数电课程设计电子脉搏计

电子课程设计 电子脉搏记 学院 太原科技大学华科学院 专业班级 电082203H 姓名 学号 指导老师 2010年12月课程设计要求务1总体框图1元器件清单各功能模块及其原理总体设计电路总结数字电子脉搏计一.设计任务要求设计一个电子脉搏计，要求：1.实现在15秒内测量1 min的脉搏数；2.用数码管将测得的脉搏数用数字的形式显示；3.测量误差小于4次/min。二 总体框图1时钟产生电路计时电路控制电路脉搏计数电路与门电源电路使能信号锁存电路脉搏模拟电路数码管显示电路清零电路左移两位BCD码转换图1方案一整体框图方案一：人体的正常脉搏为每分钟50-100次/秒。为了简化电路以及节省元件，我取计数器的计数范围为0-99。让信号发生器模拟人体脉搏的产生。以每个上升沿代表一次脉搏。让计数器记录上升沿的个数，然后左移两位，表示所记数字乘以四。这样我们就可以15秒钟测量一分钟的个数。但是这种方案由六位二进制码转换BCD码电路复杂，故障率高，延时较长，且计数不能连续，所以舍弃这种方案。时钟产生电路计时电路控制电路脉搏四倍频电路脉搏计数电路与门电源电路使能信号锁存电路脉搏模拟电路数码管显示电路清零电路图方案二整体框图方案二：在计数器与脉搏产生器之间串联一个四倍频电路。这样我们在15秒内采集的脉冲个数就可以等效为一分钟的个数，另外再加一个计时控制电路，当计时为15秒时，让计数器停止计数，此时读出的数据就是一分钟的脉搏数。如需重新记数，只要清零即可。此种方法能够连续计数，且计数电路结构简单。故选用第二种方案。2框图介绍： 以下几个模块是构成电子脉搏计的主要功能模块，为使人们更了解该方案的原理，现将各个模块介绍如下。1.脉搏模拟电路主要是产生一定频率的脉冲信号，来模拟人体的脉搏经过传感器和波形整形后的输出信号。该信号直接送给脉搏四倍频电路。2.四倍频电路的作用是将脉搏模拟信号的频率增加四倍，即让计数器记录的数据为实际值的四倍。让我们在15s内就可以读出1分钟的脉搏数。3.时钟产生电路由555构成，主要是为整个电路提供一个基准时钟，让被测者能够对比时间与脉冲个数，来判断脉搏的快慢。4.计时电路接收时钟信号并计时，当计时到15s的时候，给JK触发器一个有效脉冲，让JK触发器通过与门控制脉搏信号与计数电路的通与断。5.清零信号主要是为下一次计数做准备。当需要再一次测量时，只需按下清零信号键，使数据归零。就可以重新计数。6.电源主要是为各个模块提供电能，使其正常工作，本设计采用5V直流供电，电源直接从数电实验箱上获得。三、元器件清单本实验采用数电中常见的器件，这样我们就可以熟练地使用而且可以降低该电路的故障率。以下为本实验所使用的器件。异或门74LS86一片，计数器74LS160两片，16进制计数器74LS163一片，JK触发器74LS73一片，LM555一片，与门74LS08，非门74LS04，数码管两个，发光二极管四只。电阻电容若干。其中： 异或门：当两个输入一致时，输出为0，输入相异时，输出为1。通过查芯片资料得，以74LS86为代表的74LS系列的额定电压为5V，最大5.25V。最小输入高电平电压2V，最大低电平输入电压0.8V。高电平最小输出电压2.7V，低电平最大输出电压0.5V。电源电流最大10mA。为标准TTL电平。符合我们的设计要求。异或门的原理图与真值表如图所示 图3异或门的逻辑符号与真值表 4-2输入与门及其真值表如图所示，A、B为与门的输入端，Y为与门的输出端。当输入全1时，输出为1。当输入有0时，输出为0。与门的这一功能决定它可以作为自动控制的开关使用。当A端接信号，B端接控制端，B=1时，Y=A；B=0时，Y=0。图74LS08内部框图及管脚图和真值表74LS160与74LS163有相同的逻辑结构，其结构图如图所示，管脚图如图所示： ENT、ENP为芯片的使能端，当ENT、ENP接高电平时芯片处于工作状态，接低电平时处于休眠状态。我们将这两端接高电平，使它一直工作。CLR为清零端，CLR=0，QAQD输出为0，CLR=1，芯片正常工作。LOAD为同步置数端，低电平有效，当LOAD为低，且有下降沿来时，A、B、C、D四个数就并行置入，从QA，、QB、QC、QD输出。RCO为进位端。即由9变为0时，该端出现一个高电平。时序图如图3-4所示。图内部电路图图逻辑图 图3-5 逻辑图时序图 所用JK触发器74LS73带有异步清零端。当JK同时接1时，每来一个上升沿，1Q就翻转一次。如果1CLR为低电平，无论有无上升沿，1Q输出为0。逻辑结构为图5所示。图6触发器的管脚图555电路的内部结构如图3-6所示，定时器555是一种多功能集成电路，只要在外部接上几个电阻和电容，就可以组成施密特触发器、单稳态电路和多谐振荡器。由内部结构框图可知它由比较器1、比较器2、与非门G1与G2的SR锁存器和放电三极管TD组成。内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生 1/3VCC和2/3 VCC两个基准电压。在复位端加低电平信号，锁存复位可以使输出为低电平。正常工作时复位端加高电平。TH：高电平触发端简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。TR：低电平触发端，简称低触发端，标志为TR。VCO：控制电压端。VO：输出端。Dis：放电端。REST ：复位端。本实验由555组成多谐振荡器。图内部原理图输 入输 出THVODisVCCVCCVCCLHHHLH不变L导通截止不变导通表555功能真值表 非门74LS04为一个反向器，其原理图与真值表如图3-7所示。A=0时，Y=1。A=1时，Y=0。图3-7 非门逻辑符号与管脚图7.除了主要元件外，我们还用到了四输入数码管、发光二极管、电阻电容等。其逻辑图如图所示：图3-8 数码管、电阻、电容、发光二极管逻辑图与实物图对于数码管，其直值表如下：4321OUT4321OUT00000010150001101106001020111700113100080100410019表二：数码管输出与输入的关系真值表四、各功能模块及其原理：电路原理总述： 电路原理如图2所示，因为拾取脉搏需要传感器，信号放大器，波形整形电路，为了方便起见，我以频率可调的矩形波模拟脉搏。经过四倍频，产生需要计数的脉冲。另一路，由NE555产生周期为1秒的矩形波，并输给计时电路，做为时间基准，控制脉搏脉冲的通与断。再由脉搏计数器对脉搏进行计数。通过数码管显示出来。如需重新测量，只需让各电路清零即可。此外，各个模块用同一个电源供电。四倍频电路： 原理图如图所示，其工作原理为：当a点为低电平稳定时，b点为0。a=b,c=0。当a由低变高时，第一个异或输出为高。给电容充电，b点电压逐渐升高，当电压达到异或门的阈值电压2V时，c点为低。高电平时间由R1，C1的值共同确定。当a点由高到低时，b 点电压不变，且电容开始放电，此时，a=!b, c点电位为高，直到电容放电致电压小于2V，c点跳变为低。整个过程组成一个二倍频电路，两个二倍频电路构成一个四倍频电路。输入与输出波形如图2所示。输入脉搏信号用250HZ的矩形波，T=4ms。前级二倍频电路的高电平应为2ms。经计算得：TW=0.7RC=0.77K0.4uF=1.96ms。为使上升沿分布均匀，二级倍频电路的高电平应小于1/2TW。且如果电容过大，则波形可能出现丢步现象。故我们只需要分布均匀的上升沿即可。所以：图四倍频电路TW2=0.7RC=0.71K0.1uF=0.07ms。图倍频电路输出输入波形比较、脉搏计数电路脉搏计数电路主要用到十进制计数器74LS160，该元件功能已在元件清单里详细介绍过，在此不再多说。在两个芯片级联时，分同步级联与异步级联。同步级联的方法不仅电路简单，而且功耗较低，因为十位数据显示端只在进位信号来时工作，其余时间不工作，而异步级联十位数据显示端一直工作，经电流表测量，同步级联电流为0.888uA,异步级联电流为0.972uA,故我采用同步级联的方法。其电路联接如图4-3所示：图 脉搏计数电路将个位数据计数器的进位端与十位数据的使能端联接起来，把两个芯片的LOAD 与CLR都接高电平，两个CLK端连起来接模拟的脉搏信号输出端XFG1。这样就组成一个100进制的计数器。XFG1每来一个上升沿，数码管显示的数字就会加1。、时钟信号产生电路时钟信号在电子脉搏计中的作用是产生一个基准时钟，并控制脉搏计数器的工作，作为参考时钟。时钟电路的原理图如图4-4所示图555时钟信号产生电路原理图该电路是用LM555CM做的一个多谐振荡器。为了得到占空比为50%的矩形波，在R2上并联一个二极管，当电容充电时，充电回路是VCC-R1-D1-C2-GND，电容放电时，放电回路是 C2-R2-DIS-GND。振荡周期由R1，R2，C2共同决定。其输出波形如图4-5所示。产生波形的周期T=0.7（R1+R2）C=0.7（72+72）0.01=1.008msF=1/T=1KHZ图波形产生电路的输出波形因为仿真软件的记时单位是ms，若以s为单位，则要等很长时间，故我采用1KHZ代替1HZ的时钟信号。计算过程如上所示。、计时控制电路：计时控制电路如图所示，74LS163是一个十六进制的计数器。ENT、ENP和A接高电平，使芯片工作，B、C、D接低电平，即当LOAD为低电平时，74LS163置1。芯片的CLR接R5与开关，组成清零电路。当开关闭合时，CLR=1，芯片正常计数。当开关打开，CLR=0芯片清零。R5为下拉电阻，R5=10K。RCO为进位信号端，当计数到15时，QAQD输出高电平，下一个脉冲来时，QAQD输出为0、0、0、0。RCO来一个上升沿。使该上升沿经过一个非门引到LOAD端，即进位时给LOAD一个低电平，使其置数。这样计数器从1计到15然后返回1。这样组成一个15进制计数器。RCO端输出为一个15分频波形。四个发光二极管指示计数器所记数值。R1、R2、R3、R4为四个限流电阻。根据经验值取300欧姆。进位信号端RCO每15秒产生一个上升沿，该上升沿给JK触发器，JK触发器的JK接1，则每来一个上升沿，1Q和1Q翻转一次。即1Q输出15s的高电平，然后输出15秒的低电平，时序如图4-7所示。即控制计数器工作15秒，然后停15秒。LED5为控制状态指示灯。LED5亮表示计数器不工作。LED5不亮则脉搏计工作。也就是说LED5是一个报警器，我们也可以用一个蜂鸣器代替。 图计时控制电路原理图图CLK与1Q端波形对比五、总体设计电路图 1. 总体框图如图5-1所示，一路由555产生电钟信号，从3端口输出进入74LS163的CLK端，让163开始计数。163的进位端RCO接JK触发器的CLK。让1Q的高低电平每15秒变一次。清零系统由电源、按键、下拉电阻和地组成。74LS163的CLR、74LS160的CLR和74LS73的CLR端连在一起并接下拉电阻旁。当开关闭合，CLR输入一个高电平；当开关断开，CLR端输入一个低电平，系统清零。 另一路为信号处理电路，由波形发生器和四倍频电路组成。这两路信号通过一个与门电路合并在一起输入计数电路的CLK端。当1Q处于高电平时，脉搏信号通过与门直接输入计数电路的CLK端。当1Q为低电平时，与门输出为0，相当于脉搏与计数断开。脉搏计停止工作。图总体电路图图5-2 整体仿真波形整体仿真结果如图5-2所示，其中：29为倍频输出信号；7为JK触发器的1Q输出信号；28为与门输出信号，该信号接计数电路；1为74LS163进位端RCO输出波形；31为555产生时钟脉冲信号。该信号每出现15秒，JK触发器就跳变一次。. 操作方法：开机后先使开关断开再闭合，让系统清零。此时74LS73的1Q端输出为零，计数器不工作，这样做的目的是为了解决倍频电路的丢步问题。让系统等待15秒，计数器开始工作。记录15秒后计数停止，数码管显示不变，此时我们就可以读出人体1秒钟的脉搏数。如需重新开始，只要将开关再打开一次然后关闭即可。. 经过软件仿真和硬件搭建，均可实现上属功能。故该方案是正确的。六 总结书上得来终觉浅，绝知此事要躬行。通过本次课程设计，学生们真正使课堂学习与动手实践结合起来，提高了同学们的自学能力、动手能力和分析问题的能力。让我们更深刻的理解各个器件的功能及其应用。在此次设计中我也有机会帮助同学们更好地理解数字电路及其设计方法。在此期间，我一共给出了无数的设计方案，其中给出原理图20多个，真接仿真14个，并帮助同学们解决一些在调试中出现的问题。在大量的实验中，我总结出一种简单易行的设计方法，可以直接跳过列真值表、状态转换图以及逻辑公式。不仅可以节省时间，而且也使电路更加简单实用。我相信在以后的电路设计中会带来很大的帮助。此外，课程设计还使我们学到了诸如信息检索，文档阅读，以及各种软件的应用等知识，培养了我们考虑事情全面，做事认真，在遇到困难时不急不躁，冷静分析问题的习惯。- 22 -