电 子 技 术 基 础
课 程 设 计 报 告
题目名称： 人体脉搏计 姓 名： 学 号： 班 级： 指导教师：
电子技术基础课程设计报告
目 录
摘要................................................................................................................................................................. 2 1设计题目及要求 .......................................................................................................................................... 3
1.1设计题目 .......................................................................................................................................... 3 1.2设计目的 .......................................................................................................................................... 3 1.3设计内容及要求 .............................................................................................................................. 3 1.4 脉搏计设计原理及其原理框图 ..................................................................................................... 3 2 设计方案 ..................................................................................................................................................... 4
2.1方案背景 .......................................................................................................................................... 4 2.1方案提出 .......................................................................................................................................... 4 3 电路设计分析 ............................................................................................................................................. 4
3.1信号发生与采集 .............................................................................................................................. 4 3.2放大整形电路 .................................................................................................................................. 5
3.2.1放大电路 .............................................................................................................................. 5 3.2.2有源滤波电路 ...................................................................................................................... 6 3.2.3整形电路 .............................................................................................................................. 7 3.3倍频电路 .......................................................................................................................................... 8 3.4基准时间产生电路 ........................................................................................................................ 10
3.4.1秒脉冲 ................................................................................................................................ 10 3.4.2 15分频的2分频器 .......................................................................................................... 11 3.5计数译码显示电路 ........................................................................................................................ 12
3.5.1计数电路 ............................................................................................................................ 12 3.5.2显示译码电路 .................................................................................................................... 13 3.6控制电路 ........................................................................................................................................ 15 3.7实验设计总电路 ............................................................................................................................ 16 4所用元件及实验心得 ................................................................................................................................ 16
4.1元件列表 ........................................................................................................................................ 16 4.2实验心得 ........................................................................................................................................ 17 5参考文献 .................................................................................................................................................... 17 附录............................................................................................................................................................... 18
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摘要
随着医学的发展和日常生活中，人们保健意识的提高，脉搏成了一项重要的生命指标，所以，脉搏的测量便成了越来越常见的一项体检项目之一。综合考虑到各个年龄段的脉搏特征（包括强度、速率和节律等），本次课程设计就针对这么一个切合实际的问题而进行的。首先进行仿真，外加一个脉搏信号，利用传感器接受脉搏信号并转换为电脉冲信号，然后将电脉冲信号进行放大，紧接着增大频率（即进行倍频处理），最后进行滤波处理，从而得到效果比较良好的电脉冲信号；与此同时，设计出能产生短时间的控制信号，以控制测量时间（本次设计时用到了施密特触发器）；另外还要设计出控制电路，用以保证在基准时间控制下，使倍频后的脉冲信号送到设计的计数、显示电路中。最后将整个电路图合并，便得到了我们期望的仿真电路图，并反复进行调试便可完成仿真。最后我们将仿真电路图拿出来做实物，并将做好的实物进行反复的调试，直到调出正确结果，那么我们的课程设计便是成功地完成了。
关键字：脉搏计 脉搏信号 倍频 滤波 基准时间 计数器 数码管
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一、设计题目及要求
1、题目：人体脉搏计 2、设计目的：
1、熟悉脉搏计电路的组成、工作原理和设计方法。
2、掌握多谐振荡器、倍频器、计数器、译码器等的工作原理、使用方法、特点、用途及主要参数的计算方法。
3、熟悉集成电路74LS00、74LS161、74LS48、555定时器、有源滤波电路的特点、用途及主要参数的选择方法。
3、设计要求
为提高运用电子技术基本知识进行理论设计、实践创新以及独立工作、团队合作的能力，通过实践制作一个数字频率计，学会合理的利用集成电子器件制作基于数字电路和模拟电路的课程设计与制作。
电子脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。它是用来测量频率较低的小信号。
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。
注：正常人的脉搏数为60~80次/min，婴儿为90~100次/min，老人为100~150次/min。
4、脉搏计的基本原理及其原理框图
分析设计题目要求 脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。由给出的设计技术指标可知，脉搏计是用来测量频率较低的小信号（传感器输出电压一般为几个毫安），它的基本功能应该是
① 用传感器将脉搏的跳动转换为电压信号，并加以放大整形和滤波。 ② 在短时间内（15s内）测出每分钟的脉搏数。 简单脉搏计的框图如下图所示。 计倍频器 放大与整形 传感器 控 数 制 译
码 电
基准时间产生电路 路 显示 图1.1 脉搏计原理框图
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二、设计方案
1、方案背景
随着人们生活水平的提高，心脏疾病的发病率呈上升趋势，已成为威胁人类身体健康的杀手之一。因为心脏病的发作具有突发性和随机性，所以为患者进行实时的测量监控已成为必然的趋势。随着电子科技的不断发展，生命科学和信息科学的结合越来越紧密，许多研究人员都投身于人类的健康事业之中。
心率：用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数，以第一声音为准。心电信号是一种非常弱且频率较低的信号，一般幅值在0.05-5mv,频率在0.05-100Hz。脉搏波:人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血流压力一波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。而心率的测量是一种评价病人生理状况很好的方法，心率与脉搏在身体正常的时候是相等的。在房颤等心脏疾病时候可出现不等。因此心率测量问题可以转化为脉搏的测量，而脉搏的测量更容易实现特点，在实际应用中得到广泛运用。 2、方案的提出
1、传感器 将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。
2、放大与整形 电路将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。 3、倍频器 将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将15s内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。
4、基准时间产生电路 产生短时间的控制信号，以控制测量时间。
5、控制电路 用以保证在基准时间控制下，使4倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。
6、计数、译码、显示电路 用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。
7、电源电路 按电路要求提供符合要求的直流电源。
上述测量过程中，由于对脉冲进行了4倍频，计数时间也相应地缩短了4倍（15s），而数码管显示的数字却是l min的脉搏跳动次数。用这种方案测量的误差为±4次／min，测量时间越短，误差也越大。
三、电路设计与分析
1、信号的发生与采集
脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为响应的电冲信号。脉搏传感器是脉象检测系统中重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结果的显示。
根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 ： 传感器工作原理的分类中物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩效应现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
这里传感器采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号，其原理电路如图3. 1所示。
图3.1中，红外线发光管VD采用TLP521-1，接收三极管V采用TLP521-1。用Vp=5V的矩形脉冲电源供电，R1取500 ，R2取10 K。
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5V V1 VCC 10K 3 Hz 500 U17 5 V 1 4 2 3 R1 R2 TLP521-1 图 3. 1
2、放大整形电路 1、放大电路：
由于传感器发出的信号很微弱，只有几毫伏左右，所以采用放大电路实现信号放大作用，由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器，如图3.2.1所示，运放采用了 LM324，电源电压+5V，放大电路的电压放大倍数为 10倍左右。
0VCCR5UiC1100µF2115VVCC49.375kΩ383U18A1U039LM324ADVEEVEE-5VR4150kΩ10kΩR30 图 3.2.1
参数的计算如下：
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由图 3.2.1可知这是同相比例运算电路: 因为运放输入的虚短虚断有：
应设计要求放大倍数在10左右，在这里取16，有：
=16
令R3=10K
求得：R4=150K;
再由平衡电阻知识得： R5=R3//R4=9.375K;
又由于人体脉搏跳动频率限制，可取C1=100Uf。 2、有源滤波电路
采用了二阶压控有源低通滤波电路，如图3.2.2所示，作用是把脉搏信号中的高频干扰信号去掉，同时把脉搏信号加以放大，考虑到去掉脉搏信号中的干扰尖脉冲，所以有源滤波电路的截止频率为1kHz左右。为了使脉搏信号放大到整形电路所需的电压值，通常电压放大倍数选用1.6倍左右。集成运放采用LM324。
22nFC340R67.2kΩ41R77.2kΩ2VCC5V4231VCC4U19A4422nFC448VEE-5VR912kΩ11LM324ADR8020kΩ图 3.2.2
电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。当信号频率趋于零时，由于C3的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，由于C4的电抗趋于零，因而Up（s）趋于零。可以想象，只要正反馈引入得当，就可以 在f=fo时使电压放大倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自己振荡。因为同相输入端电位控制由集成运放和R8、R9组成的电压源，故称之为压控电压源滤波电路。 参数计算如下：
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应设计要求放大倍数为1.6，即：
Au=1+=1.6;
取R8=20K,即得：
R9=12K。
令R6=R7=R ,C4=C3=C； 由f=
：
又因f=1kHz， 取C=22nF ,即得：
R=7.2K。
3、整形电路
经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有低频干扰，仍不满足计数器的要求，必须采用整形电路，这里选用了施密特触发器作为迟滞电压比较器，如图3.2.3所示，其目的是为了提高抗干扰能力。
5VVCCR101kΩVCCVCCRSTOUTA2U019UiDISTHRTRICONGND555_VIRTUAL0 图 3.2.3
参数如下：
作为上拉电阻选取R10=1K。 电压传输特性如下图所示：
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传输特性
放大整形部分仿真结果： 注：黄色表示整形后的信号。
3、倍频电路
该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频，以便在15s内测出l min内的人体脉搏跳动次数，从而缩短测量时间，以提高诊断效率。
倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等，由于锁相倍频器电
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路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的TTL异或门组成倍频路，如图3.3.1所示。
UiU21A=133R1150U21B=153U21C=1U21DR1252C50.47µF=1150kΩ7486N51U07486N0.47µFC67486N16kΩ7486N0 图 3.3.1
U21A和U21B构成二倍频电路，利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用，当输入由“0”变成“1” 或由“1”变成“0” 时，都会产生脉冲输出，输入输出波形如下图3.3.2所示。
图3.3.2倍频器的频率特性
两个二倍频电路就构成了四倍频电路。电容器C的作用是为了增加延迟时间，从而加大而出脉冲宽度。异或门用74LS86。 参数设置如下：
由实验室提供元件可取：C6＝C5＝0.47μF
R11＝150 k R12＝16 k 4倍频电路仿真结果：
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4、基准时间产生电路
基准时间产生电路的功能是产生一个周期为30s(即脉冲宽度为15s)的脉冲信号，以控制在15s内完成一分钟的测量任务。实现这一功能的方案很多，我们采用如图3.4.1 的方案。
秒脉冲发生器 15分频器 2分频器 图 3.4.1 基准时间产生电路框图
由框图可知，该电路由秒脉冲发生器、十五分频电路和二分频电路组成。 1、秒脉冲发生器
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VCC 5V VCC 500? R13 1 VCC RST DIS THR TRI CON GND OUT 15k R14 47µF C 3 555_VIRTUAL Timer 0 图3.6.2 555多谐振荡器
参数如下：
电路通过R13、R14充电时有：
T1=0.7(R13+R14)C
通过R14放电有：
T2=0.7R14C
得：
T=T1+T2=0.7(R13+2R14)C 由设计要求得T=1s，取C=47uF。 得：
R13+2R14=30.4K 取R13=400欧,R14=15K.
2、十五分频和二分频器
电路如图2-13所示，由SN74161组成十五进制计数器，进行十五分频，然后用CC4013组成二分频电路，产生一个周期为30s的方波，即一个脉宽为15s的脉冲信号。
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U2A5627410N4U3A1Q51413121115~1PR21DQAQBQCQDRCO~LOAD~CLRU174LS161DCLK3ENPENT1CLK~1Q6~1CLRABCD7100VCCVCC5V717474N34569128 图3.6.2 15分频和2分频电路 基准时间产生电路仿真结果：
5、计数译码显示电路
1、计数电路
由人体脉搏的实际情况，这里选用同步四位十进制计数器74LS160。如果将三片74LS160直接并行连接即可得千进制计数器，三片芯片都为高电平以保证电路的工作。又考虑到人的脉搏数最高为：150次/min，所以采用3位十进制计数器即可（即本次设计采用了3片74LS160组成了3位十进制计数器）。74LS160
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功能表如下表 7.1： 输 入 输 出 Ep Et Ld’ Rd’ Cp 功 能 1 1 1 1 ↑ 四位十进制同步加计数 X X 0 1 ↑ 寄存并行输入数据（预置数） 0 1 1 1 X 状态保持 X 0 1 1 X 触发器保持，进位输出为‘0’ X X X 0 X 清零（立即、无条件） 表 3.7.1 74LS160的功能表
2、译码显示
由于74LS160输出的是8421BCD码，所以应选择一个可以讲8421BCD码译成7段输出信号以驱动数码管的芯片，所以本次设计采用集成74LS48七段显示译码器。
附：74LS48 BCD-七段显示译码器芯片简介：
7448七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。 7448有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO,现简要说明如下： 1）、灭灯输入BI/RBO
BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作输入使用且BI＝0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入a～g均为0，所以字形熄灭。 2）、试灯输入LT
当LT＝0时，BI/RBO是输出端，且RBO＝1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出a～g均为1,显示字形8。该输入端常用于检查7448本身及显示器的好坏。 3）、动态灭零输入RBI
当LT＝1，RBI＝0且输入代码DCBA＝0000时，各段输出a～g均为低电平，与BCD 码相应的字形 熄灭，故称“灭零”。利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。
为了实现无用0的灭零效果，可将低位的RBI信号接到高位的BI/RBO端。各片7448的LT均接高电平，当第一片的RBI＝0且DCBA＝0000，所以第一片满足灭零条件，无字形显示，同时输出RBO=0；第一片的RBO与第二片的RBI相连，使第二片也满足灭零条件，无显示并输出RBO＝0；同理，第三片的零也熄灭，无显示。74LS48真值表如下表 3.7.2：
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表 3.7.2 74LS48真值表
电路图如下图 3.7.3：
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CKCKCKU4ABCDEFGABCDEFGU5ABCDEFGU613121110915141312111091514OAOBOCODOEOFOGOAOBOCODOEOFOG~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBO712635471263547126354~LT~RBI~BI/RBOU274LS48DU174LS48DOAOBOCODOEOFOG1312111091514U374LS48DABCDABCDABCDVCC5V1413121115141312111514131211RCORCORCOQAQBQCQDQAQBQCQDQAQBQCQD15~LOAD~CLR~LOAD~CLR~LOAD~CLRU1174LS160NCLKU1274LS160NCLKABCDU1374LS160NCLK2ENPENTENPENT710710710345691234569123456ENPENTABCDABCDVCC5V5VVCCVCC5V91
图 3.7.3
仿真结果：
当输入2Hz的待测信号，仿真结果为：
U4 U5 U6 6、控制电路
另外还具有为各部分电路清零等功能 功能介绍：
控制电路主要作用主要是控制脉搏信号经放大、整形、倍频后进行计数器的时间，
当开关转向电源端时，脉搏信号不能进入计数器，所以计数器不能对脉搏信号进行计数，且此时数码管保持上一次的测量结果.当把开关转向基准信号端时，当信号由低电平上升为高电平时，通过上升沿有效的边沿触发器将计数器置零，而此时，通过门电路的控制，脉搏信号开始进入计数器并且开始计数。当计数完成后，将开关再转向电源端。如下图 3.8：
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30s脉冲信号 15s脉冲信号 返回的清零信号 VCC 5V VCC 10K Rl 16 J1 Key = A 0 U9A >=1 74LS02D U5A &15 U10A >=1 VCC 74LS00D 5V VCC &74LS02D 14 & U7A & U6A 13 74LS00D74LS00D 11 U8A 74LS00D 四倍频信号 & U4A 74LS10D 计数器清零 计数器进位信号 图 3.8
7、设计完整电路图见附录：
四、所用元件及实验心得
1、元件列表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 元器件名称 D触发器 74LS160 74LS161 LM339 CC4060 运放 74LS10 74LS00 74LS86 7448 基本参数 数量 1 3 1 1 1 2 1 1 1 3 替代元器件 555定时器（1个） 555定时器（1个） 参数 备注 还包括替代一D触发器 - 16 -
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11 12 13 14 8段显示器 电阻 电容 导线 3 37 6 若干 2、实验心得 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。由于这两次较大的失误使整个设计与制作过程耗时耗力。
总的来说，本次设计有苦也有甜。 设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半，因此我们应该在设计前做好充分的准备。同时熟练地掌握课本上的知识，这对试验中出现的问题进行分析解决也是相当重要的。 这次设计留给我们印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，更要有坚持的毅力。
五、参考文献
1.《数字电子技术基础》 唐治德 主编 2.《模拟电子技术基础》 唐治德 主编 3.《数字电子技术实验》 夏鸣风 编 附录：
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VCC5VU2A5V5V10kΩR8LM324AD431231125V1kΩVCC5V22nF1kΩU18AR91kΩC5R10VCCLM324AD43VCC500ΩR1VCC7410NOUT~1PR21D1Q54RSTDISTHRU3ATLP521-1R41VCCV1500Ω100µF3 Hz U175 V 4R5C3R131kΩTRICON15kΩR2U174LS161DVCC31CLK~1CLR12~1Q6A2VCCU19A22nF100kΩ10kΩR7R6C411RSTOUTGND电子技术基础课程设计报告
47µFC47µFC555_VIRTUALTimer5V7474NDIS1THRTRICON6kΩGNDR1410kΩCKCKCK555_VIRTUALVCC5VU9A>=1VDD-8VU10A>=1R11U20U22U23ABCDEFGABCDEFGABCDEFG&VCCU1674LS48DJ1Key = A 74LS00D5VU7AU6A74LS00D74LS00D74LS02D7486N150kΩU21AU8A74LS00D7486N=1U1574LS48DU1474LS48D7486NR16U21B=17486NU21C=1U21DR17=116kΩVCC0.47µFC6U4A74LS10DC75V0.47µFU1174LS160NU1274LS160NU1374LS160NVCC5V5VVCCVCC5V
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10kΩRl74LS02DU5A
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