数电实验报告-电子脉搏计

1、题目：电子脉搏计设计一、设计任务与要求设计一个电子脉搏计，要求：实现在15S内测量1min的脉搏数；用数码管将测得的脉搏数用数字的形式显示；测量误差小于4次/min。二、方案设计与论证电子脉搏计是由脉搏计数器和控制时间的定时电路所组成，并且还要在15S 内测量出1min的脉搏数。所以，我们先按要求，分开设计各个功能的电路图， 然后再组合连接成一个完整的按要求的电子脉搏计。方案一：图21方案一整体框图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，再左移两位

2、，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。方案二:图2-2方案二整体框图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。方案二，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

3、如下。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。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。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。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。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

4、数。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、单元电路设计与参数计算电路原理总述：电路原理如图2-2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。1四倍频电路：原理图如图3-1所示，其工作原理为：当a点为低电平稳定时，b点为0。

5、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3-2 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：T=0.7RC=0.7 X7KX0.4uF=1.96ms。W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

6、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：Tw2=0.7RC=0.7 X1KX 0.1uF=0.07ms图3-1四倍频电路2、脉搏计数电路脉搏计数电路主要用到两个十进制计数器74LS160,该元件功能为：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。

7、即由9变为0时，该端出现一个高电平。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,故我米用同步级联的方法。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，这样就可以实现计算脉搏数量这一功能。其电路联接如图3-3

8、所示：图3-3脉搏计数电路3、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3-4所示：图3-4 555时钟信号产生电路原理图该电路是用LM555CN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3-5所示。产生波形的周期： (理想状态下)T=0.7 (R1+R2)C二0.7X(72+72)X0.01 =1.008msF=1

9、/T=1KHZ图3-5波形产生电路的输出波形（T=0.1ms）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。4、计时控制电路：计时控制电路如图3-6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R3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。R3为下拉电阻，R3=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

10、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。R6、R7、R8、R9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3-7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

11、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。而 LED1-4，是为了表示74LS163输出端QA、QB、QC、QD的高低电平。74LS73D74LS16 圳D . .C . .k . .V-A- :2000 :图3-6计时控制电路原理图四、总电路工作原理及元器件清单1.总原理图M0M23-J芝卫35常2.电路完整工作过程描述（总体工作原理）总体框图如图4-1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、

12、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。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

13、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。3.元件清单元件序号型号主要参数数量备注174LS160N2十进制计数器274LS163N1十六进制计数器374LS73D1双JK触发器474LS86N1异或门574LS08D1与门674LS04N1非门7LED_bule5发光二极管8DCD_HEX3数码管9二极管110电阻200 *1 300 *4 1k*17k*1 10*1 68.14k *21011电容0.009uf*1 0.1uf*20.4uf*1412电源5V113LM555CN1

14、555定时器五、仿真调试与分析电路设计好以后，用软件Multisim进行仿真。在这软件中，由于仿真软件 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，时间用1ms代替1s。当仿真开始，右下角的数码管开始显示时间从1至15 （秒）循环，用函数 发生器输入一个频率为500HZ的矩形波，待一段时间后，关闭开关。过一会，当 显示时间的数码管重新从1开始时，显示脉搏数的数码管也开始从1开始计数。 最后，当显示时间的数码管达到15且重置为1时，脉搏计数器显示30且停止， 待过15s后，脉搏计数器继续工作，显示从30开始，直到15秒后，达到60停 止。当开关A打开时

15、，脉搏计数器清零。故仿真结果正常，没误差，达到实验的 要求（在15s内测量1min的脉搏数，且误差小于4次/min）。接着停止电路工作，改变函数发生器的参数，输入一个频率为1000HZ的矩 形波，重复上面的步骤，可测量出在15s内测量1min的脉搏数为61个。此时， 测量结果61个/s和理论值60个/s有误差，不过误差小于4次/min。故整个电子脉搏计已设计成功。六、结论与心得通过了这次的数电课程设计性实验，我学习到了很多东西。平常我们做实验， 一般都是已经给出实验原理和实验过程的，我们只要按实验要求去做就可以了。 但是，这次的设计性实验，需要我们应用所学到的数电知识，按照设计任务要求， 自己

16、去设计整个实验，两者有很大的区别。自己设计实验，不但使我更加熟悉、 了解所学数电知识，而且，也学到了设计实验过程中，如何使实验达到要求的实 验设计思维，培养了我的动手能力。在此次的设计性实验过程中，我学习了如何去设计出一个实验。首先，先是 按照实验任务要求，设计几个实验实现方案，然后对于各个方案，进行思考和猜 想，选出一个最适合的方案。接着，就是把方案中的每一部分，用电路去实现。 最后就是把所有的部分连接起来，组成一个完整的实验。这次的实验，也让我了解到一个人，是很难去做好一个实验的设计，因为有 很多时候，一个人想不出有什么好的思路和方法，此时就需要好几个同学一起去 思考，去讨论，而这次的实验

17、，我有好几个地方在用软件模拟的过程中都出现了 错误，例如：我想要通过555时基电路去模拟出一个频率为1KHZ的矩形波，思 路是正确的，电路也没连错，但是就是在输出波形时，它的周期并不是1KHZ， 后来经过几个人谈论，我们认为应该是在模拟的时候，出现了误差，最后修改一 下电路上面元件的参数，才使得输出一个1KHZ的矩形波。还有其他很多的地方， 都是通过讨论才设计好的。所以说，此次设计性实验，也让我学习到了团队配合 的重要性。而且，在此次的实验过程中，由于要用到软件去模拟仿真，所以，我在次过 程中，我也初略的学习了软件（Multisim）的使用方法，虽说不是很熟练，但也 算是会用。不过，有的时候在模拟电路过程中出现一个错误，我花费了 1个多小 时也没找出来，最后还是得和其他同学讨论才发现问题所在。在使用过程中，经