電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告模板

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 史宇浩學(xué)號(hào)11專業(yè)年級(jí)通信工程16級(jí)班級(jí)通信工程1班指導(dǎo)教師趙子龍劉備學(xué) 院機(jī)電工程學(xué)院2017年07月10日基本情況設(shè)計(jì)項(xiàng)目心電信號(hào)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作設(shè)計(jì)時(shí)間7月3日至7月8日設(shè)計(jì)地點(diǎn)成棟樓811設(shè) 計(jì) 目 的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是在學(xué)習(xí)了電路、模擬和數(shù)字電子技術(shù)課程之后，對課程進(jìn)行一次 綜合訓(xùn)練的一個(gè)重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生運(yùn)用已學(xué)的理論知識(shí)，通過學(xué)習(xí)EDA輔助設(shè)計(jì)軟件，經(jīng)過選題、查閱資料、設(shè)計(jì)、測試電路，最終用硬件電路驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。 通過設(shè)計(jì)、全過程的訓(xùn)練，使學(xué)生鞏固和加緊對所學(xué)知識(shí)的理解。 初步掌握用Multisim 軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的方法和步驟，并初步掌握組

2、合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)、 調(diào)試的方法。為今后從事電子電路的設(shè)計(jì)、電子產(chǎn)品的開發(fā)研制打下一定的基礎(chǔ)，是 電子技術(shù)人才培養(yǎng)的必由之路。設(shè) 計(jì) 任 務(wù)本設(shè)計(jì)以電路、模擬和數(shù)字電子技術(shù)課程中所涉及到的電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中所用的 儀表用放大器、集成運(yùn)算放大電路、有源濾波電路、門電路、脈沖波形整形電路、組 合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路和可編程邏輯器件為基礎(chǔ)，對心電信號(hào)測試系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立 設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo)(1設(shè)計(jì)心率測量范圍為50200次/分；(2) 設(shè)計(jì)一數(shù)據(jù)放大器，將10 mV左右的心電信號(hào)不失真地放大為4V;(3) 設(shè)計(jì)一個(gè)50Hz的陷波器(即帶阻濾波器)，濾除混人心電信號(hào)的50Hz工頻干

3、擾；(4) 設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖電路，實(shí)現(xiàn)將模擬心電信號(hào)的波形整形功能；(5) 設(shè)計(jì)一個(gè)倍頻電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)字心電信號(hào)的頻率變換功能。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，首先采用放大器將微弱的心電信號(hào)放大，為了濾除50Hz工頻干擾，在信號(hào)放大通道中嵌入50Hz陷波器。并對放大、濾波后大約為4左右的信號(hào)進(jìn)行測量心率。所以該系統(tǒng)包含信號(hào)調(diào)理電路與心率測量及顯示電路兩個(gè)模塊，總體框圖如圖2-8所示。信號(hào)調(diào)理電路心電信號(hào)主大器前置放大器50Hz陷波器整形電路PLL倍頻電路心率測量 及顯示心電信號(hào)處理系統(tǒng)組成框圖2-9所示。心電信號(hào)計(jì)數(shù)器采用根據(jù)以上思想，采用常用的元器件，構(gòu)成一個(gè)較為詳細(xì)的框圖，如圖74160三片十進(jìn)

4、制計(jì)數(shù)器，并采用兩片八 D觸發(fā)器74LS374作為計(jì)數(shù)狀態(tài)鎖存器，保證LED顯示器能穩(wěn)定顯示。譯碼驅(qū)動(dòng)電路采用三片74LS47,數(shù)碼管采用共陽極七段LED顯示器BS20&該電路在本設(shè)計(jì)中采用,由CPLD設(shè)計(jì)的頻率測量模塊。3X 74LS473X 74LS1602X 74LS374NE555CD4046L譯碼器分頻器晶體振蕩器顯示器2信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)前置放大器的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，首先采用放大器將微弱的心電信號(hào)放大，為了濾除 50Hz工頻干擾, 在信號(hào)放大通道中嵌入50Hz陷波器。并對放大、濾波后大約為4V左右的信號(hào)進(jìn)行測量心率。 所以該系統(tǒng)包含信號(hào)調(diào)理電路與心率測量及顯示電路兩個(gè)模塊

5、，總體框圖如圖2-8所示。心電信號(hào)圖2-8心電信號(hào)處理系統(tǒng)組成框圖信號(hào)調(diào)理電路根據(jù)以上思想，采用常用的元器件，構(gòu)成一個(gè)較為詳細(xì)的框圖，如圖2-9所示。心電信號(hào)計(jì)數(shù)器采用74160三片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并采用兩片八D觸發(fā)器74LS374作為計(jì)數(shù)狀態(tài)鎖存器， 保證LED顯示器能穩(wěn)定顯示。譯碼驅(qū)動(dòng)電路采用三片74LS47,數(shù)碼管采用共陽極七段 LED顯示器BS206該電路在本設(shè)計(jì)中采用，由 CPLD設(shè)計(jì)的頻率測量模塊。心電信號(hào)fsNE555CD40463X 74LS1602X 74LS3743X 74LS47主放大器的設(shè)計(jì)如前所述，分配給主大器的增益為40,其電路采用最普通的同相比例放大器，如圖3-5所

6、示。放大器增益為：A Uo (t)1 R2 Rp2Ui (t)R1設(shè)計(jì)要求最小增益為21倍，最大增益為41倍。LM124圖3-5主放大器電路50Hz陷波器的設(shè)計(jì)心電信號(hào)測量過程中，比較容易受 50Hz的工頻干擾，如圖3-6所示。所以在信號(hào)通道中, 最好插人50 Hz陷波器，以抑制干擾的影響。圖3-6 受50Hz工頻干擾的心電信號(hào)陷波器即帶阻濾波器一般有兩種形式， 二種是由雙T網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)放組成，另一種是由帶通濾 波器和相加器組成。雙T網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)放組成帶阻濾波器通過引入正反饋提高 Q值，但是它存在調(diào)諧不方便的缺點(diǎn)， 須嚴(yán)格控制元件的參數(shù)，以確保足夠的調(diào)諧精度和合理的陷波深度，采用 1%精度誤差的元件

7、參數(shù)，在陷波頻率點(diǎn)大約可以獲得-40-60dB的陷波能力。多路反饋有源二階帶通濾波器（MFBP主要特點(diǎn)是元器件的數(shù)量少，由于存在很強(qiáng)的負(fù)反 饋，Q值對元件變化的靈敏度較低，故可工作在高 Q值的情況下。因此本設(shè)計(jì)選用由帶通濾波器和相加器組成帶阻濾波器，電路如圖3-7所示，其中A1為帶通濾波器，A2為相加器。輸入電阻被分為R4和R5兩個(gè)電阻，形成一個(gè)分壓器，使得電路的增益和中心頻率可以被控制。MFBP帶通濾波器可以，允許對 Q值、Au和fo進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)，而且?guī)捄驮鲆嬉蜃优c民無關(guān)，因此，民可以用來調(diào)節(jié)中心頻率和增益 Au,而不會(huì)影響帶寬2 f0.7。帶通濾波器的傳遞函數(shù)為:U oi (s)代(Bp

8、)(s)ui(s)SF6C2 2S R4R5C 2S&C (1得頻率特性方程為AU(BP)(j)U。UiAo1 jQ( 0)0其幅頻特性為Au(BP)()1 Q2(0)2其相頻特性為arctan Q(一 一0)0式中，諧振增益為AoR6Cz 民(1 C2)C3中心頻率R6C2 C3 R4R5)，fo2 R6C2C31R5品質(zhì)因數(shù)通頻帶0.7Q0若取Ci C2C則上式可簡化為A0Rb2R4聯(lián)立得，Q。1)f0R3C，因此通頻帶可表示為2 f0.7foQoiReC電路參數(shù)估算步驟如下:02 fo.7ReQofoCR4Re2AoRsR4A02Qo2 ARs)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，取fo50Hz，2

9、f°.7 4Hz，增益 Au 1，并設(shè) R6=2F4,C 0.22 F試估算電路參數(shù)。MFBP仿真電路形式如圖3-8所示，仿真電路波形如圖3-9所示，帶通幅頻特性如圖3-10所示。XSC1圖3-8 MFBP仿真電路CH1/EVCHIMEAUP;ECHIFreq50Hz.cmiFMPk:CH2 i； =req:密卜2："CH2 :Fk-PkI 9Q.1mVCHI圖3-9 MFBP仿真電路波形圖3-10 MFBP仿真電路帶通幅頻特性帶阻濾波器的傳遞函數(shù) 代（BR）為:Au(BR)Uo(s)R6（iAu(BP)50Hz陷波器仿真電路波形如圖3-11所示，仿真電路波形如圖3-12所

10、示，帶阻幅頻特性如圖3-13所示XSC1XBP1圖3-11 50Hz陷波器仿真電路圖3-12 50Hz陷波器仿真電路波形圖3-13 50Hz陷波器仿真電路帶阻幅頻特性脈沖整形電路的設(shè)計(jì)在數(shù)字電路中，常常需要各種脈沖波形，這些脈沖波形的獲取方法主要有兩種：一種是通 過整形電路對已有的非脈沖波形進(jìn)行變換獲取；另一種則是利用脈沖信號(hào)產(chǎn)生器(即多諧振蕩器)直接獲取。在脈沖整形電路中，最常用的兩類整形電路是施密特觸發(fā)器(Schmitt Trigger )和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路。施密特觸發(fā)器主要用于將變化緩慢的或快速變化的非矩形脈沖變換成上升沿和 下降沿都變得陡峭的矩形脈沖，而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器則是主要用以寬度不符

11、合要求的脈沖變換成符 合要求的矩形脈沖。施密特觸發(fā)器由于施密特觸發(fā)器具有滯回特性，所以可用于抗干擾。圖3-14用施密特觸發(fā)器對脈沖整形555定時(shí)器是一種將模擬和數(shù)字電路結(jié)合的多用途單片集成電路，只要其外部配接少量阻 容元件就可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等。555定時(shí)器由3個(gè)阻值為5kQ的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比較器A1和A2、基本RS觸發(fā)器、放電三極管T1和緩沖反相器N1組成，如圖3-15所示，功能表如表3-1所示。8 Vet4 MR1 Ghffl圖3-15 555定時(shí)器功能框圖表3-1 555定時(shí)器功能表輸入輸Hi功儺猜宰咄1窩柚發(fā)端THTKOUT (Q 7放電i

12、9; vir oXX01卜嘰30守通?0L< 二 J31様it用1t< -V ,保持由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器完成對信號(hào)調(diào)理電路輸出的模擬信號(hào)整形，電路如圖4-16所示。用R與RL等值電阻把TH TR端直流電位平移于Vcc二分之一處，通過G耦合加入 交流輸入電壓。C4的作用是防止干擾電壓加到 CV端，以避免改變脈寬。圖3-16 555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器RIIIDQK27rGTWRQ由圖3-16所示的555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的仿真電路可知，該施密特觸發(fā)器的正 向閾值電壓（上觸發(fā)電平）為：Ut Up3 Vcc3533.33(V)反向閾值電壓（上觸發(fā)電平）為：1u tU

13、nVcc35 131.70(V)由圖3-16所示的555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的仿真波形可知，在輸入電壓VCc的三分之二、Vcc的三分之一兩點(diǎn)上，輸出電壓翻轉(zhuǎn)變化，輸入端直流電位正好處于兩點(diǎn)的中心值上， 只要輸入電壓峰峰值大于Vcc的三分之一，輸出就可得到重復(fù)頻率相同而相位相反的方波或脈 沖電壓信號(hào)。XSC1C34VCCRSToutDISTHRTRICONGND5.0V1薩R11100k QU3555_TIMER_RATED圖3-17 555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器仿真電路圖3-18 555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器仿真波形鎖相倍頻電路的設(shè)計(jì)采用CC4046勾成的鎖相倍頻電路，其倍率N=10（

14、。這只要在鎖相的VCO俞出端（4腳）與 鑒相器PC2的輸人端（3腳）之間插人N分頻器即可。詳圖如圖3-19、圖3-20所示。鎖相環(huán)的關(guān)鍵外圍元件是確定 VCO勺定時(shí)元件R3、Rm、G。如果要求VCO勺最低振蕩頻率 fomin = 0 Hz，就必須將第12腳開路，即R14 否則f omin > 0 HZ。Rl5、只6、G組成RC低通濾波器。適當(dāng)減小C6的容量可提高fomax值，但G不得小于20pF,以免VCC因充電不足而停 振。適當(dāng)增大的容量可減低fomin值。G的容量不能太小，否則當(dāng) R14 X時(shí)fomi n降不到零，而 是維持幾十至上百赫茲的低頻振蕩。其原因是VCO勺控制電壓Vd的波形

15、中伴有低頻自激振蕩， 致使VCg控。這時(shí)只需要增大 G的容量，Vd恢復(fù)平滑變化的直流電壓，即可濾除低頻干擾。第5腳是VCO勺禁止端，當(dāng)?shù)?腳置“ 1”時(shí)，VCC停止工作，置“ 0”時(shí)，VCC工作。輸人信號(hào)加到鎖相環(huán)鑒相器的一個(gè)輸人端（14腳），VCC輸出經(jīng)N分頻后的信號(hào)頻率為 f ° /N，并加到鑒相器另一個(gè)輸人端。第 4腳是VCO勺輸出端。圖3-19 CD4046鎖相倍頻電路CD4046勺詳細(xì)工作原理比較復(fù)雜，下面僅對所用到的外部使用功能作描述，并結(jié)合圖4-19VCO在不同參數(shù)下的特性，介紹其外圍元件參數(shù)的設(shè)計(jì)。VCO勺自由振蕩頻率設(shè)計(jì)（R3、R14、C5等元件的選擇）應(yīng)使fo /

16、N與fi之差落在鎖相環(huán)的 捕捉范圍之內(nèi)，否則會(huì)失鎖。設(shè)VDD = 5Vfi （平均）=80次/分=，最小為f min = 50次/分=,fimax=150 次/分=0 100倍頻后，壓控振蕩器VCO俞出頻率f°=100fi （平均）=,fomin=, foma=100X =250H不根據(jù)fomin和fomax來確定VCO勺定時(shí)元件只3、只4、G。最低查曲線如圖5-21（3）所示，得 fomax=時(shí)，R2=, C5=1 卩 F。選 R3=20kQ。環(huán)路濾波器由 R15、Re、C6組成，一般取 R3=470kQ, R4=47 kQ, C2=220nF圖3-20CD4046 VCC在不同參

17、數(shù)下的特性（a）C1、R2與 fomin 的關(guān)系 （b） fomax/fomin 與 R2/R1 的關(guān)系斗167±1即！I IOOKR1J20 KI+5V IKRI8 IKdi"RhSKIQin.K 4FN l215BSIG INC0：J IKYCO OUT PH COMF1 0U'：EPH U0MP2 (XTCtBPH FUI.SHRT'R2VCO INMHDM" OUTGNUr/EN乏R15 弗(X圖3-21鎖相倍頻電路100分頻電路采用雙BCD同步加計(jì)數(shù)器CD4518在一個(gè)封裝中含有兩個(gè)相同的二/十進(jìn)制 計(jì)數(shù)器，引腳功能如下：1CP 2CP時(shí)

18、鐘輸入端；1CR 2CR清除端；1EN 2EN計(jì)數(shù)允許控 制端；1Q0- 1Q03計(jì)數(shù)器輸出端；2QL2Q03計(jì)數(shù)器輸出端，其電路如圖4-22所示。CD4518控制功能：CD4518有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端CP和EN若用時(shí)鐘上升沿觸發(fā)，信號(hào)由 CP 輸入，此時(shí)EN端為高電平“ 1”，若用時(shí)鐘下降沿觸發(fā)，信號(hào)由 EN輸入，此時(shí)，CP端為低電 平“0”，同時(shí)復(fù)位端Cr也保持低電平“ 0”，只有滿足了這些條件，電路才會(huì)處于計(jì)數(shù)狀態(tài)， 否則不能工作。將數(shù)片CD4518串行級(jí)聯(lián)時(shí)，經(jīng)管每片CD4518署并行計(jì)數(shù)，但就整體而言已變成串行計(jì)數(shù) 了。需要指出，CD4518未設(shè)置進(jìn)位端，但可以利用 Q4做輸出端。若將第

19、一級(jí)的 Q4端接到第 二級(jí)的CP端，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)變成“縫八進(jìn)一”了，原因在于Q4是在CP作用下產(chǎn)生正跳變的， 其下降沿不能進(jìn)位脈沖，只是其下降沿才是“縫十進(jìn)一”的進(jìn)位信號(hào)。正確的接法應(yīng)是將低位 的Q4端接高位的EN端，高位計(jì)數(shù)器的CP端接VSS仿真電路如圖3-21，波形圖3-23所示。圖3-22鎖相倍頻電路仿真電路IM圖3-23鎖相倍頻電路仿真波形i.hridif-ILi>3裝配與調(diào)試信號(hào)調(diào)理電路裝配按照計(jì)算機(jī)仿真已達(dá)到的指標(biāo)的電路， 分別在萬能板上完成信號(hào)調(diào)理電路、 整形電路和倍 頻電路的焊接與裝配。圖4-1元器件面布局效果圖S翥 savq* :M 3* ss o尸 s&s g

20、op 口 r s£ . sss sfs ss 00100 ST* b nd土 一-*.n- f I» ra;1u二工-打= 上ag; dEoci“ jfgguT * krr* 乳- DOoDg 上 u-0 v-a'Qed 4QQQ uepco-sc-J'-s Mea-也 Qce-02%克 2 . S0S 0 J存2門市dr V詁 54 QsdEUKtx -_.-A t so wo 0-0. welT-g . VS0A?cjboeco特 0 曲oc心燈 H*? cbaonozo 盟二0口r actccZErird-l,.- -"業(yè)盤器富巧M-Lgl.

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22、F - - 建.sJgfgM 程go c a 寤罰選§ Hs_養(yǎng)諾理護(hù) isEFE : $dd »:2lu*tg yh Hi!囂HHr- 豐鑼髭首電口O圖4-2焊接面連線效果圖電路調(diào)試檢查電路連接無誤后，加信號(hào)源測試。前置放大器與主放大器的調(diào)試前置放大器輸出電壓U01m=224mV放大倍數(shù)Au1 = 主放大器輸出電壓U02m=放大倍數(shù)Au2=上述參數(shù)均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)且兩級(jí)放大器的輸出電壓U0m=放大倍數(shù)Au=216 滿足 U0m=U02m Au=Au* Au250Hz陷波器的調(diào)試中頻頻率f0=此時(shí)峰峰值達(dá)到最大 同頻帶上限頻率為下限頻率為 此時(shí)峰峰值均為最大值的倍 則同頻帶寬為MFBP曾益Au=并且反相脈沖整形電路的調(diào)試輸出信號(hào)波形是矩形波輸出信號(hào)頻率f0=200Hz輸出信號(hào)正脈寬=負(fù)脈寬=占空比=50%倍頻電路的調(diào)試用雙蹤