1、標準文檔數字電子技術課程設計報告指導老師：嚴國紅、夏海霞姓名:學號:班級:實用文案11產品簡介紅外線心率計就是通過紅外線傳感器檢測出手指中動脈血管的微弱波動，由計數器計算出每分鐘波動的次數。但手指中的毛細血管的波動是很微弱的，因此需要一個高放大倍數且 低噪聲的放大器，這是紅外線心率計的設計關鍵所在。通過本產品的制作，可以使學生掌握 常用模擬、數字集成電路(運算放大器、非門、555 定時器、計數器、譯碼器等)的應用。2紅外線心率計工作原理2.1紅外線心率計的原理框圖整機電路由-10V 電源變換電路、血液波動檢測電路、放大整形濾波電路、3 位計數器電路、門控電路、譯碼驅動顯示電路組成，如圖1 所示

2、。圖 1 紅外線心率計的原理框圖2.2單元電路的工作原理負電源變換電路為簡化實驗的步驟，實驗中直接用+12V、和-10V 的電源代替負電源變換電路。血液波動檢測電路實驗中采用信號源發生器直接產生正弦波代替原來的血液波動檢測電路。放大、整形、濾波電路放大、整形、濾波電路是把傳感起檢測到的微弱電信號進行放大、整形、濾波，最后輸 出反映心跳頻率的方波，如圖5 所示。其中 LM741 為高精度單運放電路，它們的引腳功能如圖 3 (b)所示。IC2、IC3、IC4都為 LM741。+ 12V2圖 5 信號放大、整形電路因為傳感器送來的信號幅度只有25 毫伏，要放大到 10V 左右才能作為計數器的輸入脈沖

3、。因此放大倍數設計在 4000 倍左右。兩級放大器都接成反相比例放大器的電路，經過兩級 放大、反相后的波形是跟輸入波形同相、且放大了的波形。放大后的波形是一個交流信號。其中 Ai、A的供電方式是正負電源供電，電源為+12V、-10V。Ai、A與周圍元件組成二級放大電路，放大倍數Auf為：R4R8Auf4一= 66 664000R3R6由于放大后的波形是一個交流信號，而計數器需要的是單方向的直流脈沖信號。所以經過 Vs檢波后變成單方向的直流脈沖信號，并把檢波后的信號送到RC 兩階濾波電路，濾波電路的作用是濾除放大后的干擾信號。R、V4 組成傳感器工作指示電路，當傳感器接收到心跳信號時，V4就會按

4、心跳的強度而改變亮度，因此V4正常工作時是按心跳的頻率閃爍。直流脈沖信號濾波后送入 As的同相輸入端，反相輸入端接一個固定的電平，As是作為一個電壓比較器來工作的，是單電源供電。當A的 3 腳電壓高于 2 腳電壓的時候，6 腳輸出高電平；當A的 3腳電壓低于 2 腳電壓的時候，6 腳輸出低電平，所以 As輸出一個反應心跳頻率的方波信號。門控電路555 定時器是一種將模擬電路和數字電路集成于一體的電子器件，用它可以構成單穩態觸發器、多諧振蕩器和施密特觸發器等多種電路。555 定時器在工業控制、定時、檢測、報警等方面有廣泛應用。555 定時器內部電路及其電路功能如圖 6（a）、（b）所示。555

5、內部電路由基本 RS 觸發器 FF、比較器 COMP COMP 和場效應管 V1 組成（參見圖 6（a）。當 555 內部的 COMP 反相輸入 端（-）的輸入信號 VR小于其同相輸入端（+）的比較電壓 VCO（VCO二IVDD）時，COMP 俞出 高電位，置觸發器 FF 為低電平，即 Q=0;當 COMP 同相輸入端（+）的輸入信號 VS大于其反 相輸入端（-）的比較電壓VCd2（1/3VDD）時，COMP 俞出高電位，置觸發器 FF 為高電平，即 Q=1。RD是直接復位端，RD=0, Q=0MOST V 是單穩態等定時電路時，供定時電容 C 對地放電3(a) 電路(b)工作波形圖 7 由

6、555 組成的門控電路1當接通電源的時候， +12V 電源電壓通過 R5對電容 C4進行充電， 2 腳的電壓馬上變成 12V (“ 1 ”電平)，觸發器 FF 被置“ 0”，即 555 的 3 腳輸出“ 0”電平(參見圖 7(a) )。V6截 止，V6的 C 極為高電位，所以計數器 MC14553 不計數，此時 V5不亮。2當按下 S 按鈕時，2 腳電壓為 0V,低于 1/3 電源電壓。555 內部 CMP 俞出高電平(參 見圖 6(a),作用。注意：電壓VCO可以外部提供，故稱外加控制電壓，也可以使用內部分壓器產生的電壓,不用時常接0.01卩F電容到地以防干擾。這時 COMP 勺比較電壓為

7、VDD3 ,放電7DISCVDD置“ 0”6URQ輸入置“1”2US輸入GNDVCC(b) 555圖 6 555 定時器內部電路及其功能符號由555接成單穩態觸發器來完成門控電路的作用是控制計數器的啟停， 并控制每次測量 的時間，電路如圖 7(a)所示。IC511腳(a) 555簡化符號+12VR17200kC5100VDDRDVcoQVS定時器內部電路放電DISC81復位電源45控制地3輸出V5-計數指示立76S11R141kR168k2RI510kR31100kIC5NE555V68050 *l l 下0101UCTw4觸發器 FF 被置“ 1”，即 3 腳輸出“ 1”電平，V6飽和導通，

8、V5發光，V6集電極輸5出低電平，使計數器 MC14553 清零，開始計數。同時 555 內場效應管截止，12V 電壓通過 缶 給 C6充電，C6的電壓逐漸增高，如圖 7（b）uC6波形。3當 C6的電壓充到 2/3 電源電壓的時候，555 內 CMP 輸出高電平，觸發器置“ 0”，3 腳 輸出低電平，V6集電極輸出高電平，因此計數器MC14553 的 11 腳變為高電平，計數器停止計數；同時 555 內場效應管導通，電容 C6通過場效應管迅速放電到低電平，返回穩定的狀態， 定時結束。脈寬 TW 可根據下式計算：3 位計數電路由 MC14553 組成的 3 位計數電路對輸入的方波進行計數，并把

9、計數結果以BCD 碼的形式輸出。MC14553 為十六引腳扁平封裝集成電路，其引腳功能如圖8（a）所示，有四個 BCD 碼輸出端 QQ,可分時輸出三組 BCD 碼；有三個分時同步控制信號DSDS,為計數器的輸出提供分時同步輸出控制信號，形成動態掃描工作方式，該控制端低電平有效。計數電路包含了 計數和輸出驅動電路。161514131211109161514131211109VDDDS3O.FRCPDISLEC0VDDfgedcbaMC14553)CD4543DS2DS1CBCAQ3C2QlVSSLDCBDAPHBIVSS1234567812345678（a） MC14553（b） CD4543圖

10、 8 集成電路引腳功能圖計數器 MC14553 真值表如下：表 2.1 MC14553 真值表輸入輸出置零端（13 腳）時鐘（12 腳）使能（11 腳）測試（10）0上升沿00不變0下降沿00計數0X1X不變01上升沿0計數01下降沿0不變00XX不變0XX上升沿鎖存0XX1鎖存1XX0Q0123=0 x=任意-R仃C6lnVDD2VDDVDD3=R17C6In 3 =1.1Ri7C6式 1-16計數器 MC14553 的 DSiDS 輸出為方波，波形如圖 8 所示。當按下 Si時(參見圖 7(a ), V5飽和導通，V的 C 極為低電平，MC14553 的 11 腳變為低電平，計數器開始對送

11、到12 腳的從整形電路過來的方波個數進行計數，最大計數為 999，計數結果以 BCD 碼的形式從 Q0Q3輸出。11 腳不管是高電平還是低電平，DSDS 始終是輸出圖 9 的方波。當 DS 是低電平的時候，個位顯示器被選中，Q0Q3輸出個位要顯示的數值； 當 DS 是低電平的時候，十位顯示器被選中， Q0Q3輸出十位要顯示的數值；當DS 是低電平的時候，百位顯示器被選中，QQ 輸出百位要顯示的數值。DS1圖 9 DS1DS 輸出波形圖譯碼、驅動、顯示電路3 位計數電路、譯碼、驅動、顯示電路如圖10 所示，它的作用是把計數器輸出的計數結果顯示在 3 位數碼管上。譯碼器 CD4543 的引腳功能如

12、圖 8 ( b)所示。它有了四個輸入端： A B、C、D,與計數 器的輸出端相連；有七個數碼筆段輸出驅動端：ag。譯碼器 CD4543 可以驅動共陰、共陽兩種數碼管，使用時，只要將PH 引腳接高電平，即可驅動共陽極的LED 數碼管；將 PH 引腳接低電平，即可驅動共陰極的LED 數碼管。顯示采取動態掃描的方法，即每一時刻只有一個數碼管被點亮，但是交替的頻率非常快，由于人眼的視覺殘留效應，人眼看到的就是靜止的數字顯示結果。計數器送來的數據，經過 CD4543 翻譯成 7 段字碼后，接到數碼管的 7 個筆畫端，點亮相應的筆畫段。數碼管采用共陽 極的。CD4543 的真值表如下：表 2.2 CD45

13、43 的真值表輸入輸出LD(1)BI(7)PH(6)D C B Aa b c d e f g顯示X11X X X X1 1 1 1 1 1 1黑屏1010 0 0 00 0 0 0 0 0 101010 0 0 11 0 0 1 1 1 111010 0 1 00 0 1 0 0 1 02771010 0 1 10 0 0 0 1 1 031010 1 0 01 0 0 1 1 0 041010 1 0 10 1 0 0 1 0 051010 1 1 00 1 0 0 0 0 061010 1 1 10 0 0 1 1 1 171011 0 0 00 0 0 0 0 0 081011 0 0

14、10 0 0 0 1 0 091011 0 1 01 1 1 1 1 1 1黑屏1011 0 1 11 1 1 1 1 1 1黑屏1011 1 0 01 1 1 1 1 1 1黑屏1011 1 0 11 1 1 1 1 1 1黑屏1011 1 1 01 1 1 1 1 1 1黑屏1011 1 1 11 1 1 1 1 1 1黑屏IC46 腳輸出V6C 極個85508550+ 12V16R201210k1110C71000Pb個百ifif 十CIAVDDDS1CIBDS3CLKIC6Q0DISQ1Q2MRQ34131R21R2324.7k38550百166bcdVDDPHLDaAB 395736

15、254CDR24R30e14fBIVSSg91k 711128圖 10 3 位計數、譯碼、驅動、顯示電路上圖中： IC6 為 MC14553 IC7 為 CD4543VSS8 :8H理原機整圖CM寸8 8S S導至O一5,STIE E魅攜雋即B B泊娜肆域JL H HST豈e eD二詈吝二汴魚2_37S7S7亠之迂 1 1%一rtfEtEt- -5555S一臺只宀胃一齋+年g gfrjfrjy y- -AWW 廠自一-甫J _博羸強離0為+93紅外線心率計調試3.1 紅外線心率計的調試過程放大、整形、濾波電路的調試電路連接完畢后通電。測量IC2、IC3的 7 腳、4 腳對直流地的電壓（即運放的

16、供電電壓），應該為+12V、-10V 左右。測量 IC4的 7 腳、4 腳之間的電壓，應該為 +12V 左右。把食指放在傳感器（ON2152 的探頭上，適當調節壓力。V4應該會有節律的閃爍，閃爍的頻率跟心跳的頻率吻合。此時，用示波器測量IC2的 6 腳波形，應該是放大了R/R3倍的波動信號。用示波器測量 IC3的 6 腳波形，應該是比 IC2的 6 腳波形放大了 R/R6倍的波形（因為 放大倍數很大，波形有削頂現象）。IC2、IC3的放大倍數可以根據自己的實際情況適當做一些調整。用示波器測量 IC4的 6 腳波形，應該是一個規范的方波，是單極性的，如果沒有方波， 或方波的占空比太小，可以適當改

17、變Ri。、Ri的阻值。把測得的三個波形畫入表4.3 中。如果手上暫時沒有傳感器，則使用函數信號發生器產生幾hz、幾 mv 的正弦波，并把該波形加到 C 的負極，同樣也可以按上述的方法進行調試。門控電路的調試電路連接完畢后通電。此時，門控電路進入穩態，用數字萬用表DC20V 擋測量 3、6、7腳與 1 腳之間的電壓都為 OV, V5 的 C 極與 1 腳之間的電壓為 12V，V5不發光。按一下 S 按鈕， 門控電路輸出狀態發生翻轉，進入暫穩態，555 輸出端 3 腳輸出高電位，因此 V6飽和導通，V6的 C 極輸出低電位，V5發光，用數字萬用表 DC20V 擋測量 6、7 腳與 1 腳之間的電壓

18、，可以 發現，電壓是慢慢上升的，當上升到8V 左右的時候（時間是 30 秒），門控電路輸出狀態又發生翻轉，進入穩態，此時555 輸出端 3 腳輸出低電位。用數字萬用表DC20V 擋測量 3、6、7腳的與 1 腳之間的電壓，都是 0V, V6的 C 極與 1 腳之間的電壓為 12V，V5不發光。如果暫穩態的時間不是 30 秒，則最后測量的心率不準確。需要調整R7或 G 的參數來達到 30 秒的要求。具體計算公式：1.1XR17XC6=30。計數、譯碼、驅動、顯示電路的調試電路連接完畢后通電。此時由于門控電路的控制作用，計數器MC14553 的使能端（低電平有效）被置“ 1”計數器不計數，輸出的

19、BCD 碼是 0000 即 5、6、7、9 腳的電壓大約是 0V。 用示波器雙蹤測量 DS、DS 之間、DS2與 DS 之間波形，應能顯示圖（8）所示的波形，測試并 把波形畫在 4.5中（示波器量程：雙蹤， 5V/DIV，1mS/DIV）o把食指放在傳感器的探頭處， 適當調節壓力。當觀察到 V4呈現有規律的亮-滅時，就可以進行測量了。按一下門控電路的S，這時，V5發光，計數器的使能端被置“0”計數器開始按整形電路送來的心跳脈沖計數。計數的結果以BCD 碼的形式送到譯碼器進行譯碼。譯碼后的結果送到數碼管顯示計數的結果。過30 秒鐘后，門控電路輸出高電平，計數器使能端被置“1”，計數器停止計數。數

20、碼管顯示最后計數的結果，此數字乘2 即是被測的心率。測量并記錄計數器停止計數后，集成電路MC14553 及 CD4543 的引腳電壓并填入表 4.6、表 4.7。103.2外線心率計調試記錄表表 3.3放大、整形、濾波電路測量項目IC2的 6 腳電壓波形IC3的 6 腳電壓波形IC4的 6 腳電壓波形畫出被測量 波形并標出 幅度與周期AAAABiiHiMMB一級放大倍數：58.6二級放大倍數：61.2表 3.4門控電路穩態時 IC4（555）及三極管V6的 C 極電壓測量項目UiU2U3U4U5UU7U8UC測量值01201212001212暫態時 IC4（ 555）及三極管 V6的 C 極電壓:測量項目UiU2U3U4U5U6U7U8Ub測量值0010.61210.45.45.4121.2暫穩態時間 t= 30 秒表 3.5計數、譯碼、驅動、顯示電路測量項目DS、DS、DS 波形（畫在一起）V3、VV5的 C 極 （畫在一起）畫出被測量 波形并標出 幅度與周期1