徐鑫

课题： 数字式脉搏计设计与制作

班级 电子3082 学号 3082107224

学生姓名 徐 鑫 专业 电子信息工程 系别 电子与电气工程学院 指导教师 电子技术课程设计指导小组

淮阴工学院 电子信息工程系 2010年12月

班级：电子3082 姓名：徐鑫 学号：24 课题：数字式脉搏计设计与制作

1、设计目的：

a) 培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。

b) 学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。

c) 进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。 d) 培养学生的创新能力。

2、设计要求：

要求：实现在15S内测量1min的脉搏数，并且显示其数字。正常人脉搏数为60~80次/min,婴儿为90~100次/min，老人为100~150次/min。 1、电源±5V、±12V；

2、测量1min的脉搏数，并显示其数字； 3、有清零标志；

4、主要单元电路和元器件参数计算、选择； 5、画出总体电路图；

6、安装自己设计的电路，按照自己设计的电路，在通用板上焊接。焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象。 7、调试电路 8、电路性能指标测试

9、提交格式的、上符合要求，内容完整的设计报告。

3、总体设计：

3·1数字脉搏测试仪原理方框图

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传感器 放大 整形 计数 译码 显示 定时

上图即为数字式脉搏计的总体设计框图。该数字式脉搏计由以下几部分组成： 1）脉冲产生电路 2）放大整形电路 3）计数电路 4）定时电路 5）译码显示电路

3·2电路组成及工作原理

数字式脉搏计设计的思路是：先由压电陶瓷片YD将拾取的脉搏跳动信号转换成电信号，经LM324放大整形后，送到由CD4553和CD4511组成的计数显示电路。CD4553内部输入端设置了脉冲整形电路，所以对脉冲无甚特殊要求。它只有一组 BCD 码输出，但通过内部分时控制可形成三位十进制数字显示。CD4511是译码器，其输出驱动三位LED共阴数码管。BG1、BG2、BG3分别由CD4553的15、1、2脚控制实现三位数码管的分时显示。CD4060组成计数闸门设定电路，R5、R6、C6与其内部电路组成振荡器，振荡器信号经内部213次分频后，由2脚输出延时 60 秒的正脉冲加到CD4553的11脚关闭闸门。使用时，用手表带或松紧带将压电陶瓷片压在手腕的挠动脉处，注意一定要压紧。在合上开关 K1 后即按一下复位开关 K2，使CD4060和CD4553清零，这时计数闸门打开，脉搏信号由CD4553进行计数。1分钟后，CD4060输出一高电平，使计数闸门关闭。这时数码管显示的数字即为每分钟的脉搏数。

3·3各框图的功能和可选电路及特点

1）脉冲产生电路： 2）放大整形电路：可选LM324 3）计数电路：可选CD4553 4）定时电路：可选CD4060 5）译码显示电路：可选CD4511驱动共阴极数码管。

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3·4电路制作所需的工具

工具名称 电烙铁 万用表 剪刀 松香 镊子 工具数量 1 1 1 1 1 3·5元器件列表

元件名称 三位数码管 1M电阻 510K电阻 1.6K电阻 100K电阻 10K电阻 470电阻 100u电容 0.1u电容 4700p电容 10p电容 集成块LM324 集成块CD4511 集成块CD4533 集成块CD4060 压电片 510K电位器 10K电位器 15K电位器 16针插座 14针插座 按钮 三极管9012 通用板 焊锡丝 导线 元件数量 1 1 1 2 2 4 7 1 2 1 1 1 2 2 1 1 2 1 1 3 2 1 3 1 若干 若干 - 3 -

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四、单元电路设计：

4.1采样输入单元电路设计

输入单元借助压电陶瓷将脉搏信号转换为电信号，通过电容C1耦合输入到

R2)vi，放大倍数约为10集成运放LM324组成的同相放大器进行放大，vo(1RV3倍。放大后的信号输入到后面的积分电路进行整形。当有信号输入时，电容器以

vit。当t近似恒流方式进行充电，输出电压vo与时间t成近似线性关系，voRC＞RC时，vo增大，直到voVom，即运放进入饱和状态，vo保持不变，而停止积分。此时的vo可以近似看成是一个方波，能够符合计数器的触发要求。单元电路如下图所示。

VccYDC13C314U4:1LM324R2100K11R31.6KR41.6KC20.1μF0.1μF56100μFR1910KU4:272LM324R59.1KRV3RV415K10K

图1 输入采样单元电路

4.1.1 LM324集成运算放大器特性

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互。每一组运算放大器可用图4所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 其特点如下：1）具有宽的单电源或双电源工作电压范围；单电源3V~30V，双电源±1.5V~±15V ；2）内含相位校正回路, 外围元件少；3）消耗电流小:Icc=0.6mA (典型值, RL=∞) ；4）输入失调电压低:±2mV (典型值) ；5）电压输出范围宽：0V ~ Vcc—1.5V ；6）共模输入电压范围宽：0V ~ Vcc—1.5V。

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图2 运算放大器

4.1.2 LM324集成运算放大器引脚说明

1脚 OUTPUT1 6脚 INPUT2- 11脚 GND 2脚 INPUT1- 7脚 OUTPUT2 12脚 INPUT4+ 3脚 INPUT1+ 8脚 OUTPUT3 13脚 INPUT4- 4脚 V+ 9脚 INPUT3- 14脚 OUTPUT4 OUTPUT 5脚 INPUT2+ 10脚 INPUT3+

14脚是运算放大器的输出端，也是这个芯片的输出；INPUT-是运算放大器的反向输入端，输出端输出的信号总与这个引脚的输入信号极性相反。INPUT+是运算放大器的正向输入端，信号的输入与输出同向。（LM324的引脚排列见图2）

4.2计数器单元电路设计

本电路计数器部分采用一片CD4553作为计数核心。CD4553是具有选通脉冲输出控制的3位十进制计数器。脉冲信号由CK端输入，当计数锁定端LE和显示允许段DIS为低电平时，对脉冲信号进行计数。计数结果为三位BCD码，由Q0--Q3输出。而三个输出选择端DS1、DS2、DS3为低电平有效，通过3扫描输出的方法分别控制三个数码管。当时基控制电路到达计时时间后，向DIS端输出高电平，使计数器停止计数，并锁存，显示当前计数值。MR端用于清零，按下复位按钮后计数器清零，准备工作。单元电路如下所示。

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接译码显示电路R6U24553VssMRC1AC1BQ190121421519765Q0Q1Q2Q3OVFDS1DS2DS310KR7Q29012VddCLKLDEIS10KR83脉冲信号12101113Q39012410KC410P接数码管

图3 计数器单元电路

4.2.1 三位BCD计数器CD4553特性

CD4553由三个BCD计数器级联而成，因而可以用个位、十位、百位进行计数，计数值从0—999。由于它的计数输出端只有一个，而要完成三个计数器的输出，故采用3扫描输出的方法，逐个输出3个计数器的计数值，扫描频率由3、4脚的分时扫描振荡器外接电容的容量确定。由于扫描频率较高故不影响计数输出的准确性。与3个计数器输出相对应，还有3个相应的计数器输出选择端DS1、低电平有效。如当第一个计数器输出时，DS1为低电平，DS2、DS3DS2、DS3，

均为高电平；当第二个计数器输出时，DS2为低电平，其余为高电平；第三个计数器输出时，DS3为低电平。这样可以通过DS1、DS2、DS3与数码管配合，实现分时显示。

4.2.1 三位BCD计数器CD4553真值表

CD4553真值表

MR 0 0 0 0 0 0 0 0 1 CLK 1 1 0    输入 DIS 0 0 1      LE 0 0 0 0  1 0 输出 不变 计数 不变 计数 不变 不变 锁定 锁定 清零 由真值表可以看出，当复位端MR为高电平时，计数器清零。当LE为高电平

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时，计数值被锁定，无法继续计数。

当显示允许端DIS为低电平时，时钟脉冲CLK下降沿计数；当时钟端CLK

为高电平时，显示允许端输入上升沿脉冲计数；其余情况计数值不变。

当3个BCD计数器计数值均为9时，进位端OVF送出高电平脉冲。 4.2.1 三位BCD计数器CD4553引脚说明 如右图所示，芯片 CD4553 的功能：

1脚：数据选择输出端； 9脚：BCD 码输出端； 2脚：数据选择输出端； 10脚：锁存控制器； 3脚：外接电容管脚1； 11脚：时钟输入控制端； 4脚：外接电容管脚2； 12脚：时钟输入端； 5脚：BCD 码输出端； 13脚：复位端； 6脚：BCD 码输出端； 14脚：数据溢出端； 7脚：BCD 码输出端； 15脚：数据选择输出端； 8脚：接地； 16脚：电源。

图4 CD4553引脚排列

4.3基准时间产生单元电路设计

时基电路用来产生一个方波定时脉冲，用来控制计数器CD4553的计数允许端INH,以便使计数器在定时脉冲宽度固定的时间内对脉搏电脉冲计数，固定时间为1min或30s。为得到精确的定时信号，采用振荡，分频的方法，在设计中选用CD4060 14级二进制串行计数/分频器来完成这种功能。COUT和COUT端外接定时R、C元件构成振荡器。调节RV1、RV2能使其震荡频率为273Hz，

1s。如果从Q14输出，那么从定时开始到Q14输出高电平所需那么其周期为2731s21460s。如果从Q13输出，那么从定时开始到Q13输出高电平时间为2731s21330s。一旦Q14或Q13为高电平，那么CD4553的INH所需时间为273也为高电平，计数器停止计数。计数值不变送译码器后由数码管显示出这个稳定的计数值，即为1分钟的脉搏次数。这个值能稳定一段时间后继续计数，但这段时间足够记录数值了。若要重新计数，则按下复位按钮，CD4060和CD4553同时清零。单元电路如下图所示。

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接4553DIS端S3C700P123RV1510KRV2510K76141315Q4Q5Q6Q7Q8QQ190VddCOUTCOUTRSTCINQ12Q13Q14U34060VssR16510K9101112接清零端 图5 基准时间产生单元电路

4.3.1 14级二进制串行计数/分频器CD4060特性

CD4060由一个振荡器和14个T触发器组成。在时钟输入端设有施密特触发器，能自动对输入信号进行整形，允许对上升或下降缓慢的信号计数或分频，计数输出端仅有Q4—Q10、Q12—Q14等10个引出端。

当复位端R为高电平时，计数器复位，Q4—Q10、Q12—Q14输出低电平。 计数脉冲由COUT和CIN输入，当COUT和CIN为脉冲下降沿时，计数器进1。CIN、COUT和COUT外接定时R、C元件或石英晶体构成振荡器。当V为10V时，震荡频率允许为12MHz，可由Q4—Q10、Q12—Q14得到所需的分频输出，常用于分频定时器和时间延迟电路。 4.3.2 14级二进制串行计数/分频器CD4060引脚说明

Qn：二进制计数输出端 R：计数器复位端

φ1 、φ0 、φ0：外接R、C元件或晶体构成振荡器作为时钟信号输入

引脚排列如下图。

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图6 CD4060引脚排列

4.4译码显示单元电路设计

CD4511 BCD锁存,7段译码、驱动器作为译码显示电路的核心部分，与三位一体共阴极数码管配合，作为显示输出。CD4553输出的BCD码由Q0—Q3端输出到七段译码驱动器CD4511的A、B、C、D端，由它译码后经限流电阻R9—R15驱动共阴极数码管显示计数值。本电路中不需要CD4511的灯测试及消隐功能，也不用其锁定功能，故将LT和BI端接Vdd，LE端接地。

单元电路图如下所示。

图7 译码显示单元电路

4.4.1 BCD锁存,7段译码,驱动器CD4511特性

CD4511是BCD七段锁存器式译码器，译码、驱动器由译码器和输出缓冲器构成，输出电流最大值可达25mA。LT为灯测试端，用来检查输出端数码管的好坏。当LT为高电平时，不起作用；当它为低电平时，译码输出端a—g均为高电平，如果此时有接数码管，则数码管显示“8”。BI为消隐端，当它为低电平时，a—g均为低电平，如有接数码管则表现为数码管熄灭。LE为锁定允许端，当LE

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为低电平时，译码功能正常；当LE为高电平时，译码器进入锁定状态，不论A—D为何值，输出端a—g状态保持不变，为LE为高电平之前那一刻的译码状态。 4.4.2 BCD锁存,7段译码,驱动器CD4511引脚说明

A—D：BCD码输入端 a—g：七段译码输出

LT：灯测试端 BI：消隐端 LE：锁定允许端

引脚排列如下图。

图8 CD4511引脚排列

4.4.3 BCD锁存,7段译码,驱动器CD4511真值表

CD4511真值表如下所示。

从表中可见：当LE、BI、LT分别为0、1、1时候，若DCBA为0000，这时a、b、c、d、e、f、g分别为1、1、1、1、1、1、0。经过启动器后显示的是数字0。同样，若DCBA为0001，这时a、b、c、d、e、f、g分别为0、1、1、0、0、0、0。经过启动器后显示的是数字1。其余与此相同。

CD4518B与CD4511B之间的数据转换就是通过8421BCD码来传输的。8421BCD码是十位二进制码,也就是将十进制的数字转化为二进制,但是和普通的转化有一点不同,每一个十进制的数字0～9都对应着一个四位的二进制码,对应关系如下:十进制0对应二进制0000,1对应二进制0001,2对应二进制0010„„9对应二进制1001接下来10就有两个上述的码来表示10表示为00010000也就是BCD码。遇见1001就会产生进位,不象普通的二进制码,到1111才产生进位10000。

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CD4511真值表：

图9 引脚排列

5、调试

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5·1放大整形电路部分的调试

1.LM324芯片的测试

将LM324与已调好的DAC0832相连，DAC0832的Vcc接+5V电压，VREF接-5V电压，WR1、WR2、XFER、CS、Iout2、AGND、GND端接地，八个输入端接电平输入，用万用表测LM324输出端14端的电压，如随电平二进制数增大而增大，则LM324调试成功。

2.拔掉芯片，用万用表测试电路是否已正确连接，经检查与电路图对照，线路接线无错误。

3.连接好电路后,在输入端输入标准方波信号（幅值较小，因为正常情况下应有100倍以上的放大）；输出端接至示波器，观察是否可出现幅度较大的方波信号。经测试，此部分电路工作正常，产生的波形符合要求。

5·2计数电路与译码显示电路部分的调试

1.4511芯片的测试

将高低电平控制开关接到BCD码输入端，通过高低电平的变化及BCD码编码的原则即可显示出0-9。然后在数码管上看是否出现对应的数字。经测试，芯片功能正常。

2.4553芯片的测试

按“芯片资料”中所提供的测试电路连好后，对照真值表测试，芯片功能正常。 3.拔掉芯片，用万用表测试电路是否已正确连接，经检查与电路图对照，线路接线无错误。

4.将计数部分的电路接上电源，插上三位数码管，并确保其他接线均正确，用低频脉冲信号发生器的输出信号作为计数器的输入，从三位共阴数码管上去读数字，观察个、十、百位计数器是否都能完成逢十进一的功能。然后按下清零按钮，使两个计数器均清零，重新开始计数，数码管应能反映这一状态。对应，它们应分别对应个、十、百位才对，连线不要搞错。另外，应检查译码器各输出端与数码管相应引脚是否正确。

5·3定时电路部分的调试

1.4060芯片的测试

按“芯片资料”中所提供的测试电路连好后，对照真值表测试，芯片功能正常。

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2.拔掉芯片，用万用表测试电路是否已正确连接，经检查与电路图对照，线路接线无错误。

3.插上芯片，接通电源，调动压电片，发现一段时间后停止变动，定时部分电路连接正确。

6、电路测试及测试结果

用万用表检查线路是否短路、断路或者虚焊。按原理图，接上所有元器件，接通电源。匀速调节电位器，从而改变输出电压。观察三位共阴数码管是否正常显示，测出1min的脉搏跳动。

7、设计总结

一开始觉得完成这个任务应该挺容易的，但事实并非所想的那样。在设计过程中也遇到了问题，可以说是困难重重。这个线忘记接地了，那个焊点虚焊了，这个集成块什么用途，发现了自己的不足之处，对前面学过的一些知识理解的不够透彻，掌握的不够牢固。

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。

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。

8、参考文献

1 康华光，电子技术基础数字部分，北京：高等教育出版社，2006 2 王天曦、李鸿儒，电子技术工艺基础，北京：清华大学出版社，2004年 3 百度百科 4 电子资源网

5 标准数字电路4000 CMOS全系列数据手册

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6 康华光， 电子技术基础模拟部分， 北京：高等教育出版社，2000 7 卜云峰，检测技术，北京：机械工业出版社，2005.1

8 陈帅，淮阴工学院数字电子技术实验指导书，淮安：淮安市淮工印刷中心，2008

附：总体电路设计图：

U145117126345ABCDVddLTBILEVssABCDEFGR9~R170×7R9131211109151499U712345678VCCabacfbdgeecfdgdpdp12345678VCCabacfbdgeecfdgdpdpU612345678VCCabacfbdgeecfdgdpdp9U5R15S2R6U24553VssMRC1AC1BCOUTCOUTS3Q19012C700P123RV1510KRV2510KS1142151Q4Q5Q6Q7Q8QQ190OVFDS1DS2DS3R7VddCLKLDEISQ2901210KR83Q12Q13Q14Q0Q1Q2Q3BT76141315976510KU3406012101113Q39012RSTCINR16510K410KC410P9101112YDC132+C3U4:11R17100K5R31.6KR41.6KC20.1μF0.1μFU4:27100μFR1910KLM324R2100K11LM324R59.1KRV3RV415K10K - 14 -