电子课程设计报告

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：自动化班级： 12级自动化X班作者姓名： XXX同组成员： XX学号： 3012203XXX完成时间： 2014年12月25日一、技术要求（1）用十进制数字显示被测人体的脉搏每分钟跳动的次数，测量范围为20~200次/分。

（2）在短时间（5秒、15秒）内测量出每分钟的脉搏数。

（3）测量误差±4次/分。

（4）锁定每分钟的脉搏数，分别要求：①显示计数过程，并保持计数结果。

手动清零。

②不显示计数过程，锁存为计数结果。

自动清零，自启动计数。

二、总体设计方案（1）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下图所示，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。

方案二：AD620集成测量放大器形成一个放大电路。

利用函数发生器产生一个1mV，1.2Hz的正弦信号，用AD620进行大于一千倍的放大。

AD620的增益公式为 G =49.4 kΩ/R + 1如图R=25Ω，故增益为1977倍。

满足放大要求。

仿真电路如图：（2）滤波电路方案一：利用Multisim仿真软件自带带通滤波器实现自带带通滤波器由七个LM324组成，其中4个低通滤波器，3个高通滤波器。

仿真原理图略。

方案二：利用3554搭建带通滤波器电路用3554搭建带通滤波器，仿真电路及具体参数如下图所示。

此带通滤波器由一个高通滤波器和一个低通滤波器组成。

其通频带为0.15Hz-30Hz。

仿真时比较输出波形，发现两种方案输出基本相同，而方案二电路简单，故采用方案二。

（3）信号整形电路输入信号经过放大电路、滤波电路后，信号的幅度、频率都已满足驱动要求，但是其波形仍为正弦波，即模拟量。

因此必须有将模拟量转换成数字脉冲的整形电路。

用555构成施密特触发器，电路具有两个阈值电压，两者的差构成电路的回差电压。

上限阈值电压=2/3VCC下限阈值电压=1/3VCC仿真电路及具体参数如下图所示：（4）倍频电路设计中要求在5s或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。

因此必须将整形后的信号的频率增大整数倍，以满足在短时间内完成测量任务的要求。

若要在5s内完成测量，需将信号频率加大到12倍；若要在15s 内完成测量，需将信号频率加大到4倍。

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，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。

对于右侧的CD4526芯片从DP端置数，N=4时实现四分频，N=12时实现十二分频。

由于Multisim13.0中没有CD4046芯片，故该部分的仿真数据缺失。

硬件连接图如下所示：在实际电路中，图中的“0”端，由Q0端（12管脚）代替（5）计数译码显示由于实际电路的译码部分已连接好，故对这部分的仿真略去。

计数显示部分见整体图：个位计数器的3,6端通过与门接到十位计数器的使能端EN，十位计数器的3,6端通过与非门接到百位计数器的CP 端。

其他详见电路图。

（6）基准时间产生用555定时器构成单稳态触发器，产生5S和15S的高电平。

将它的输出（3端）接在计数器（个位、百位）的使能端EN，控制计数器的工作时间，即基准时间。

其中5s对应的电阻为45.5k，15s 对应的电阻为136.5k。

仿真电路如下图：（7）控制信号发生用一个555定时器构成单稳态触发器，产生8s和18s的高电平，用来控制复位，其输出端（3端）经过一个非门连接到计数器的复位端MR。

其中8s对应的电阻为72.7k，15s对应的电阻为163.6k。

仿真电路如下图：用另一个555定时器构成多谐振荡器，其输出信号（3端）接到两个555单稳态触发器的输入端（2端），控制基准时间产生的555定时器自启动和控制复位时间的555单稳态触发器的自动复位。

仿真电路如下图：说明：图中U1是555构成的单稳态触发器，其作用是产生5s 或15s 的脉宽，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555构成的多谐振荡器，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（6,4on off t s t s == ）；U3是555构成的单稳态触发器，其脉宽应大于上一个555单稳态触发器的脉宽（8s 或18s 左右），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，从而完成电路的自动清零。

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。

实验室中74LS48与数码管已连接，故显示计数过程原理略。

不显示计数过程如下：将U1的输出信号通过非门连接到译码器74LS48的消隐端（BRI），当这个555单稳态触发器输出的下降沿到来时，数字停止跳动，消隐端由低变高，数码管显示计数结果，直至计数器清零，下一个计数脉宽到来。

整体图如下所示：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：①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。

②图中开关S1的作用是选择U1定时信号的输出脉宽（5s还是15s）；开关S2是用来选择电路的启动类型（手动启动还是自动启动）；开关S3为手动启动开关；开关S4是用来选择电路的复位类型（手动复位还是自动复位），与S2的类型匹配；开关S5的作用是选择U3复位信号的输出脉宽（8s还是18s），与S1匹配。

实际电路中，由于555非理想器件，故仿真电路中的电阻参数修改如下：R1=2k，R2=40k，R3=110k，R5=39k，R6=1k，R7=50k，R8=143k，C2=C6=0.68uF。

三、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）30k×5 1k×2 10k×2 20k×1 110k×1 39k×1100k×1 1.2M×1 2.2M×1(2) 电容（单位：μF）100×3 0.01×3 10×1 0.68×2 1×1(3) 各类芯片555定时器×3CD4518×2 CD4526×1 74LS08×1 74LS04×1 74LS00×1 CD4046×1四、实验结果（1）4倍频时手动启动手动清零时计数数据输入1Hz方波时，数据平均值为60次，误差为0。

输入2Hz方波时，数据平均值为119次，误差为0.83%。

（2）12倍频时自启动自动清零计数数据输入1Hz方波信号时，数据平均值为60.4次，误差为0.67%输入2Hz方波信号时，数据平均值为120次，误差为0。

五、总结体会（1）实验中出现的问题及解决方法在仿真阶段，555定时器在运行时不稳定，正常工作几个周期后，出现仿真速度变慢的问题。

同时影响程序的运行和电路图正确性的验证。

我们猜测是因为555定时器产生的上升沿或下降沿与信号源产生的信号的边沿的时间间隔太小，仿真软件无法识别。

因此，我们通过不断在适当范围内修改参数如电阻电容值，来实现正常仿真，从而得到正确结果。

在实验室实际电路的搭建阶段，倍频电路的输出一直不与期望值相符。

如四倍频的输出，正确置数后，用示波器检查，得到输出信号为方波，但频率高达120Hz，与期望的4Hz相差很远。

在对电路的进一步熟悉后，我们发现对CD4526的“0”端的连接出现理解性失误，而且CD4046锁相环是一个非常敏感的精密器件，在改正电路连接后，锁相环的倍频功能已经有所损坏，所以我们对上述两个器件进行了更换，得到正确的倍频输出。

在控制信号电路的搭建过程中，出现了实际输出与理想输出不相符的情况。

通过不断调试发现，我们通过计算得到的参数不能得出近似的正确输出。

我们猜测是因为实验室的器件非理想器件，有出现较大误差的可能性。

因此我们通过对数码管显示现象及示波器输出的分析，不断调整参数，得到近似的理想输出。

（2）个人体会通过为期两周的电子技术课程设计，我对模拟和数字电子技术的知识又有了更深的认识，学会和更多的知识。

课程设计中，我和同组成员李珊分工明确，我主要负责仿真软件的学习和实际电路的接线，她主要负责仿真电路及实际电路原理和器件的分析。

在课程阶段老师注重TTL器件的教学，而在做实验的过程中我们对CMOS器件的原理及接线进一步的了解。

而且这次课程设计与以往电子实验不同，之前电子实验用到的都是很小规模的电路，连线都较为简单。

而这次设计就给我们一次操练大型电路设计连线的机会。

我学会了合理利用面包板的空间安排器件位置。

还有对Multisim 13.0仿真软件的学习，让我学会了通过电脑搭建电路的方法，也掌握了学习类似仿真软件的技巧。

最后，感谢学院给我们这样一个课程设计的机会，将我们所学知识应用到实践，提高我们的实践水平。

六、参考文献【1】《电子技术实验教程》，王萍编著，机械工程出版社。

【2】《数字电子技术基础教程》，周跃庆编著，天津大学出版社。

【3】《模拟电子技术基础教程》，周跃庆编著，天津大学出版社。

【4】《基于Multisim的电子线路设计与仿真》，李松松陈晓明编著，西北农林科技大学出版社。

【5】《CMOS数字集成电路精选》，肖景和编著，中国电力出版社。

【6】《CMOS集成电路应用设计》，罗国新编著，福建科学技术出版社。

【7】《CMOS数字集成电路应用百例》，姜艳波等编著，化学工业出版社。

【8】《数字脉搏计实验报告》，08级电气某位学长。