数字脉搏计 实验报告

数字脉搏计课程设计实验报告【设计任务与要求】1、要求用十进制数显示被测人体脉搏每分钟跳动的次数，测量范围30160次/min；2、要求在短时间内（5s、15s）测出脉搏数/每分钟；3、测量范围要求在4次/min以内；4、要求锁定每分钟脉搏数，将测量结果通过数码管出来，共分为显示计数过程，不显示技术过程两种方案；5、要求采用手动清零、自动清零（自启动）两种方式。【课程方案原理框图】【课程方案】1、信号发生与采集 将脉搏跳动信号传感器转换为与此相对应的电脉冲信号；2、放大电路 把传感器的微弱电流放大，微弱电压放大，采用高输入阻抗的非门进行放大；3、低通滤波 滤除空气中的高频，只让低频脉冲信号通过。对脉搏信号进行采集的时候，空气中交流工频干扰最大，根据有源滤波原理将其滤除。4、整形电路 可用两个非门组成的施密特触发器对放大后的信号进行整形；5、定时电路 用555定时器组成多谐振荡器，达到5s、15s的精确计时；6、通过计数、译码、显示读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。数码管采用共阴数码管。【单元电路设计与参数计算】1、信号发生与采集： 通过陶瓷压电传感器对脉搏进行采样收集。2、放大与滤波电路： 将5mV的正弦信号放大为5V的正弦信号，即差模电压增益为1000。图示为用LM324设计的同相放大器，其输出信号，Vi为幅值为5mV的输入信号。则另：左图为二阶低通滤波器电压增益随频率变化曲线，在f=fo之后随f增加，增益急剧下降，从而达到低于f频率通过的效果图示为二阶压控电压源低通滤波电路其实质是通带增益接近1的同相比例放大电路和滤波电路整合而成，通带增益AvP=1，截止频率为，令，则f200Hz。由于实际是在非理想状态，因此可以f在200Hz左右稍稍变化。经过仿真，在正弦信号超过200Hz时电压增益迅速下降，信号被过滤。3、整形电路：将幅值为5V的正弦信号整形为同一频率的幅值为5V的方波信号。由555定时器构成的施密特触发器555定时器功能表 滤波波形图 当三角波变为正弦波时，只要正弦波的幅值大于2/3倍Vcc即可出现于正弦波同一频率的方波图像并且幅值为Vcc=5V。 图示为低于截止频率(60Hz)的正弦波整形波形，正弦波为整形前电压，方波为整形后电压。 图示为高于截止频率(300Hz)的正弦波的整形电压，正弦波为整形前电压，方波为整形后电压。4、定时电路：本实验用555定时器构成多谐振荡器、五十进制器，九十进制器构成定时器，共同组合达到5s、15s的精确计时。（1）555多谐振荡电路：555多谐振荡器是一种自激震荡电路，没有稳态，只有两个暂稳态。其通过电容C2的不断充放电使vc在1/3Vcc和2/3Vcc之间不断变化，周而复始，于是在输入端产生了矩形脉冲。并且其关系为： tPH=0.7R1C； tPL=0.7R2C； 则该多谐振荡电路的周期为：T= tPH + tPH ； （2）五十进制器：用两片74LS160通过级联构成该进制器，用于限制时间，使测量时间能够精确到5s与15s。该进制器的电路图为：在该计数器工作的工程中，红灯一直保持发光，表示脉搏测量正在进行，当计数器计数到第五十次时，红灯灭，表示脉搏测量过程结束；同时图中的74LS00D输出一低电平信号以达到脉搏测量结果的锁定。（3）九十进制器：用两片74LS160通过级联构成该进制器，用于测量过程后的自动清零。如图，当该计数器计数至第九十次时， 74LS00D输出一低电平信号给各计数器，从而达到计数器的同步清零作用，脉搏测量器进行下一次工作。同时，图中所示开关起到异步清零作用，当开关打开时，所有计数器同时清零，重新开始脉搏技术。（4）共同配合作用：总体电路图：为了达到5s、15s的精确定时，要求时间平均分为五十份，即当t=5s时，555多谐振荡器的周期T=0.1s；当t=15s时，多谐振荡器的周期T=0.3s。周期计算通过公式完成。通过计算：T=0.1s时，C=0. 1uf，R1=R2=714.286K；T=0.3s时，C=0.1uf，R1=R2=2142.857K；为了达到精确定时，可以再加一滑动变阻器，通过示波器，进行精确定时。5、计数译码显示： 电路图：如图，该计数器为一百六十进制计数器，当计数至一百六十时，计数停止，保持一百六十不变，从而满足脉搏测量为30160/min的要求。6、倍频电路参数：R1=100K、R2=2.2M、R3=10K、R4=1.2M、R5=10K、C=0.68uF；原理：CD4046锁相的意义是相位同步的自动控制,功能是完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环,简称PLL。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）、低通滤波器三部分组成，如下图所示：CD4046内部电原理框图输入信号 Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器、的输入端，图3开关K拨至2脚，则比较器将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压U则反映出两者的相位差。U经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。VCO的输出又经除法器再进入相位比较器，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关K拨至13脚，则相位比较器工作，过程与上述相同，不再赘述。因为题目要求在5s与15s之内测量1min的脉搏数，故需要有一个12倍频、4倍频电路。故需要调整CD4526数字输入端，将a0、a1、a2、a3分别置为0、0、1、0（十进制为4）与0、0、1、1（十进制为12），从而实现倍频电路。【总原理及元器件清单电路工作】1、总电路图：（1）模电部分（2）数电部分： 打上电源开关，电路各部分开始工作。首先是压电陶瓷片采集人体的的脉搏信号，经放大和整形后，脉冲数通过倍频电路后进入计数器，开始计数，来一个脉冲计数器加一。同时定时器也开始工作，555多谐振荡器个元件采用与倍频电路相匹配的参数，在五十进制计数器计数至五十时，该电路中的74LS00输出以低电平信号反馈至计数译码电路、五十进制器电路74LS160的使能EP端，从而锁定计数译码电路中显示出的脉搏数与五十进制器。此时一直保持发光状态的红灯熄灭，表示脉搏测量结束。而九十进制器继续保持工作，当计数至九十后，该电路中的74LS00也输出也一低电平信号，该信号反馈至计数译码电路、五十进制器电路、九十进制器电路74LS160清零端R，使个计数器重新开始计数，并且计数译码电路的数码显示器同时归零，再次显示脉搏技术过程。图中开关闭合后J1断开后，亦达到清零作用，但该清零可以在任意时刻进行，为异步清零。该电路是显示测量计数过程的设计电路，若要在测量中不显示数字变化过程，则加一CD4511对计数译码的一百六十进制进行译码后再加上数码管，同时用五十进制器电路中74LS00中的输出信号对CD4511的LT端进行信号反馈，已达到所要求功能。2、元件清单元件名称类型及参数说明集成块CD45113块集成块CD45261块集成块CD40461块集成块74LS1607块集成块74LS002块集成块74LS10、74LS08各1块集成块555定时器2块电 阻若干电 容若干个集成块七段共阴数码管3块传感器压电陶瓷片1开 关J11个电 源VCC直流5V【调试与分析】实际中做实验时只要求做输电部分，即计数器部分，故对这一部分进行讨论分析：接通电源，加上信号后，Vpp设置为5mv，电路开始工作，进行记时。但由于二极管有电阻，故不能完全按照公式T=0.7（R1C +R2C）计算所需电阻值，实际电阻值要比理论值小，故在调节中进行通过调节滑动变阻器，以使电路精确记时。并且由于示波器无法测得频率为10Hz以下的信号，故只能用秒表来检测记时结果，导致实验出现误差。【实验结果】1、5s测量：测量结果12345输入频率1Hz6062606059输入频率2Hz1191231221201212、15s测量：测量结果12345输入频率1Hz6160626058输入频率2Hz119121120122123【讨论与心得】 本次实验由我和队员共同完成，在这个过程中使我受益匪浅。在确定各模块电路的过程中，不但训练了我们查找资料的能力，更是一次很好考验我们用所学的模拟电子技术基础和数字电子技术基础等相关知识来判断电路正确与否的机会。通过此次课程设计的锻炼，自己的动手能力有了很大的提高，查找问题、解决问题的能力也有了相应的进步。当然，这次试验也让我看到了我们的很多缺陷。首先就是在画原理图的时候没有看清数码管的管脚，以致出现乱码的情况。还有就是在确定方案之前，没有在实验板上认真搭建电路，事前摸清放大模块的工作情况。且在实验过程中自作主张，擅自更改电路图，导致了致命错误，浪费了极多的时间去检查电路错误。由于这三次较大的失误使整个设计与制作过程耗时耗力耗材超过预计。对于信号滤波，一定要求Avp3，否则将无法正常工作。对于信号整形，施密特触发器的电源Vcc与整形后方波信号幅值始终相同。对于倍频电路，如果频率过高，倍频无法及时跟随信号，导致达不到倍频的效果，如果频率过低，示波器又无法显示，因此需要将倍频后的信号接入发光二极管判断其是否正常倍频。对于电路连接，除了最基本的对管脚功能有所了解外，还应该判断好器件是上升沿还是下降沿触发，是否与仿真时候的器件相同。对于调试阶段，不慎在接入电源的情况下修改电路连接，导致部分器件的损毁，应多加注意。在观察实验结果时发现，并不是每次每次数据都与理论值准确，会有一定的波动，虽然数电只有高低电平两种状态，但是由于脉冲延迟等因素还是会有误差。最后，完成实验的那一刻我们都深深的感到非常有成就感。学完了数字电子技术与模拟电子技术以后，我们还从没有想到把他们整合到一起去设计某些东西。这次实验让我们把数电与模电的知识综合到了一起，锻炼了我们的动手、动脑能力，并接通过实验仿真让我们学会了使用仿真软件multisim，让我们都有了一颗创新的心！