數(shù)字電子技術(shù)課程設計報告指導老師：嚴國紅、夏海霞姓名：學號：班級：產(chǎn)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(shù)器計算出每分鐘波動的次數(shù)。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(shù)且低噪聲的放大器，這是紅外線心率計的設計關(guān)鍵所在。通過本產(chǎn)品的制作，可以使學生掌握常用模擬、數(shù)字集成電路（運算放大器、非門、555定時器、計數(shù)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(shù)器電路、門控電路、譯碼驅(qū)動顯示電路組成，如圖1所示。譯碼、驅(qū)動、顯示3位計數(shù)器放大、整形、濾波譯碼、驅(qū)動、顯示3位計數(shù)器放大、整形、濾波血液波動檢測門控電路門控電路-10V+12V電源變換電路-10V+12V電源變換電路圖1紅外線心率計的原理框圖2.2單元電路的工作原理=1\*GB2⑴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。=2\*GB2⑵血液波動檢測電路實驗中采用信號源發(fā)生器直接產(chǎn)生正弦波代替原來的血液波動檢測電路。=3\*GB2⑶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。圖5信號放大、整形電路因為傳感器送來的信號幅度只有2～5毫伏，要放大到10V左右才能作為計數(shù)器的輸入脈沖。因此放大倍數(shù)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(jīng)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A1、A2的供電方式是正負電源供電，電源為+12V、-10V。A1、A2與周圍元件組成二級放大電路，放大倍數(shù)Auf為：由于放大后的波形是一個交流信號，而計數(shù)器需要的是單方向的直流脈沖信號。所以經(jīng)過V3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。R9、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A3的同相輸入端，反相輸入端接一個固定的電平，A3是作為一個電壓比較器來工作的，是單電源供電。當A3的3腳電壓高于2腳電壓的時候，6腳輸出高電平；當A3的3腳電壓低于2腳電壓的時候，6腳輸出低電平，所以A3輸出一個反應心跳頻率的方波信號。=4\*GB2⑷門控電路555定時器是一種將模擬電路和數(shù)字電路集成于一體的電子器件，用它可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器等多種電路。555定時器在工業(yè)控制、定時、檢測、報警等方面有廣泛應用。555定時器內(nèi)部電路及其電路功能如圖6(a)、(b)所示。555內(nèi)部電路由基本RS觸發(fā)器FF、比較器COMP1、COMP2和場效應管V1組成（參見圖6(a）)。當555內(nèi)部的COMP1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（）時，COMP1輸出高電位，置觸發(fā)器FF為低電平，即Q=0；當COMP2同相輸入端（+）的輸入信號大于其反相輸入端（-）的比較電壓VCO/2(1/3VDD)時，COMP2輸出高電位，置觸發(fā)器FF為高電平，即Q=1。是直接復位端，，Q=0；MOS管V1是單穩(wěn)態(tài)等定時電路時，供定時電容C對地放電作用。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(nèi)部分壓器產(chǎn)生的電壓，這時COMP2的比較電壓為VDD/3，不用時常接0.01μF電容到地以防干擾。(a)555定時器內(nèi)部電路(b)555簡化符號圖6555定時器內(nèi)部電路及其功能符號由555接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來完成門控電路的作用是控制計數(shù)器的啟停，并控制每次測量的時間，電路如圖7(a)所示。(a)電路(b)工作波形圖7由555組成的門控電路=1\*GB3①當接通電源的時候，+12V電源電壓通過R15對電容C4進行充電，2腳的電壓馬上變成12V（“1”電平），觸發(fā)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(shù)器MC14553不計數(shù)，此時V5不亮。=2\*GB3②當按下S1按鈕時，2腳電壓為0V，低于1/3電源電壓。555內(nèi)部CMP2輸出高電平（參見圖6(a)）,觸發(fā)器FF被置“1”，即3腳輸出“1”電平，V6飽和導通，V5發(fā)光，V6集電極輸出低電平，使計數(shù)器MC14553清零，開始計數(shù)。同時555內(nèi)場效應管截止，12V電壓通過R17給C6充電，C6的電壓逐漸增高，如圖7(b)uC6波形。=3\*GB3③當C6的電壓充到2/3電源電壓的時候，555內(nèi)CMP1輸出高電平，觸發(fā)器置“0”，3腳輸出低電平，V6集電極輸出高電平，因此計數(shù)器MC14553的11腳變?yōu)楦唠娖剑嫈?shù)器停止計數(shù)；同時555內(nèi)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(wěn)定的狀態(tài)，定時結(jié)束。脈寬TW可根據(jù)下式計算：式1-1=5\*GB2⑸3位計數(shù)電路由MC14553組成的3位計數(shù)電路對輸入的方波進行計數(shù)，并把計數(shù)結(jié)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Q1～Q3，可分時輸出三組BCD碼；有三個分時同步控制信號DS1～DS3，為計數(shù)器的輸出提供分時同步輸出控制信號，形成動態(tài)掃描工作方式，該控制端低電平有效。計數(shù)電路包含了計數(shù)和輸出驅(qū)動電路。(a)MC14553(b)CD4543圖8集成電路引腳功能圖計數(shù)器MC14553真值表如下：表2.1MC14553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(shù)0X1X不變01上升沿0計數(shù)01下降沿0不變00XX不變0XX上升沿鎖存0XX1鎖存1XX0Q0123=0X=任意計數(shù)器MC14553的DS1～DS3輸出為方波，波形如圖8所示。當按下S1時（參見圖7(a）)，V5飽和導通，V5的C極為低電平，MC14553的11腳變?yōu)榈碗娖剑嫈?shù)器開始對送到12腳的從整形電路過來的方波個數(shù)進行計數(shù)，最大計數(shù)為999，計數(shù)結(jié)果以BCD碼的形式從Q0～Q3輸出。11腳不管是高電平還是低電平，DS1～DS3始終是輸出圖9的方波。當DS3是低電平的時候，個位顯示器被選中，Q0～Q3輸出個位要顯示的數(shù)值；當DS2是低電平的時候，十位顯示器被選中，Q0～Q3輸出十位要顯示的數(shù)值；當DS1是低電平的時候，百位顯示器被選中，Q0～Q3輸出百位要顯示的數(shù)值。圖9DS1～DS3輸出波形圖=6\*GB2⑹譯碼、驅(qū)動、顯示電路3位計數(shù)電路、譯碼、驅(qū)動、顯示電路如圖10所示，它的作用是把計數(shù)器輸出的計數(shù)結(jié)果顯示在3位數(shù)碼管上。譯碼器CD4543的引腳功能如圖8（b）所示。它有了四個輸入端：A、B、C、D，與計數(shù)器的輸出端相連；有七個數(shù)碼筆段輸出驅(qū)動端：a～g。譯碼器CD4543可以驅(qū)動共陰、共陽兩種數(shù)碼管，使用時，只要將PH引腳接高電平，即可驅(qū)動共陽極的LED數(shù)碼管；將PH引腳接低電平，即可驅(qū)動共陰極的LED數(shù)碼管。顯示采取動態(tài)掃描的方法，即每一時刻只有一個數(shù)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(shù)字顯示結(jié)果。計數(shù)器送來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過CD4543翻譯成7段字碼后，接到數(shù)碼管的7個筆畫端，點亮相應的筆畫段。數(shù)碼管采用共陽極的。CD4543的真值表如下：表2.2CD4543的真值表輸入輸出LD(1)BI(7)PH(6)DCBAabcdefg顯示X11XXXX1111111黑屏10100000000001010100011001111110100100010010210100110000110310101001001100410101010100100510101100100000610101110001111710110000000000810110010000100910110101111111黑屏10110111111111黑屏10111001111111黑屏10111011111111黑屏10111101111111黑屏10111111111111黑屏圖103位計數(shù)、譯碼、驅(qū)動、顯示電路上圖中：IC6為MC14553；IC7為CD4543。圖11整機原理圖11整機原理3紅外線心率計調(diào)試3.1紅外線心率計的調(diào)試過程=1\*GB2⑴放大、整形、濾波電路的調(diào)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(diào)節(jié)壓力。V4應該會有節(jié)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R4/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R8/R6倍的波形(因為放大倍數(shù)很大，波形有削頂現(xiàn)象)。IC2、IC3的放大倍數(shù)可以根據(jù)自己的實際情況適當做一些調(diào)整。用示波器測量IC4的6腳波形，應該是一個規(guī)范的方波，是單極性的，如果沒有方波，或方波的占空比太小，可以適當改變R10、R11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(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生幾hz、幾mv的正弦波，并把該波形加到C1的負極，同樣也可以按上述的方法進行調(diào)試。=2\*GB2⑵門控電路的調(diào)試電路連接完畢后通電。此時，門控電路進入穩(wěn)態(tài)，用數(shù)字萬用表DC20V擋測量3、6、7腳與1腳之間的電壓都為0V，V6的C極與1腳之間的電壓為12V，V5不發(fā)光。按一下S1按鈕，門控電路輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進入暫穩(wěn)態(tài)，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(fā)光，用數(shù)字萬用表DC20V擋測量6、7腳與1腳之間的電壓，可以發(fā)現(xiàn)，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(tài)又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進入穩(wěn)態(tài)，此時555輸出端3腳輸出低電位。用數(shù)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(fā)光。如果暫穩(wěn)態(tài)的時間不是30秒，則最后測量的心率不準確。需要調(diào)整R17或C6的參數(shù)來達到30秒的要求。具體計算公式：1.1×R17×C6=30。=3\*GB2⑶計數(shù)、譯碼、驅(qū)動、顯示電路的調(diào)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(shù)器MC14553的使能端（低電平有效）被置“1”，計數(shù)器不計數(shù)，輸出的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DS1、DS2之間、DS2與DS3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）。把食指放在傳感器的探頭處，適當調(diào)節(jié)壓力。當觀察到V4呈現(xiàn)有規(guī)律的亮-滅時，就可以進行測量了。按一下門控電路的S1，這時，V5發(fā)光，計數(shù)器的使能端被置“0”，計數(shù)器開始按整形電路送來的心跳脈沖計數(shù)。計數(shù)的結(jié)果以BCD碼的形式送到譯碼器進行譯碼。譯碼后的結(jié)果送到數(shù)碼管顯示計數(shù)的結(jié)果。過30秒鐘后，門控電路輸出高電平，計數(shù)器使能端被置“1”，計數(shù)器停止計數(shù)。數(shù)碼管顯示最后計數(shù)的結(jié)果，此數(shù)字乘2即是被測的心率。測量并記錄計數(shù)器停止計數(shù)后，集成電路MC14553及CD4543的引腳電壓并填入表4.6、表4.7。

3.2外線心率計調(diào)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一級放大倍數(shù)：58.6二級放大倍數(shù)：61.2表3.4門控電路穩(wěn)態(tài)時IC4（555）及三極管V6的C極電壓測量項目U1U2U3U4U5U6U7U8UC測量值01201212001212暫態(tài)時IC4（555）及三極管V6的C極電壓：測量項目U1U2U3U4U5U6U7U8UC測量值0010.61210.45.45.4121.2暫穩(wěn)態(tài)時間t=30秒表3.5計數(shù)、譯碼、驅(qū)動、顯示電路測量項目DS1、DS2、DS3波形（畫在一起）V3、V4、V5的C極（畫在一起）畫出被測量波形并標出幅度與周期表3.6穩(wěn)態(tài)時MC14553引腳電壓測量項目MC14553U5U6U7U9U3U4U1