课程设计报告
课题名称： 数字脉搏计 学 院： 电气与自动化工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 07级电气1班 作者姓名： 李振生 学 号： 3007203186 完成时间： 2010年1月5日
一、设计任务及要求
（1）设计一个数字脉搏计，要求用十进制数字显示被测人体脉搏每分钟跳动次数，测量范围30~160次/min。
（2）短时间内（5~15s）测出每分钟的脉搏跳动次数，误差为±4次/min。
（3）锁定每分钟的脉搏数，可以有两种方式，一种为显示计数过程，最后锁定；还有一种是不显示计数过程，直接显示结果。
（4）能够清零，两种方法，一种是手动清零，还有一种是自动清零。
（5）所有部分电路均要有仿真结果，仿真中用5p-p的正弦波来模拟人的脉搏信号，实际接线时直接用信号发生器发出的5V的方波脉冲作为测试信号，故放大整形滤波电路部分只作仿真即可。
（6）对于放大部分电路，要求差模放大倍数至少1000倍，输入电阻要求大于107欧，通频带为0.05Hz~200Hz，测试时还要测出输入输出电压的波形（即整形前后的电压波形）。
二、各单元电路设计方案比较及参数确定
（1）总方案原理框图
信号放大电 路 信号整形电 路 倍频电路 控制时间信 号 计数译码显 示
（2）信号放大电路
这部分电路主要完成将5mV的正弦波输入信号放大1000倍（5V），使其可以驱动后续的CMOS数字电路。
方案一：采用运算放大器lm324构成的反相放大电路
电路图如图2-2-1所示，在理想条件下有Vo=－R2/R1*Vi 。运放的闭环电压增益为Avf=－R2/R1，输入电阻为Rif=R1。
如果对输入电阻有要求可以先确定R1，再根据放大倍数确定R2。
为了减小输入偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接平衡电阻R3，且R3=R1∥R2。
图2-2-1
电路如图2-1所示，输入信号由反相端输入，
实际电路中拟采用三级放大，总电路图如下图所示：
图2-2-2
参数选定如下：输入电阻要求不小于107欧，因而选定R1=10M欧，第一级电路放大10倍，因而R2=100M欧，R3=R1∥R2=9.1M欧，第二级及第三级放大电路放大倍数仍为10倍，R5=R8=10k欧，R7=R9=100k欧，R4=R6=9.1k欧。
这种电路接线简洁明了，成本较低，可靠性好。
此外，还可以采用同相放大电路，原理与反相放大电路类似，不再叙述。 方案二：可以先用一级共射级单管放大器将输入信号先放大100倍，之后再用lm324做第二级放大电路，放大10倍左右，电路原理如下图所示：
图2-2-3
这个方案接线简单，成本低，但是对于共射级单管放大器，其输入电阻为Ri=（Rb+Rp）∥rbe，其中输出端交流短路的输入电阻rbe=200+（1+β）VT/IE，其中β为三极管的放大倍数，一般为几十到几百，这里取β=100，常温T=300K时，VT=26mV，且上式的适用范围为0.1mA< IE <5mA，从这些数据不难算出rbe的数量级不会超过104，故输入电阻Ri也不会大于10k，这显然不能满足输入电阻不小于107欧姆的要求，故这个方案不可采用，最终确定使用第一种方案。 （3）滤波电路
首先先简单的介绍一下通频带的概念，在模拟电路中，把增益随频率升高或降低下降到中频区增益的0.707倍时所对应的频率定义为下限频率f（在低频区）L和上限频率fH（在高频区），fH与fL之间的频率范围称之为通频带，用BW表示，即：
BW=fH－fL
在本题目要求本电路的通频带是0.05Hz~200Hz，因此需设计一个滤波电路将频率高于200Hz的高频信号和频率低于0.05Hz的低频信号滤掉，这部分电路即实现了这个功能，本部分电路用的是带通滤波器，是由一个高通滤波器及一个低通滤波器串联组合而成，其原理图如下图所示：
图2-3-1
对于滤波电路，一般来说，有源滤波电路比无源滤波电路的滤波效果要好一些，因此，本设计方案中采用了有源滤波。其它有源滤波电路原理大同小异，不再一一列举。
参数选定如下：C1=160μF，C2=200μF，R1=R2=5欧，R3=R4=2k欧。 （4）信号整形电路
在放大部分电路中输入信号虽然已经被放大，电压也足以满足后续电路驱动之用，但是其波形仍为正弦波，为模拟量，必须将模拟量转换成数字脉冲之后供数字部分电路使用，这部分电路即可实现这个功能。 方案一：采用施密特触发器整形电路
施密特触发器有多种形式，一种是由555定时器构成的，电路如下图所示：
图2-4-1
还有一种是用CMOS门构成的，电路图如图所示：
图2-4-2
最后一种是集成施密特触发器，国产TTL集成施密特触发器产品有多种，具体型号不一一列举，这里只列举一种：74LS14，与其具有相同功能的国产CMOS集成施密特触发器是CC40106。电路原理也很简单，如下图所示：
图2-4-3
方案二：采用电压比较器lm339电路 电路原理图如图所示： 说明：图中R2为上拉电阻。
图2-4-4
这种方案虽然接线不是很复杂，成本也不高，但调试不方便，电路稳定性不好，波形上升及下降沿不很陡峭，故决定采用第一种方案。 （5）倍频电路
由于在设计中要求在5~15s内完成脉搏每分钟跳动次数计数功能，而在整形电路中，整形后的信号与原信号的频率是相同的，如果要测其每分钟脉冲数，则至少应测量一分钟才可以实现，为了缩短测量时间，必须将整形后的信号的频率加倍，这样就可以满足在短时间内完成测量任务的要求。显然，若将原信号频率变为原来的N倍，则测量时间就可以缩短为原来的1/N。因此，若要在5s在完成测量，需将信号频率加大12倍，倍频部分应采用12倍频电路，若要在15s内完成测量，需将信号频率加大4倍，倍频部分应采用4倍频电路。
本次方案设计将利用CD4046锁相环及计数器构成的倍频电路。电路原理图如图所示：
图2-5-1
由于multisim10中没有CD4046，故这部分电路图是在另外一个仿真软件protues中绘制的。
原理说明如下：脉搏信号经过放大滤波整形之后，从CD4046的14脚输入，设原输入信号的频率是f0，从4脚输入一个方波信号经过一个分频器后再从3脚输入，CD4046内部将完成3脚和14脚输入信号的频率比较，使3脚的输入信号与原输入信号频率相同为f0，而4脚的输出信号的频率f1显然是3脚信号频率的N倍（如果右面的分频器为N进制分频器，在上述电路中N=4），这样f1=N f0，从而完成将输入信号频率变为原来的N倍的目的。
在本次实验中，需要4倍频及12倍频电路两种，4倍频电路接线图如上图所示，对于12倍频电路，只需要将右面的74LS161的接线方式改变一下就可以实现，具体电路如下图所示：
图2-5-2
说明：图中1线为输入信号，8线为输出信号。 （6）计数译码显示电路
这部分电路主要要完成对方波脉冲计数，将计数结果译码显示出来的功能。对于这部分电路，有很多方案都可以实现这个功能，而且电路都很相似，故不一一列举，对于计数器，选择曾在这个学期做过的电子技术实验中多次用到的十进制计数器74ls160，对这个芯片比较熟悉；对于译码器，由于74LS160输出的是8421BCD码，故应选择一个可以将8421BCD码译成7段输出信号以驱动数码管的芯片，CD4511可以满足这一要求。74LS160的引脚图及功能表与74LS161类似，而且比较熟悉，不再列出。CD4511的引脚图如下：
图2-6-1
引脚功能说明如下：
BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，数码管不显示任何东西。
LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出，LE=1时译码器处于锁定保持状
态。
LT：3脚是测试信号的输入端，当BI=1时，LT=0时，数码管将全部显示，这主
要用于测试7段数码管有没有物理损坏。
A3,A2,A1,A0为8421BCD码输入端，高位到低位依次为A3~A0。 a，b，c，d，e，f，g为译码输出端，输出高电平有效。
这部分的电路原理图为：
图2-6-2
（七）控制信号电路
由于在题目中要求在5~15秒内测得实验结果，因而需要一个电路来控制整个电路的运行、复位、自启动等，这个任务由本部分电路实现。
方案一：采用CMOS石英晶体多谐振荡器及分频器构成的时间基准电路
电路原理图如图所示：
图2-7-1
说明：图中3后面接42分频器即可输出脉宽为1s的方波信号。
振荡频率由石英晶体自身决定，这里如果取f0=32768Hz，经过分频器（分频器可由各种进制的计数器实现，比较简单，不再叙述）分频，可以得到一系列低频信号。其优点是产生的时间基准十分精确，误差小，电路稳定，缺点是只能
产生频率为2n的方波信号，在本电路中需要5s及15s的时间信号，因而需要将上述基准信号进行42分频得到周期为1s的方波信号，然后再通过5进制及15进制的计数器得到相应的时间控制信号，这样电路接线极其复杂，成本高，不易调试。
方案二：采用555定时器构成的单稳态触发器
555单稳态触发器电路原理图如图所示：
图2-7-2
说明：在开关合上之前，555的3脚输出端输出低电平，2脚输入高电平，合上开关后，2脚电平变成低电平，同时3脚输出变为高电平，然后再打开开关，一段时间后，3脚的输出变为低电平。延时的时间为T=In3RC,所以为了实现定时5秒，取C1=10nF，C2=100μF，R2=45.5k欧；若要定时15s，取C1=10nF，C1=10nF，C2=100μF，R2=136.5k欧。
在电路中需要有一个555单稳态触发器来控制计数器的计数时间，还需要有一555单稳态触发器来控制其自动复位清零（如果是手动复位清零的话，只要将这部分电路用一个开关来代替就可以了，具体原理在后面有图说明），此外如果需要电路自启动的话，还需要一个555多谐振荡器来控制两个555单稳态触发器的启动（同理，如果只需要手动启动的话，只需将这部分电路用一个开关来代替就可以了，原理图具体见下）。
可自启动及自动清零电路：
在下面的电路中的参数是在定时5秒（12倍频时的参数选择）。当倍频电路选择4倍频时，即定时15秒时，参数改动如下：R1=67k，R2=240k，C1=C4=C6=100μF，C2=C3=C5=10nF，R10=136.5k，R12=147k。
U9（上面的555定时器）的输出端接计数器74LS160的一个使能端EP（7脚），同时如果要不显示计数过程，则将译码器CD4511的锁存端LE（5脚）与该端也接到一起，其能够锁存的原理为，U9输出高电平时，计数器开始计数，但是CD4511却被锁存，即显示前一时刻的数字000，当U9输出有高电平变为
低电平时，计数结束，74LS160停止计数，同时CD4511锁存端变为低电平，译码器开始工作，将计数器输出的8421BCD码译出显示。如果要显示计数过程，则把CD4511的5脚直接接地即可。
U15的输出端接74LS160的清零端RD（1脚）。
图2-7-3
手动启动自动清零电路原理：
图2-7-4
手动启动及手动清零
同样，参数选择不变，图中开关J1为启动开关，J2为复位清零开关，1线接计数器74LS160的清零端RD（1脚）即可。
图2-7-5
这部分电路接线相对简单，原理清晰明了，缺点是时间基准由555外围的电阻和电容确定，所产生的时间基准不够准确，可能会有一定误差。综合考虑，采
用方案二。
三、各单元电路仿真结果及说明
（1）信号放大部分
图3-1-1
说明：图中A通道为原信号，幅值为5mV（为调试方便，其频率未按1Hz选取），B通道为滤波后输出信号，其幅值为5V，实现了放大1000倍的要求。 （2）滤波部分
图3-2-1
本图中的纵坐标的单位是分贝（dB），根据通频带的定义，增益为-3所对应的两个频率分别为上限频率和下限频率，在本图中不难看出，上限频率约为200Hz，下限频率约为0.04Hz，满足设计要求。 （3）整形部分
图3-3-1
说明：由此图可以看出，74LS14可以将正弦信号整形成幅值为5V，频率与正弦信号相同的方波信号，满足实验要求。 （4）计数译码部分 具体见电路原理图。 （5）倍频部分
本部分电路中电阻及电容参数选择是固定的，此外由于所用的仿真软件multisim10的元件库中没有CD4046，故这部分电路的仿真结果缺失。 （6）时间控制部分
图3-6-1
说明：上图中第一条线是555构成的多谐振荡器的输出波形，其下降沿到来时触发555单稳态触发器，使555输出由低电平变为高电平；中间为控制计数时间的555单稳态触发器的输出波形，脉宽为5s或15s，上升沿到来时计数器开始计数，下降沿到来时计数器停止计数；下面为控制复位清零的555单稳态触发器的输出波形，其脉宽应大于上一个555单稳态触发器的脉宽，这部分电路的上升沿到来时，使计数器的清零端变为高电平，与上一个555单稳态触发器一起控制计数器开始计数，当上一个555输出由高变低时，数字停止跳动，显示结果，当这个555单稳态触发器输出的下降沿到来时，计数器清零，故不难得出，两个555单稳态触发器的输出脉冲脉宽的差值即为锁定显示时间。 当两个555的输出都变为低电平时，等待多谐振荡器的下一个触发脉冲的到来，从而完成电路的自启动。
四、整机原理图及工作原理
整机电路由于太大，详见附录一。工作原理前面已有介绍，这里只作简单介绍。
信号发生器发出正弦波经过放大电路放大，然后滤波整形进入计数译码显示部分电路，计数译码显示部分电路在时间控制电路的控制下工作。
注：实际在实验室中，放大电路、整形电路及滤波电路均省略，改由信号发生器发出的1Hz及2Hz的方波信号代替。
五、所用元器件清单
由于在实际实验电路中没有做放大整形滤波电路部分，故这部分所用器件不列出。
(1) 电阻（单位：欧姆）
300×21 1k×2 10k×2 45.5k×1 20k×1 110k×1 63.7k
×1
100k×1 1.2M×1 2.2M×1 (2) 电容（单位：μF）
100×3 0.01×3 10×1 0.68×1 (3) 各类芯片
555定时器×3
74LS160×3 74LS161×1 74LS08×1 74LS04×1
74LS00×1
CD4046×1 CD4511×3
六、实验结果
（1）4倍频时自启动自动清零时计数数据 输入1Hz、60 60 60 5V方波时 输入2Hz、120 120 120 5V方波时 以上数据十分理想，误差显然为0。
60 120 60 120 （2）4倍频时手动启动手动清零时计数数据 输入1Hz、60 59 60 58 61 5V方波时 输入2Hz、122 118 122 117 120 5V方波时 输入1Hz方波时，数据平均值为59.6次，误差为0.67%。 输入2Hz方波时，数据平均值为119.8次，误差为0.12%，但是这组数据的上下
波动幅度比较大，也即方差较大。
（3）12倍频时自启动自动清零计数数据 输入1Hz、60 59 60 60 61 5V方波时 输入2Hz、120 120 120 119 120 5V方波时 输入1Hz方波信号时，数据平均值为60，误差为0 输入2Hz方波信号时，数据平均值为119.8，误差为0.12%
（4）12倍频时手动启动手动清零计数数据 输入1Hz、57 60 58 61 58 5V方波时 输入2Hz、117 118 120 122 117 5V方波时 输入1Hz方波信号时，数据平均值为58.8，误差为2.0% 输入2Hz方波信号时，数据平均值为118.8，误差为1.0%，同样，这组数据虽然
误差较小，但是数据上下波动较大，方差比较大。
（5）误差分析：
由以上几组数据不难看出自动启动自动清零时的数据要比手动启动手动清零时的更加理想，这可能是因为开关在打开及闭合时触头会有振动而导致触发脉冲不够理想所致，而自动启动及自动清零则不存在这一问题。
而且4倍频时的数据总体要比12倍频时的更加理想，这是因为4倍频时计时时间要比12倍频时的长，数据更接近实际。
此外，最大的误差应该在于定时电路，在选取电容和电阻时，电容和电阻自身也有一定误差，而且在对555单稳态触发器进行调试时，不可能使其正好定时为5s及15s，用于在调试时没有一个可以与单稳态触发器同步计时的计时器，只能通过秒表来测定其定时时间，而人又有一定的反应时间，故这部分误差只可以通过多次调试尽量减小，但无法消除。
总体来看，各组数据最大的误差为-3次，满足题目要求的不大于±4次/min。
七、实验过程中遇到的问题及解决办法、实验总结
整个实验过程整体比较顺利，但也遇到了一些问题，其中最大的一个问题在于调试CD4046构成的倍频电路时，误将电路图中的一个10μf的电容看成了10nf，结果导致在整机调试时，数码管显示的数据的跳动不是连续的，时快时慢，说明CD4046输出的脉冲信号不是标准的方波，在查看电路图之后发现了这个问
题，将10nf的电容换成10μf的电解电容之后，问题得以解决。
在之前的电路设计及仿真过程中也遇到了一些问题，基本都是电路软件使用等问题，尤其有一点值得说明，在multisim10中，由于软件只能观测到1~2s（软件界面右下角的传递函数所显示的数据就是电路运行的时间）的仿真结果，因此，在软件中如果要仿真555单稳态触发器，如果参数按照实际选取，即延时5s或者15s，将会很不方便，因而在实际的仿真过程中，在保证电路原理不变的前提下，适当的减小了参数值，并且提高了输入信号的频率。事实证明，这并不影响实际的实验，仿真结果与实际实验结果很吻合。
通过这次课程设计，我收获颇丰，也总结了一些经验。这次实验跟以往的电子技术实验不同，之前的实验电路图都已经有了，只要按图接线就可以了。而这次整个实验的方案、流程都得自己设计。总的来说有以下几点：首先，提前准备的这个过程很重要，要充分利用图书馆、网络等资源，多找一些方案比较分析一下，找到的电路原理图不可以直接照搬照抄，一定要搞清楚其具体原理，然后在其基础之上进行修改，使电路更符合自己的需要。在准备过程中要充分考虑到实验过程中可能遇到的一系列问题，并提前做好应对准备。无论是什么问题，一定要提前解决，不可一带而过。其次，在实验过程中，接电路前，要先看看自己的电路由几个部分构成，然后分块调试，在面包板上也要提前给每一个部分的电路提前分配好区域，相互联系比较大的部分要相邻，然后接线，每接一块电路都要调试一下，确定没问题之后再接下一块电路，然后跟之前接好部分接到一起，再调试，直到将所有电路都接好并调试成功。在实验过程中如果遇到问题时查电路的原则也基本类似，分块查，对于每一块电路，检查时也要有一定的顺序，比如应先查接线是否都对，所选用的器件参数有无问题，如果没有问题，再看芯片是否是坏掉的。查错过程中，要充分利用好实验箱上的发光二极管指示灯，通过观察灯的亮灭往往可以很轻松地查到故障所在，此外万用表在查错过程中也有不小的作用。总之，把握一个原则，按照自己的需要要有创造性的充分利用一切可利用的资源，充分发挥每一种器件的作用。
最后，我想感谢学校及学院给我们这样一个机会，可以将我们所学知识应用到实践，提高我们的实验水平。也要感谢各位老师给予我们的帮助。还要感谢本班刘旭亮同学在使用multisim10仿真软件时给予我的指导和帮助。
八、参考文献及网站
【1】《数字电子技术基础教程》，周跃庆编，天津大学出版社。 【2】《模拟电子技术基础教程》，周跃庆编，天津大学出版社。 【3】《电子技术实验》，天津大学电气与自动化工程学院、电工电子技术中心（电子学教研组）。 【4】《CMOS数字集成电路应用百例》，姜艳波编，化学工业出版社。 【5】《数字集成电路应用260例》，兰吉昌编，化学工业出版社。 【6】《Multisim7&电子技术试验》，黄培根、奚慧平编，浙江大学出版社。 【7】《Multisim10虚拟仿真和业余制版实用技术》，黄培根编，电子工业出版社。 【8】中国电子技术论坛（bbs.elecfans.com）。
附录一：整机电路原理图：
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