電子電工技術課程設計

1、 任務書（1） 電路組成和工作原理（2） 技術要求 1.應用數(shù)字電路實現(xiàn)在一分鐘或半分鐘內(nèi)測量脈搏數(shù)，并顯示 2.測量誤差2次/min 3.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（3） 設計內(nèi)容和要求 1.用壓電陶瓷片作為脈搏傳感器，用LED數(shù)碼管顯示 2.確定設計方案，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.組裝電路并進行實驗調(diào)試，說明調(diào)試步驟和基本原理 7.對設計

2、電路進行討論，提出改進意見，簡要進行誤差分析 目錄1 任務書 22 概述 43 電路組成和工作原理 54 電路設計與計算 17 （一）放大整形電路 17 （二）設計計數(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 175 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 236 脈搏測試儀的使用方法 237 所用儀器設備和元件 248 參考文獻 259 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

3、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，而且使用方便，顯示結(jié)果也十分醒目。（1） 分析設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），這種頻率屬于低頻范疇。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）內(nèi)，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內(nèi)計數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來。（2） 確定總體方案 把轉(zhuǎn)換為電

4、信號的脈搏信號，在單位時間內(nèi)進行計數(shù)，冰用數(shù)字顯示其計數(shù)值，從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)構簡單。 這種方案的方框圖如圖：計數(shù)器放大與整形傳感器顯示器譯碼器時基信號發(fā)生器心律監(jiān)測方框圖中各部分的作用是：1. 傳感器：將脈搏轉(zhuǎn)換成相應的電脈沖信號2. 放大電路：對微小電脈沖信號進行放大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，應有所顯示3 電路組成和工作

5、原理（1） 傳感器 為了把脈搏轉(zhuǎn)換成電信號，應采用壓電式傳感器，它有兩種基本類型：石英晶體和壓電陶瓷。目前更多使用的是壓電陶瓷，它在性能上，能滿足脈搏計的要求，而且成本低（2） 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)而設置的門電路構成的放大電路，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（3） 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

6、信號。CC4060內(nèi)部同時包含振篩和分頻部分電路。（4) 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（5) 心律監(jiān)測電路：用555定時器構成的單穩(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┦}沖檢出電路來進行監(jiān)測。4 電路的設計與計算（1） 放大與整形電路 這部分電路如圖3.4.4所示。其中非門G1和G2構成兩級放大器，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)，應適當選取反饋電阻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值應比非門的輸出

7、電阻R0大兩個數(shù)量級（非門R0=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值應比非門的輸入電阻R1小12個數(shù)量級（R1=1010),所以R1=110m,可選為5.1m，22m等值，由非門構成的放大電路，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定時器構成施密特觸發(fā)器進行整形，R無效（高電平）且C-V不外接電壓，所以當U12/3EC時555被置0，UOUT輸出低電平，UI1/3EC時,555被置1,UOut輸出高電平，其傳輸特性有回差，通常回差越大，電路抗干擾能力也越強，回差的抗干擾作用可用

8、圖10.5說明。（2） 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.同步十進制計數(shù)器（加法） 74LS160管腳排列如圖3.4.5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S1,S2為“1”時，計數(shù)脈沖由CP端進入計數(shù)器，而當S1,S2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） （腳1）為復零端，R=0時計數(shù)器輸出（190193）全為D（4） (引腳9）：為置位端，LD=1

9、 時計數(shù)器輸出預值數(shù)（190193）（5） C(腳15）進位端，當C=1時，計數(shù)器產(chǎn)生進位采用74LS160作為計數(shù)器主要有以下幾個理由：（1） 可以用S1,S2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 S2QX X O X XO 0 1 X X 預置數(shù) 1 1 1 1 計數(shù)X 1 1 0 X保持X 1 1 X 0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)

10、的數(shù)，將個位計數(shù)器的進位端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3.4.5（b）所示。（3） 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： AinDin：BCD碼輸入端 ag：七段譯碼輸出 :燈測試端 :熄滅測試端 :鎖定允許端 它本身由譯碼器和輸出緩沖器組

11、成，具有鎖存譯碼和驅(qū)動等功能，其輸出量達電流可達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3.4.6.數(shù)碼管限流電阻值需根據(jù)數(shù)碼管電流的允許值進行計算，若把電路中的某位顯示電路單獨畫出來如圖3.4.7所示，限流電阻R1R7可按下式進行計算： R1R7=(VOH-VD)/IS式中VOH為CC4511輸出高電平（VDD),VD為LED正向工

12、作電壓（約為1.52V),IS為數(shù)碼管筆段電流（約為510mA) 圖3.4.7某位顯示電路（4） 時基信號產(chǎn)生電路 時基電路應產(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,S2以便使計數(shù)器在定時脈沖寬度所固定的時間內(nèi)進行時脈搏脈沖計數(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位二進制串行計數(shù)器（分頻器），但是它內(nèi)部除了14個T型觸發(fā)器（組成14位計數(shù)器）外，還包含一個振篩器，只要在CP1,CP0,O端外接電阻和電容，就可以構成RC振篩器，有關電路已在第三章

13、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3.4.8所示，則RC振篩器脈沖的頻率f0約為： F0=214/（60×2)=136Hz圖3.4.8 60秒定時電路當CC4060接成RC振篩器時，其振篩頻率為f0與RC之間有以下近似關系： F0=1/2.2RTC內(nèi)阻RT的值小于1K,電容CT應大于或等于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。內(nèi)阻RS是為了改善振篩器穩(wěn)定性，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。為了得到準確的振篩頻率值，實際上R1和RS均采用電位器，以便調(diào)整。(5） 心律監(jiān)

14、測電路圖3.4.9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┦}沖檢出電路來進行監(jiān)測電路如圖3.4.9所示。 圖3.4.9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.當輸入端（555定時器引腳7）的觸發(fā)脈沖下降沿到達后，電路進入暫穩(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

15、，當充電至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，t10=1,1RC,單穩(wěn)態(tài)電路的工作波形如圖： 圖3.4.10 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充電值始終達不到UC=2/3VCC，則輸出端將一直維持高電平，但是，當有漏失脈沖時，電容C充電時間加長，可使電容C充電值達到2/3VCC,于是電路由暫穩(wěn)態(tài)返回穩(wěn)態(tài)，輸出端變?yōu)榈碗娖?。在下一個觸發(fā)脈沖下降沿達到時，輸出端又變?yōu)楦唠娖?，結(jié)果在漏失脈沖狀態(tài)下，輸出端產(chǎn)生一負脈沖，它可

16、作為有漏失脈沖的標志信號。現(xiàn)結(jié)合圖3.4.9所示電路和工作波形圖（見圖3.4.11）進行說明。 圖3.4.11 漏失脈沖檢出電路圖假設單穩(wěn)電路開始時U0=1，本來電容C應通過電阻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?shù)竭_t2時刻，電容C充電電壓尚未達到2/3VCC，而觸發(fā)脈沖UI的下降沿出現(xiàn)了，在此后的t2t3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t3時刻C又充電，未沖到2/3VCC時，UI又產(chǎn)生下降沿（t4時刻），C很快放電，&#

17、183;·····可見有漏失脈沖時，輸出端U0就會出現(xiàn)一個負脈沖，它就是檢出漏失脈沖的標志信號。圖3.4.9中的兩個與非門組成Rs觸發(fā)器，用來記憶漏失狀態(tài)。當有漏失脈沖時，U0出現(xiàn)負脈沖，于是LED被點亮，以告測試者。 為了能檢出漏失脈沖，應適當調(diào)節(jié)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度t10=1.1Rc，使其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>（0.51）s。電容C的取值范圍為幾百皮法到幾十微法，而電阻R應該采用電位器，以便于調(diào)整。5 調(diào)試方法 在試驗箱面包板上插接或在EP刷電路板上

18、焊入各元件，經(jīng)認真檢查無誤后即可開始調(diào)試。（1） 總體觀察 以低頻可調(diào)頻率脈沖發(fā)生器的輸出信號當作脈搏傳感器的輸出信號，接通電源開關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)值應不斷增加，進一步說明電路的工作是正常的，否則要進行逐級檢查。（2） 檢查放大電路 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，正常情況下應有100倍以上的放大，整形電路輸出的電壓波形應理想，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。（3） 計數(shù)譯碼和顯示

19、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)碼管應反映這一狀態(tài)。（4） 時基信號電路的調(diào)試 定時電路CC4060的振篩頻率應為136Hz。可用脈沖示波器觀測CC4060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，它應完成214=16384次分頻，即其周期為1/136X1638413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

20、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，當計數(shù)值停止增加而穩(wěn)定不動時，記下此時的時間。（5） 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。6 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。用松緊帶將壓電陶瓷片緊壓手腕的脈搏處，而后接通電源開關（S2),顯示器將顯示無規(guī)則數(shù)字，這是接通瞬間電源的干擾脈沖構成的。緊接著按下清零按鈕（S1)