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数字脉搏计实验报告以及详细电路图.docx

发布时间：2022-06-12 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.31M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    数字脉搏计课程设计
    专业:自动化
    姓名：巩力
    学号：3009203215
    3、倍频电路
    数字脉搏计课程设计 实验报告 专业:自动化 姓名：巩力 学号：3009203215 1
    1、设计实验信息 课程性质：综合了数字电子技术和模拟电子技术理论课程的后续实践课程。 课程目的： 1. 培养查阅资料的能力。 2. 培养综合设计和实践能力。 3. 培养协作精神。 4. 培养创新能力。 5. 培养工艺素质。 综合设计的一般方法： （1）明确设计任务和要求； （2）广泛查阅有关资料，确定方案； （3）设计电路框图、原理图； （4）计算元件参数，列出元件明细表； （5）局部或整体电路仿真； （6）画出标有元件值、芯片管脚的完整电路图； （7）电路组装与调试； （8）电路测试并与理论值比较； （9）完成总结报告。 电路设计思路： 1） 明确对各单元电路的任务要求并注意各单元电路间的相互配合。 2）充分比较具有相近功能的电路和芯片，本着简单、可靠、经济实用的原则进 行选择。 3）在保证电路性能前提下，尽可能减少器件的数量和种类。 4）选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案，而且要满足功耗、电 压、速度、价格等多方面的要求。 5）尽量选用满足性能指标的成熟电路，没有成熟电路而需创新或改进的，可先 进行局部仿真或详细原理分析，以保证性能要求。 设计任务与要求： 1． 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 30~160 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。手动清零。 ②不显示计数过程。自动清零，自启动计数。 注：工作时数码管不可以消隐。 5 秒和 15 秒方式改变由开关控制。 2. 模拟信号处理 对于脉搏信号的放大、滤波、整形部分采用 PSPICE 或 MultiSim 仿真实 现。 脉搏信号放大器： 输入：5mV（采用 5mV、1.2Hz 信号源作为模拟输入） 2
    输出：能够驱动 CMOS 数字芯片 性能指标：电压增益：大于 1000 倍 输入电阻：大于 107Ω 通频带：0.5Hz —50Hz CD4046 仿真要完成的主要任务：功能分析、指标测量。 3． 给定条件 实验箱一台：直流电源、面包板、连续脉冲信号等 元器件： 锁相环 计数器（可预置数的 4 位二进制计数器） CD4526 计数器（二——十进制同步加计数器） CD4518 计数器（14 位二进制串行计数器） CD4060 译码器（BCD——锁存/7 段译码/驱动器） MC14511 数码管（共阴） 缓冲器（反相器） 电阻、电容若干 数电实验中常用芯片 2、实验方案框图（按功能分） 将电路的不同部分按照功能分类可以方便的电路一点一点的实现，也方便在 电路的各部分的安装和调试。 1、信号发生与采集：利用传感器将脉搏跳动信号传感器转换为与此相对应的 5mV 的电脉冲信号； 2、放大、滤波、整形电路：把传感器的微弱电流放大 1000 倍以上滤去不需要的 干扰信号，再通过整形变成数字信号； 3、倍频电路：通过锁相环和 1/N 计数器，组成倍频电路，将输入的数字信号的 频率放大，一遍后面的计数电路对脉搏的计算，倍频电路分为 4 倍档和 12 倍档， 分别对应脉搏计的 15s 计时测量和 5s 计时测量模式； 4、计数、译码、显示部分：利用此部分实现对输入信号的计数以及将结束时刻 的计数值输出到数码管，计数器的输出可以直接接到译码显示芯片再连接上数码 管，来实现对计数值的显示，此部分还留有很多控制门，以备控制电路进行控制； 5、基准时间产生电路：此部分利用 555 触发器构成多谐振荡器，来输出固定频 3
    率的矩形波（10Hz），供控制电路作为计时基准； 6、控制信号：通过对基准信号的计算，通过两个计数电路实现对时间的控制， 对计数到输出通过逻辑门输出给计数、译码、显示部分相应的控制门进行控制， 对 5s 和 15s 两种制式可以以通过开关简单的改变逻辑门的工作状态来实现。 3、各单元电路设计与参数计算 1、信号发生与采集： 可以通过压力传感器（比如陶瓷压电传感器）对脉搏进行采样收集，将压力 信号变成 5mV 的脉冲信号。 2、信号放大、滤波、整形电路：我们将此部分功能细分成放大、滤波和整 形 3 个部分来实现。 2.1 信号放大电路： 按照实验要求要将 5mV 的输入信号放大 1000 倍（5V），使其可以驱动后续的 CMOS 数字电路。 我们这里采用运算放大器 LM324 构成的反相放大电路： 电路图如图 3-2-1 所示，在理想条件下有 Vo=－－ R2R1*Vi 。运放的闭环电压 增益为 Avf=－ R2R1，输入电阻为 Rif=R1。 R3=R1∥R2=－ R1∗R2 R1+R2 。以下输入信号都用5mV 的正弦信号代替。 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 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。 由于要求输入电阻不小于 107 欧姆，所以我们采用四级放大电路，正好用掉 3-2-1 4
    一片 LM324 的四个运放，第一级没有对电压的放大作用，只起到提供一个大的 输入电阻的作用，以保证肯定满足输入电阻大于 107 欧姆的要求，我们在仿真里 采用了 R1=12MΩ，以后三级一次起到对电压信号放大 10 倍的作用， R4=R5=R6=100kΩ,R7=R8=R9=10kΩ,R3=6MΩ,R10=R11=R12=9.1kΩ下图 3-2-2 是对 电路的仿真结果： 3-2-2（1） 3-2-2（2） 输入为 5mV30Hz 的正弦信号，Vo=4.998v 完全符合要求。在示波器上观察可 以输出输入信号 y 轴都是 10V/Div，可以清楚的看到放大电路对输入信号的放大 作用。 2.2 滤波电路 滤波电路的作用就是滤掉输入信号中的高频的低频噪声信号，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 fL（在低频区）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 5
    在本题目要求本电路的通频带是 0. 5Hz~50Hz，因此需设计一个滤波电路将 频率高于 50Hz 的高频信号和频率低于 0. 5Hz 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，用一个高通滤波器及一个低通滤 波器串联就可以实现此项功能，其电路设计以及电脑仿真结果下图 3-2-3、3-2-4、 3-2-5、3-2-6 所示： 3-2-3（1） 3-2-3（2） 6
    3-2-4（1） 3-2-4（2） 7
    上图 35mHz 时输入输出波形对比， 3-2-5 （1） 3-3-5（2） 8
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