非門組成 Rs 觸發(fā)器，用來(lái)記憶漏失狀態(tài)。當(dāng)有漏失脈沖時(shí)， U0 出現(xiàn)負(fù)脈沖，于是 LED被點(diǎn)亮，以告測(cè)試者。為了能檢出漏失脈沖，應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度t 10=1.1Rc，使其

18、稍大于輸入脈沖的周期。由于正常人的心脈速度為60120 次 /min ，其周期為 10.5s ，則要求 1.1Rc>（ 0.5 1）s。電容 C的取值圍為幾百皮法到幾十微法，而電阻 R 應(yīng)該采用電位器，以便于調(diào)整。五調(diào)試方法在試驗(yàn)箱面包板上插接或在 EP刷電路板上焊入各元件，經(jīng)認(rèn)真檢查無(wú)誤后即可開(kāi)始調(diào)試。（一）總體觀察以低頻可調(diào)頻率脈沖發(fā)生器的輸出信號(hào)當(dāng)作脈搏傳感器的輸出信號(hào)，接通電源開(kāi)關(guān) S2，如顯示器顯示正規(guī)則數(shù)字， 表明電路基本工作正常， 而后按下清零按鈕 S1，對(duì)計(jì)數(shù)器和定時(shí)器清零， 則顯示的計(jì)數(shù)值應(yīng)不斷增加， 進(jìn)一步說(shuō)明電路的工作是正常的，否則要進(jìn)行逐級(jí)檢查。（二）檢查放大電路

19、仍用脈沖信號(hào)發(fā)生器做輸入信號(hào)源， 用脈沖示波器觀測(cè)放大電路和整形電路輸出端電壓波形， 正常情況下應(yīng)有 100 倍以上的放大， 整形電路輸出的電壓波形應(yīng)理想，否則可改動(dòng)一下整形電路外接電阻值。如果電壓放大倍數(shù)較小， 可改換兩個(gè)另外的非門， 或者再加一， 兩級(jí)電壓放大器。（三）計(jì)數(shù)譯碼和顯示電路的調(diào)試用低頻脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)做為計(jì)數(shù)器的輸入，從 LED數(shù)碼管上讀取數(shù)字，觀察個(gè)，十，百位計(jì)數(shù)器是否都能完成逢十進(jìn)一的功能。然后按下清零鈕 R，使兩個(gè)計(jì)數(shù)器均清零，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，則數(shù)碼管應(yīng)反映這一狀態(tài)。（四）時(shí)基信號(hào)電路的調(diào)試定時(shí)電路 CC4060的振篩頻率應(yīng)為 136Hz?？捎妹}沖示波器觀測(cè) CC

20、4060的 9 腳振篩波形，并調(diào)節(jié) 10 腳和 11 腳所接電位器 RW1和 RW2，使振篩頻率為要求值，然后用示波器觀測(cè) CC4060的 Q14 輸出波形，它應(yīng)完成 214=16384 次分頻，即其周期為 1/136X16384 13 秒。此時(shí)，再以低頻脈沖發(fā)生器的輸出做為計(jì)數(shù)器 74LS160 的計(jì)數(shù)脈沖，按清零鈕 R，使計(jì)數(shù)器和定時(shí)器同時(shí)清零， 用秒表記下此時(shí)的時(shí)間，隨著計(jì)數(shù)脈沖的輸入，數(shù)碼管計(jì)數(shù)值不斷增加， 當(dāng)計(jì)數(shù)值停止增加而穩(wěn)定不動(dòng)時(shí)，記下此時(shí)的時(shí)間。（五）漏失脈沖檢出電路的調(diào)試用低頻脈沖發(fā)生器輸出的脈沖信號(hào)，做為漏失脈沖檢出電路的輸入信號(hào)，調(diào)節(jié)檢出電路中的三極管，在輸入信號(hào)頻率為12Hz 時(shí)，發(fā)光二極管不亮。去掉脈沖信號(hào)源，用移位寄存器產(chǎn)生一個(gè)串行序列信號(hào)1101······加至晶體三極管的基極，再用雙蹤脈沖示波器觀察基極金和555 定時(shí)器引腳 3 的波形，此時(shí)有輸入漏失脈沖，同時(shí)發(fā)光二極管亮。六脈搏測(cè)試儀的使用方法可用 9V 疊層電池作為電源，也可以使用穩(wěn)壓電源。用松緊帶將壓電瓷片緊壓手腕的脈搏處，而后接通電源開(kāi)關(guān)（ S2), 顯示器