電子電工技術(shù)課程設(shè)計報告書

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)字電路實現(xiàn)在一分鐘或半分鐘測量脈搏數(shù)，并顯示2. 測量誤差 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)計方案，畫出組成方框圖，簡述每部分功能和基本實現(xiàn)方法3. 進(jìn)行單元電路分析，選擇合適的邏輯部分，采用動感掃描顯示4. 進(jìn)行必要的計算，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)行實驗調(diào)試，說明調(diào)試步驟和基本原理7.

2、 對設(shè)計電路進(jìn)行討論，提出改進(jìn)意見，簡要進(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)計與計算17（一）放大整形電路17（二）設(shè)計計數(shù)器電路8（三）譯碼和顯示電路12（四）時基信號產(chǎn)生電路15（五）心律監(jiān)測電路17五調(diào)試方法21（一）總體觀察21（二）檢查放大電路22（三）計數(shù)器和譯碼顯示電路的調(diào)試22（四）時基電路的調(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. 概述脈搏測試儀是用來測量人體心臟跳動頻率的有效工具，心臟跳動頻率通常用每分鐘心臟跳動的次數(shù)來表示。采用脈搏計測量心臟跳動頻率， 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，脈搏計是用來測試低頻信號的裝置，它的基本功能要求應(yīng)該是：1. 要把人體的脈搏（振動）轉(zhuǎn)換成電信號，這就要借助傳感器2. 對轉(zhuǎn)換后的電信號要進(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. 在很短的時間里（若干秒） ，測出經(jīng)放大后的電信號頻率值總之，脈搏計的核心是要對低頻電脈沖信號在固定的短時間計數(shù)， 最后以數(shù)字形式顯示出來。（二）確定總體方案把轉(zhuǎn)換為電信號的脈搏信號，在單位時間進(jìn)行計數(shù)，冰用數(shù)字顯示其計數(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)簡單。這種方案的方框圖如圖：傳感器放 大 與計數(shù)器顯示器整形譯碼器心 律 監(jiān)時基信號測發(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2. 放大電路：對微小電脈沖信號進(jìn)行放大3. 時基產(chǎn)生電路：產(chǎn)生固定時間（ 1 分鐘或半分鐘）的控制信號，作為計數(shù)器的門控信號，使計數(shù)器只有在此期間才進(jìn)行計數(shù)4. 計數(shù)、譯碼、顯示電路，在門控信號作用期間，對電脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，并經(jīng)顯示譯碼器譯碼，再由數(shù)碼器顯示計數(shù)值5. 心律監(jiān)測電路，如出現(xiàn)心律不齊時，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，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，能滿足脈搏計的要求，而且成本低（二）放大電路通常用運算放大器，但在數(shù)字電路系統(tǒng)中也常用非門來構(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，它的缺點是輸出阻抗高和上限頻率低（三）時基信號產(chǎn)生電路為了得到頻率較低， 脈沖寬度一定的時基信號， 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。 CC4060 部同時包含振篩和分頻部分電路。（四 )

6、計數(shù)器：計數(shù)器最好選用有選通脈沖輸出控制的計數(shù)器（五 ) 心律監(jiān)測電路： 用 555 定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與 Rs觸發(fā)器和一個 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)的脈搏電信號中出現(xiàn)脈沖失落現(xiàn)象，通?？刹捎寐┦}沖檢出電路來進(jìn)行監(jiān)測。四電路的設(shè)計與計算（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直接饋通，一般 R1 值應(yīng)比非門的輸出電阻 R0大兩個數(shù)量級（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 個數(shù)量級（ 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，可采用多級放大器級聯(lián)起來增大放大倍數(shù)，用555 定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形， R 無效（高電平）且 C-V 不外接電壓，所以當(dāng) U1 2/3EC 時 555 被置 0， UOUT輸出低電平， UI 1/3EC 時 ,555 被置 1,UOut 輸出高電平，其傳輸特性有回差，通?；夭钤酱螅娐?/p>

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

9、 190 193）全為 D（4）LD( 引腳 9）：為置位端， LD=1 時計數(shù)器輸出預(yù)值數(shù)（ 190193）（5）C(腳 15）進(jìn)位端，當(dāng) C=1時，計數(shù)器產(chǎn)生進(jìn)位采用 74LS160作為計數(shù)器主要有以下幾個理由：（ 1）可以用 S1 ,S 2 端作為計數(shù)的一分鐘允許端（ 2）計數(shù)輸出為 BCD碼，便于譯碼顯示（ 3）可以通過三個 74LS160來實現(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計數(shù)X110X保持X11X0保持實現(xiàn)計數(shù)的功能：用三個 74LS160來完成計數(shù)功能， 將 3 個計數(shù)器為個位、十位、百位、三個位數(shù)，將整

10、形后的輸入脈搏電信號輸入到計數(shù)器個位的CD端，來計八個數(shù)的數(shù)，將個位計數(shù)器的進(jìn)位端 C 與十位計數(shù)器的 CP相連來實現(xiàn)十位的計數(shù)，將十位的計數(shù)進(jìn)位端 C 與百位計數(shù)器 CP相連實現(xiàn)百位的計數(shù)，將 S,S 與振篩器輸出相連來控制計數(shù)器的工作時間， 保證當(dāng)一分鐘到時計數(shù)器停止工作， 然后通過 Rd將計數(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數(shù)器74LS160輸出的計數(shù)結(jié)果為 （BCD)碼，轉(zhuǎn)換成七段字形碼，以驅(qū)動數(shù)碼管實現(xiàn)數(shù)字變成符號的顯示。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: 燈測試端BI: 熄滅測試端 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)動等功能，其輸出量達(dá)電流可達(dá) 25mA，可直接驅(qū)動共陰極 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，這里不再累贅。計數(shù)器使用 74LS160三個計數(shù)器級聯(lián)， 所以要用三個譯碼器來實現(xiàn)個，十，百位的譯碼，將個位，計數(shù)器的四個輸出端與個位的譯碼器輸入端相連實現(xiàn)譯碼個位。同理，也可以實現(xiàn)個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)行計算， 若把電路中的某位顯示電路單獨畫出來如圖所示，限流電阻 R1 R7 可按下式進(jìn)行計算：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）時基信號產(chǎn)生電路時基電路應(yīng)產(chǎn)生一個方波定時脈沖，用來控制計數(shù)器74LS160 的計數(shù)允許端 S1,S 2 以便使計數(shù)器在定時脈沖寬度所固定的時間進(jìn)行時脈搏脈沖計數(shù)，固定時間為一分鐘，為了得到定時的脈沖信號（計數(shù)器的門控信號） ，采用振篩。分頻的方法 , 在參考電路中，選用了 CC4060組件來完成這些功能。CC4060是一個 14 位二進(jìn)制串行計數(shù)器（分頻器） ，但是它部除了 14 個 T 型觸發(fā)器（組成 14 位計數(shù)器

13、）外，還包含一個振篩器，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了。為了得到 60 秒脈寬的定時信號， 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圖秒定時電路當(dāng) CC4060接成 RC振篩器時，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，實際上R1 和 RS 均采用電位器，以便調(diào)整。( 五）心律監(jiān)測電路圖所示電路，不僅可以測出人的心臟每分鐘跳動次數(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)的脈搏電信號中出現(xiàn)脈搏失落的現(xiàn)象， 通?？刹捎寐┦}沖檢出電路來進(jìn)行監(jiān)測電路如圖所示。圖心律監(jiān)測電路圖漏夫脈沖檢出電路的核心部分是由555 定時器所組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。此外，在外接電容 C 的兩端并入了一個三極管T.在沒有加入觸發(fā)脈沖前，電路處于穩(wěn)態(tài)，輸出端（ 555 定時器引腳 3）為低電平， U0=0. 當(dāng)輸

15、入端（ 555 定時器引腳 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通過電子 R 開始向電容 C 沖電，當(dāng)充電至 VC=2/3VCC時，電路返回到穩(wěn)態(tài)，輸出端重新回到低電平， U0=0，這個穩(wěn)態(tài)一直維持到下一個觸發(fā)脈沖的下降沿到達(dá)時為止。 暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時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有漏失脈沖時，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，電容C充電時間加長，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?在下一個觸發(fā)脈沖下降沿達(dá)到時， 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。 現(xiàn)結(jié)合圖所示電路和工作波形圖（見圖）進(jìn)行說明。圖漏失脈沖檢出電路圖假設(shè)單穩(wěn)電路開始時U0=1，本來電容 C 應(yīng)通過電阻 R 被電源電壓 VCC充電，但此時 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 ，時刻后，由于 UI 為高電平，晶體管 T 截至，電容 C 才開始充電， UC 將近似線性增加。當(dāng)?shù)竭_(dá) t 2 時刻，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 仍保持原來的高電平。在 t 3 時刻 C 又充電，未沖到 2/3VCC 時， UI 又產(chǎn)生下降沿（ t 4 時刻），C 很快放電，······可見有漏失脈沖時，輸出端 U0 就會出現(xiàn)一個負(fù)脈沖，它就是檢出漏失脈沖的標(biāo)志信號。圖中的兩個與非門組成 Rs 觸發(fā)器，用來記憶漏失狀態(tài)。當(dāng)有漏失脈沖時， U0 出現(xiàn)負(fù)脈沖，于是 LED被點亮，以告測試者。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)真檢查無誤后即可開始調(diào)試。（一）總體觀察以低頻可調(diào)頻率脈沖發(fā)生器的輸出信號當(dāng)作脈搏傳感器的輸出信號，接通電源開關(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，對計數(shù)器和定時器清零， 則顯示的計數(shù)值應(yīng)不斷增加， 進(jìn)一步說明電路的工作是正常的，否則要進(jìn)行逐級檢查。（二）檢查放大電路

19、仍用脈沖信號發(fā)生器做輸入信號源， 用脈沖示波器觀測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， 可改換兩個另外的非門， 或者再加一， 兩級電壓放大器。（三）計數(shù)譯碼和顯示電路的調(diào)試用低頻脈沖信號發(fā)生器的輸出信號做為計數(shù)器的輸入，從 LED數(shù)碼管上讀取數(shù)字，觀察個，十，百位計數(shù)器是否都能完成逢十進(jìn)一的功能。然后按下清零鈕 R，使兩個計數(shù)器均清零，重新開始計數(shù)，則數(shù)碼管應(yīng)反映這一狀態(tài)。（四）時基信號電路的調(diào)試定時電路 CC4060的振篩頻率應(yīng)為 136Hz?？捎妹}沖示波器觀測 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 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，再以低頻脈沖發(fā)生器的輸出做為計數(shù)器 74LS160 的計數(shù)脈沖，按清零鈕 R，使計數(shù)器和定時器同時清零， 用秒表記下此時的時間，隨著計數(shù)脈沖的輸入，數(shù)碼管計數(shù)值不斷增加， 當(dāng)計數(shù)值停止增加而穩(wěn)定不動時，記下此時的時間。（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，做為漏失脈沖檢出電路的輸入信號，調(diào)節(jié)檢出電路中的三極管，在輸入信號頻率為12Hz 時，發(fā)光二極管不亮。去掉脈沖信號源，用移位寄存器產(chǎn)生一個串行序列信號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 定時器引腳 3 的波形，此時有輸入漏失脈沖，同時發(fā)光二極管亮。六脈搏測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，而后接通電源開關(guān)（ S2), 顯示器