课 程 设 计
数显式脉搏测试仪设计
班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师
课 程 设 计 任 务 书
课 程 名 称 数字逻辑课程设计 课程设计题目 数显式脉搏测试仪设计 课程设计的内容及要求：
一、设计说明与技术指标
设计一个数显式脉搏测试电路，技术指标如下： ① 测试时间为1分钟。
② 实时显示脉搏数，1分钟时停止，并提醒。 ③ 利用脉冲或者正弦波模拟脉搏传感器输出。 ④ 要求用数码管显示时间。 二、设计要求
1．在选择器件时，应考虑成本。
2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。 3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。 三、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用multisim软件仿真。 2．进行实验数据处理和分析。 四、推荐参考资料
1. 彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社
2. 孙梅生，李美莺，徐振英. 电子技术基础课程设计[M]. 北京：高等教育出版社 3. 梁宗善. 电子技术基础课程设计[M]. 武汉：华中理工大学出版社
4. 童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础．[M]北京：高等教育出版社，2006年 五、 按照要求撰写课程设计报告
成绩评定表： 序号 评定项目 1 2 3 4 5 设计方案正确，具有可行性，创新性（15分） 设计结果可信（例如：系统分析、仿真结果）（15分） 态度认真，遵守纪律（15分） 评分成绩 设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（25分） 答辩（30分） 总分 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字：
年 月 日
一、概述
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次数，已第一声为准，心电信号是一种非常弱且频率较低的一种信号，一般幅值在 0.05 到 5 毫伏之间，频率在 0.05 到 100HZ 之间，脉搏波：人体心室周期的收缩和舒张，导致主动脉的收缩和舒张，是血流压力---波的形式从主动脉根部开始沿着动脉系统传播，这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现的形态强度，速率和节律等方面的综合信息，反应出许多生理的血流特征，而心率的测量是一种评价人生理状况很好的方法。心率和脉搏在身体正常的时候是相等的。在房颤等心脏疾病的时候可出现不等。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应用。脉搏计在实际应用中非常广泛，他是用来测量一个人的心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分，用来测量频率较低的小信号。其原理适用于很多声控器械，它涉及到时序逻辑电路如何设计分析和工作等方面。通过使电路更深刻的了解时序逻辑部件的工作原理，从而掌握如何根据需求设计满足要求的各种电路图，解决生活中的实际问题。
二、 方案论证
主要由采样输入电路、脉冲计数电路、基准时间产生电路、译码显示电路四个部分组成。且要求在开始工作 15S 后能自动停止对脉搏的计数以获得准确的脉搏数。下次工作时通过按钮来清零，重新显示脉搏数。将脉搏信号转换成电平信号，由三极管接受之后经过放大电路将信号放大 10 倍，流入整形电路成为规则的矩形波，再由倍频电路对此信号进行二倍变频。与此同时，基准时间电路由单稳态 555 产生一个周期为 15 秒的信号。 整个电路的核心部分控制电路的工作，按下开关，输出为低电平，对计数器和 D 触发器进行清零，输出高电平。计数器的脉冲信号由锁存器输出信号、时间基准电路的输出信号、倍频电路信号通过三输入与非门产生。由三输入与非门的输出信号作为计数器的时钟信号，驱动计数器计数。计数器是由 16 进制的 74LS160 的10 进制计数器，三个计数器从左至右分别为百位、十位、个位。十位的计数受各位的影响，只有当个位计数到 9 后十位的使能端信号才有效。十位开始计数，百位的计数原理同十位。
1．传感器是将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。方法：可以利用函数信号发生器，使用正弦波模拟人体脉搏跳动。
2． 放大整形电路把传感器的微弱电流，微弱电压放大，整形出去杂散信号。方法：可以使用电压比较器进行整型。
3．倍频器是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。方法：实现可以采用能满足设计要求的 D 触发器组成的 4 倍频电路。
4．控制电路用 555 保证基准时间控制，4 倍频后的脉冲信号送计数、显示电路中。 5．计数、译码、显示电路用来读出脉搏数，以十进制数的形式由数码管显示出来。 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 1min 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，误差也就越大。
图1 方案原理图 基准时间产生电路 传感器 放大与整形 倍频器 控制电路 计数译码显示器 74LS160 计数器集成运放放大电路，555 构成的单稳态触发器，D 触发器组成的 4 倍频电路等电路。采用简单的 74LS160 作为计数器，因为它是十进制计数器，无需改装，直接使用。因为脉搏测量器所需的上百位的数字。因此将三片 74LS160 直接进行进位方式连接，即得千进制计数器。结合以上各部分电路内容及设计要求分析，以控制电路为枢纽，将经传感器、放大整形电路、倍频电路的脉搏信号和时间信号通过控制电路实现对计数器的控制，使其能够准确的显示脉搏数。根据此框图，各部分电路有如下几种设计方案：放大电路可以在同相放大器和反相放大器之间选择，二者几乎没有区别，在此选择使用反相比较器，整形电路可以用 555 构成的施密特触发器或者由运放组成的迟滞电压比较器，考虑到运放的使用较 555 简单方便，选择用运放构成迟滞比较器，倍频电路的形式很多，可以用锁相倍频器或者异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的 D 触发器组成的 4 倍频电路。基准时间产生电路的设计方案也较多，可以选择石英晶体振荡电路、555 定时器构成的单稳态触发器，因为石英晶体振荡电路还需要接入 4060 集成芯片，使用比555 复杂，所以选择 555 产生基准时间，计数译码显示电路的计数器设计有较多方案，可以选择 160、161、279 等芯片均可以设置为 10 进制来满足要求，在此选择使用普遍，较熟悉的 160 作为计数器电路。
三、电路设计
数显式脉搏计主要由采样输入电路、脉冲计数电路、基准时间产生电路、译码显示电路四个部分组成。且要求在开始工作 15S 后能自动停止对脉搏的计数以获得准确的脉搏数。下次工作时通过按钮来清零，重新显示脉搏数。其工作原理简介：电路连接好以后，通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，将脉搏信号转换成电平信号，由三极管接受之后经过放大电路将信号放大 10 倍，流入整形电路成为规则的矩形波，再由倍频电路对此信号进行二倍变频。与此同时，基准时间电路由单稳态 555 产生一个周期为 15 秒的信号。 整个电路的核心部分控制电路的工作，按下开关，输出为低电平，对计数器和 D 触发器进行清零，输出高电平。计数器的脉冲信号由锁存器输出信号、时间基准电路的输出信号、倍频电路信号通过三输入与非门产生。 由三输入与非门的输出信号作为计数器的时钟信号，驱动计数器计数。计数器是由 16 进制的 74LS160 的10 进制计数器，三个计数器从左至右分别为百位、十位、个位。十位的计数受各位的影响，只有当个位计数到 9 后十位的使能端信号才有效。十位开始计数，百位的计数原理同十位。74LS160 计数器集成运放放大电路，555 构成的单稳态触发器，D 触发器组成的 4 倍频电路等电路。脉搏传感器作用将脉搏信号转换为响应的电脉搏冲信号。放大电路多种多样，本次试验采用比较简单，廉价的运放电路。由一个运放器和三个电阻就组成了。放大倍数可调。倍频电路对脉搏进行调频，如将 15S 内传感器所获得信号频率 4 倍频即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。555 定时器是为了实验在规定时间内完成。本设计采用简单的 74LS160 作为计数器，因为它是十进制计数器，无需改装，直接使用。因为脉搏测量器所需的上百位的数字。因此将三片 74LS160 直接进行进位方式连接，即得千进制计数器。结合以上各部分电路内容及设计要求分析，以控制电路为枢纽，将经传感器、放大整形电路、倍频电路的脉搏信号和时间信号通过控制电路实现对计数器的控制，使其能够准确的显示脉搏数。 1．传感器
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。目前典型的脉搏传感器有以下三种：光电类、压阻类和压电类。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。传感器信号调节，该部分结构简单 R1 和 R2 的值分别选取 510Ω 和 10KΩ，电源采用 5V 供电，红外线发光管采用 TLN104 接收三极管采用 TLP104。本次设计中是利用函数信号发生器，使用正弦波模拟人体脉搏跳动。如图2.
图2 传感器原理图
2．放大与整形
放大电路多种多样，本次试验采用比较简单、廉价的运放电路。由一个运放器和俩个电阻就组成了符合要求的放大电路。放大倍数可调，本次放大倍数大约为10倍。由于整形电路比较复杂，要先较好的对脉冲信号的不规则整形是有一定的难度，初次想到的就使用电压比较器进行整形，但是在模拟软件下这种不知道那个是电压比较器。如图3.
图3 放大电路
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1min 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。如图4.
图4 倍频电路
4．定时电路
555 定时器是使时间长度为 15s。工作原理：开关打开，RST、VCC、1 端都为高电平，此时比较器 1、2 都输出高电平，输出端输出为低电平。触发时：触发信号加在触发端，比较器 2 输出低电平，锁存器置 1，输出端输出高电平。电源通过电阻 R6向电容 C2 充电，暂稳态开始。经过一个小的延迟时间，触发信号消失，触发端为高电平。 暂稳态结束时：随着电容的充电，当时间达到 15s 的时候，电容两端电压为 2/3VCC,THR 和 THI 为 1/3VCC，此时输出变为低电平。时间常数有t=1.1RC 可以求得。取 C5=10nF，C2=4.7uF，R6=2.9MΩ。如图5.
图5 555定时电路
5．计数译码显示
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，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。如图6.
图表 6 译码显示电路
四、性能测试
本次课程设计中是利用函数信号发生器，使用正弦波模拟人体脉搏跳动。如下图7.
图7 函数发生器
1.放大与整形电路测试
在本次课程设计中，由于传感器电阻大，输出信号较弱，所以需要放大电路。如下电路的放大倍数为：
Au=Rf/Ri=10
如图9所示A通道为信号源波形，B通道为放大后的波形。如图表8,9.
图8 放大电路
图9 放大电路测试
2． 倍频放大电路
由于要求在15秒内完成60秒的测试，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1min 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。当 a 点由高到低时，b 点电压不变，且电容开始放电，此时，a=!b, c 点电位为高，直到电容放电致电压小于 2V，c 点跳变为低。整个过程组成一个二倍频电路，两个二倍频电路构成一个四倍频电路。输入与输出波形如图所示。输入脉搏信号用 250HZ 的矩形波，T=4ms。前级二倍频电路的高电平应为 2ms。经计算得：
T W =0.7RC=0.7×7K×0.4uF=1.96ms。
为使上升沿分布均匀，二级倍频电路的高电平应小于 1/2T W 。且如果电容过大，则波形可能出现丢步现象。故我们只需要分布均匀的上升沿即可。所以：
T W2 =0.7RC=0.7×1K×0.1uF=0.07ms
如图表10,11.
图10 倍频电路
图11 倍频电路测试
3．定时电路测试
本次课题中，要求用 15 秒测出 1min 的人体脉搏，所以用 555 定时器使输出端在 15 秒以内为高电平，15 秒之后为低电平,低电平指示灯变亮提示，电路停止计数，数码管停止跳动，显示1min内脉搏个数。如图表12,13.
图12 定时电路
图13 定时电路测试
1. 整体电路测试
下图为总图，和测试表格结果。人的心跳不会全部相同，大概在60-80之间，表格1中不同频率表示不同人的不同心率，第二列表格表示不同人类在不同的心率下一分钟内的脉搏数量。当函数传输时间达到15秒时，开关跳开，555输出为低电平，此时经过反向器二极管发光以作提示之用 。图14，表1，如下。
图14 总电路图
表 1 测试数据表
频率（HZ）/人的心跳频率 1 0.5 1.25 1.5 2 10 数码管显示/人的脉搏数（1min） 060 030 076 090 129 581
五、结论
本次课程设计基本实现了课题的要求，将脉搏跳动信号转换为对应的电脉冲信号，放大整形后进行四倍频，并在 15s（基准时间） 内对此信号计数，便得到了 1min 脉搏数。经过实训进一步加深对逻辑电路和一些常用 IC 如 74LS160、7400、555 等应用的熟悉和掌握。另外，我也发现自己对数电知识和电子设计软件掌握得不够，其次在此次设计由于我们频繁的使用 Multisim10 这个仿真软件，因此我也进一步熟悉了此软件的使用，同
时使用电脑对绘图操作上有了进一步提高。我首先应选出一个比较该兴趣的课题，然后根据设计题目的技术指标或电路所实现的功能，对各单元模块进行设计，在设计过程中遇到了一些问题，使得我查找各种相关资料，在增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能力。这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。最后将各单元模块进行总体设计并画出原理框图。最后我们用仿真软件对我们所设计的电路进行了仿真，经过我们不断地调试才达到我们实际的要求。通过这次实践，使我对抽象的理论有了具体的认识。也使对我专业知识和专业基础知识做了一次实际检验和巩固，这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。除了这些还要考虑的就是性价比的问题555 集成芯片，74LS160，NE5532AI，7400,74LS86 以及数码管都是在市场上的销售价格都比较便宜，可以买到，并且常用的芯片，在一定条件上可以代替市场上销售昂贵的脉搏计。此脉搏计，制作简单，方便，成本低廉，性价比良好。
参考文献
1. 彭介华，电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社
2. 孙梅生，李美莺，徐振英. 电子技术基础课程设计[M]. 北京：高等教育出版社 3. 梁宗善. 电子技术基础课程设计[M]. 武汉：华中理工大学出版社
4. 童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础．[M]北京：高等教育出版社，2006年
附录I 总电路图
图表15 电路总原理图
附录II元器件清单
表格 2 元器清单 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 编号 U1/2/3 U4 U5/8/9 U6A/6B/7A/7B U10 U11A R1/2/5 R3 R4 R6 U12/13 LED1 C1/2/3/4 名称 数码管 定时器 译码器 异或门 与非门 放大器 电阻 电阻 电阻 电阻 反相器 LED灯 电容 型号 DCD_HEX 555 74LS160N 4070BD_10V NAND2 NE5532AI 1010KΩ 2.9MΩ 100KΩ 100Ω NOT LED—green 数量 3 1 3 4 1 1 3 1 1 1 2 1 4
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