数电实验报告--电子脉搏计

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：
1.实现在15S内测量1min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、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２－1 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，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、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。

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 W=0.7RC=0.7×7K×0.4uF=1.96ms。

为使上升沿分布均匀，二级倍频电路的高电平应小于1/2T W。

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：
T W2=0.7RC=0.7×1K×0.1uF=0.07ms
图3-1四倍频电路
图3-2四倍频电路输出输入波形比较
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，QA～QD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。

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。

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3-4555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
=0.7×（72+72）×0.01
=1.008ms
F=1/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，QA～QD输出高电平，下一个脉冲来时，QA～QD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。

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。

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
图4-1总原理图
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、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
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，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，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，经过了多次修改和调整，才把整个电路给设计出来，每当电路完成一部分，我都感到很满足，那种喜悦的心情，无法言说。

总的来说，这次的数电课程设计性实验，让我收获良多。

不过很多收获未能一一表达，有点遗憾。

而且我发现，可能是由于对数电课程感兴趣吧，在这次实验过程中，我都感到兴奋，特别是完成整个实验时，感到很有成就感。

七、参考文献
[1]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社
[2]梁宗善. 电子技术基础课程设计[M]. 武汉：华中理工大学出版社
[3]张玉璞，李庆常. 电子技术课程设计[M]. 北京：北京理工大学出版社
[4]阎石，数字电子技术基础教程.北京：清华大学出版社。