1、数字电子技术课程设计报告指导老师：严国红、夏海霞姓名： 学号： 班级： 11 产品简介红外线心率计就是通过红外线传感器检测出手指中动脉血管的微弱波动，由计数器计算出每分钟波动的次数。但手指中的毛细血管的波动是很微弱的，因此需要一个高放大倍数且低噪声的放大器，这是红外线心率计的设计关键所在。通过本产品的制作，可以使学生掌握常用模拟、数字集成电路（运算放大器、非门、555 定时器、计数器、译码器等）的应用。2 红外线心率计工作原理2.1 红外线心率计的原理框图整机电路由-10V 电源变换电路、血液波动检测电路、放大整形滤波电路、3 位计数器电路、门控电路、译码驱动显示电路组成，如图 1 所示。图
2、1 红外线心率计的原理框图2.2 单元电路的工作原理 负电源变换电路为简化实验的步骤，实验中直接用+12V、和-10V 的电源代替负电源变换电路。 血液波动检测电路实验中采用信号源发生器直接产生正弦波代替原来的血液波动检测电路。 放大、整形、滤波电路放大、整形、滤波电路是把传感起检测到的微弱电信号进行放大、整形、滤波，最后输出反映心跳频率的方波，如图 5 所示。其中 LM741 为高精度单运放电路，它们的引脚功能如图 3 (b)所示。IC 2、IC 3、IC 4都为 LM741。血液波动检测放大、整形、滤波译码、驱动、显示3 位计数器门控电路+12V 电源变换电路 -10V2+-+-+R 33
3、 kR 42 0 0 kR 52 kR 63 kR 83 0 0 kR 72 kV 31 N 4 1 4 8R 93 9 0V 4R 1 23 0 k0 . 4 7 R 1 33 0 kR 1 01 0 kR 1 13 k+ 1 2 VC 2C 30 . 4 7 A 1 A 2A 3一 级 放 大二 级 放 大滤 波整 形236332226 6I C 2I C 4I C 3+ 1 2 V + 1 2 V+ 1 2 V747447- 1 0 V0 V- 1 0 V+ +图 5 信号放大、整形电路因为传感器送来的信号幅度只有 25 毫伏，要放大到 10V 左右才能作为计数器的输入脉冲。因此放大倍数
4、设计在 4000 倍左右。两级放大器都接成反相比例放大器的电路，经过两级放大、反相后的波形是跟输入波形同相、且放大了的波形。放大后的波形是一个交流信号。其中 A1、A 2的供电方式是正负电源供电，电源为+12V、-10V。A1、A 2与周围元件组成二级放大电路，放大倍数 Auf为：406R6834uf 由于放大后的波形是一个交流信号，而计数器需要的是单方向的直流脉冲信号。所以经过 V3检波后变成单方向的直流脉冲信号，并把检波后的信号送到 RC 两阶滤波电路，滤波电路的作用是滤除放大后的干扰信号。R 9、V 4组成传感器工作指示电路，当传感器接收到心跳信号时，V 4就会按心跳的强度而改变亮度，因
5、此 V4正常工作时是按心跳的频率闪烁。直流脉冲信号滤波后送入 A3的同相输入端，反相输入端接一个固定的电平，A 3是作为一个电压比较器来工作的，是单电源供电。当 A3的 3 脚电压高于 2 脚电压的时候，6 脚输出高电平；当 A3的 3 脚电压低于 2 脚电压的时候，6 脚输出低电平，所以 A3输出一个反应心跳频率的方波信号。 门控电路555 定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件，用它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。555 定时器在工业控制、定时、检测、报警等方面有广泛应用。555 定时器内部电路及其电路功能如图 6(a)、(b)所示。555 内部电路
6、由基本 RS 触发器FF、比较器 COMP1、COMP 2和场效应管 V1 组成（参见图 6(a）)。当 555 内部的 COMP1反相输入端（-）的输入信号 VR小于其同相输入端（+）的比较电压 VCO（ ）时，COMP 1D32co输出高电位，置触发器 FF 为低电平，即 Q=0；当 COMP2同相输入端（+）的输入信号 大于SV其反相输入端（-）的比较电压 VCO/2(1/3VDD)时，COMP 2输出高电位，置触发器 FF 为高电平，3即 Q=1。 是直接复位端， ，Q=0；MOS 管 V1是单稳态等定时电路时，供定时电容DR0RDC 对地放电作用。注意：电压 VCO可以外部提供，故称
7、外加控制电压，也可以使用内部分压器产生的电压，这时 COMP2的比较电压为 VDD/3，不用时常接 0.01F 电容到地以防干扰。+-+V D DV C 056V RV S放 电25 k5 k5 kR 1R 2R 3C M P 1C M P 23QR DR1 R1 SQF F7V 114复 位 电 源放 电置 “ 0 ”输 入置 “ 1 ”输 入76238输 出 R S5 1G N DV C CQ控 制 地D I S CD I S CR D V D D48(a) 555 定时器内部电路 (b) 555 简化符号图 6 555 定时器内部电路及其功能符号由 555 接成单稳态触发器来完成门控电路
8、的作用是控制计数器的启停，并控制每次测量的时间，电路如图 7(a)所示。+ 1 2 VR 1 41 kV 5计 数 指 示R 1 51 0 kR 1 68 k 2R 1 72 0 0 k1 0 0 C 60 . 0 1 C 5S 1324 876I C 5N E 5 5 5V 68 0 5 01+I C 51 1 脚5u 2u C 6u 3u C 6DV32T wR 3 11 0 0 k(a) 电路 (b) 工作波形图 7 由 555 组成的门控电路 当接通电源的时候，+12V 电源电压通过 R15对电容 C4进行充电，2 脚的电压马上变成 12V（“1”电平） ，触发器 FF 被置“0” ，
9、 即 555 的 3 脚输出“0”电平（参见图 7(a)） 。V6截止，V 6的 C 极为高电位，所以计数器 MC14553 不计数，此时 V5不亮。 当按下 S1按钮时，2 脚电压为 0V，低于 1/3 电源电压。555 内部 CMP2输出高电平4（参见图 6(a)）,触发器 FF 被置“1” ，即 3 脚输出“1”电平，V 6饱和导通，V 5发光，V 6集电极输出低电平，使计数器 MC14553 清零，开始计数。同时 555 内场效应管截止，12V 电压通过 R17给 C6充电，C 6的电压逐渐增高，如图 7(b)uC6波形。 当 C6的电压充到 2/3 电源电压的时候，555 内 CMP
10、1输出高电平，触发器置“0” ，3脚输出低电平，V 6集电极输出高电平，因此计数器 MC14553 的 11 脚变为高电平，计数器停止计数；同时 555 内场效应管导通，电容 C6通过场效应管迅速放电到低电平，返回稳定的状态，定时结束。脉宽 TW 可根据下式计算： 式 1-1617617D617W R.3lnV32lnCRT 3 位计数电路由 MC14553 组成的 3 位计数电路对输入的方波进行计数，并把计数结果以 BCD 码的形式输出。MC14553 为十六引脚扁平封装集成电路，其引脚功能如图 8（a）所示，有四个 BCD 码输出端 Q1Q 3，可分时输出三组 BCD 码；有三个分时同步控
11、制信号 DS1DS 3，为计数器的输出提供分时同步输出控制信号，形成动态扫描工作方式，该控制端低电平有效。计数电路包含了计数和输出驱动电路。1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 91 1 1 08765432V S S1DSC B C A Q 3 Q 2 Q 1V D D 3O . F R C P D I S L E Q 0 1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 91 1 1 08765432V S S1V D DC B D A P H B IabcdegfM C 1 4 5 5 3C D 4 5 4 3L D(a) MC14553 (b) CD4543图 8 集成电路引脚功能图计数器 M
12、C14553 真值表如下：表 2.1 MC14553 真值表输入置零端（13 脚） 时钟（12 脚） 使能（11 脚） 测试（10） 输出0 上升沿 0 0 不变0 下降沿 0 0 计数0 X 1 X 不变0 1 上升沿 0 计数0 1 下降沿 0 不变0 0 X X 不变50 X X 上升沿 锁存0 X X 1 锁存1 X X 0 Q0123=0X=任意计数器 MC14553 的 DS1DS 3输出为方波，波形如图 8 所示。当按下 S1时（参见图7(a）)，V 5饱和导通，V 5的 C 极为低电平，MC14553 的 11 脚变为低电平，计数器开始对送到 12 脚的从整形电路过来的方波个数
13、进行计数，最大计数为 999，计数结果以 BCD 码的形式从 Q0Q 3输出。11 脚不管是高电平还是低电平，DS 1DS 3始终是输出图 9 的方波。当 DS3是低电平的时候，个位显示器被选中，Q 0Q 3输出个位要显示的数值；当 DS2是低电平的时候，十位显示器被选中，Q 0Q 3输出十位要显示的数值；当 DS1是低电平的时候，百位显示器被选中，Q 0Q 3输出百位要显示的数值。图 9 DS1DS 3输出波形图 译码、驱动、显示电路3 位计数电路、译码、驱动、显示电路如图 10 所示，它的作用是把计数器输出的计数结果显示在 3 位数码管上。译码器 CD4543 的引脚功能如图 8（b）所示
14、。它有了四个输入端：A、B、C、D，与计数器的输出端相连；有七个数码笔段输出驱动端：ag。译码器 CD4543 可以驱动共阴、共阳两种数码管，使用时，只要将 PH 引脚接高电平，即可驱动共阳极的 LED 数码管；将 PH 引脚接低电平，即可驱动共阴极的 LED 数码管。显示采取动态扫描的方法，即每一时刻只有一个数码管被点亮，但是交替的频率非常快，由于人眼的视觉残留效应，人眼看到的就是静止的数字显示结果。计数器送来的数据，经过CD4543 翻译成 7 段字码后，接到数码管的 7 个笔画端，点亮相应的笔画段。数码管采用共阳极的。CD4543 的真值表如下： 表 2.2 CD4543 的真值表输入
15、输出LD(1)BI(7)PH(6) D C B A a b c d e f g显示X 1 1 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 黑屏1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 061 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 11 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 21 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 31 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 41 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 51 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 61 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1
16、 1 71 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 81 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 91 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 黑屏1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 黑屏1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 黑屏1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 黑屏1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 黑屏1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 黑屏abcdefgQ 0Q 1Q 2Q 3ABCDC I AC I BC L KD I SM RV S SV D D43
17、1 21 11 31 6897655324D S 2D S 3D S 1211 5C 71 0 0 0 PV S SB IV D DL DP H91 31 41 51 01 11 21 6 6 1+ 1 2 VV 7 V 8V 9R 2 1 R 2 34 . 7 kR 2 4 R 3 01 k 73I C 4 6 脚 输 出V 6 C 极I C 6I C 7R 2 01 0 k8 5 5 08 5 5 08 5 5 07 81 0百a f十个 bed c g个十百7图 10 3 位计数、译码、驱动、显示电路上图中：IC6 为 MC14553；IC7 为 CD4543。9图11整机原理103 红
18、外线心率计调试3.1 红外线心率计的调试过程放大、整形、滤波电路的调试电路连接完毕后通电。测量 IC2、IC 3的 7 脚、4 脚对直流地的电压（即运放的供电电压），应该为+12V 、-10V 左右。测量 IC4的 7 脚、4 脚之间的电压，应该为+12V 左右。把食指放在传感器（ON2152）的探头上，适当调节压力。V 4应该会有节律的闪烁，闪烁的频率跟心跳的频率吻合。此时，用示波器测量 IC2的 6 脚波形，应该是放大了 R4/R3倍的波动信号。用示波器测量 IC3的 6 脚波形，应该是比 IC2的 6 脚波形放大了 R8/R6倍的波形(因为放大倍数很大，波形有削顶现象)。IC 2、IC
19、3的放大倍数可以根据自己的实际情况适当做一些调整。用示波器测量 IC4的 6 脚波形，应该是一个规范的方波，是单极性的，如果没有方波，或方波的占空比太小，可以适当改变 R10、R 11的阻值。把测得的三个波形画入表4.3 中。如果手上暂时没有传感器，则使用函数信号发生器产生几 hz、几 mv 的正弦波，并把该波形加到 C1的负极，同样也可以按上述的方法进行调试。 门控电路的调试电路连接完毕后通电。此时，门控电路进入稳态，用数字万用表 DC20V 挡测量 3、6、7脚与 1 脚之间的电压都为 0V，V 6的 C 极与 1 脚之间的电压为 12V，V 5不发光。按一下 S1按钮，门控电路输出状态发
20、生翻转，进入暂稳态，555 输出端 3 脚输出高电位，因此 V6饱和导通，V 6的 C 极输出低电位，V 5发光，用数字万用表 DC20V 挡测量 6、7 脚与 1 脚之间的电压，可以发现，电压是慢慢上升的，当上升到 8V 左右的时候（时间是 30 秒） ，门控电路输出状态又发生翻转，进入稳态，此时 555 输出端 3 脚输出低电位。用数字万用表 DC20V 挡测量3、6、7 脚的与 1 脚之间的电压，都是 0V，V 6的 C 极与 1 脚之间的电压为 12V，V 5不发光。如果暂稳态的时间不是 30 秒，则最后测量的心率不准确。需要调整 R17或 C6的参数来达到 30 秒的要求。具体计算公
21、式：1.1 R 17 C6=30。计数、译码、驱动、显示电路的调试电路连接完毕后通电。此时由于门控电路的控制作用，计数器 MC14553 的使能端（低电平有效）被置“1” ，计数器不计数，输出的 BCD 码是 0000 即 5、6、7、9 脚的电压大约是0V。用示波器双踪测量 DS1、DS 2之间、DS 2与 DS3之间波形，应能显示图（8）所示的波形，测试并把波形画在 4.5 中（示波器量程：双踪，5V/DIV，1mS/DIV） 。把食指放在传感器的探头处，适当调节压力。当观察到 V4呈现有规律的亮-灭时，就可以进行测量了。按一下门控电路的 S1，这时，V 5发光，计数器的使能端被置“0”
22、，计数器开始按整形电路送来的心跳脉冲计数。计数的结果以 BCD 码的形式送到译码器进行译码。译码后的结果送到数码管显示计数的结果。过 30 秒钟后，门控电路输出高电平，计数器使能端被置“1” ，计数器停止计数。数码管显示最后计数的结果，此数字乘 2 即是被测的心率。测量并记录计数器停止计数后，集成电路 MC14553 及 CD4543 的引脚电压并填入表 4.6、表114.7。123.2 外线心率计调试记录表表 3.3 放大、整形、滤波电路测量项目 IC2的 6 脚电压波形 IC3的 6 脚电压波形 IC4的 6 脚电压波形画出被测量波形并标出幅度与周期一级放大倍数：58.6 二级放大倍数：6
23、1.2表 3.4 门控电路稳态时 IC4（555）及三极管 V6的 C 极电压测量项目 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 UC测量值 0 12 0 12 12 0 0 12 12暂态时 IC4（555）及三极管 V6的 C 极电压：测量项目 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 UC测量值 0 0 10.6 12 10.4 5.4 5.4 12 1.2暂稳态时间 t= 30 秒表 3.5 计数、译码、驱动、显示电路测量项目 DS1、DS 2、DS 3波形（画在一起） V3、V 4、V 5的 C 极（画在一起）画出被测量波形并标出幅度与周期表 3.6 稳态时 MC1455
24、3 引脚电压13MC14553测量项目 U5 U6 U7 U9 U3 U4 U11 U13 U8 U16测量值 1.4 2.1 1.7 1.9 4.5 5.2 10.8 0 0 12表 3.7 稳态时 CD4543 引脚电压CD4543测试项目U2 U3 U4 U5 U9 U10 U11 U12测量值 2.1 1.7 1.4 1.9 10.4 11.2 9.8 11.0测试项目 U13 U14 U15 U1 U6 U16 U7 U8测量值 10.6 9.9 11.2 12 12 12 0 0所测得的心率是： 60 次/分钟4 心得与体会做数字电子课程设计的时候，我们不能仅仅靠书本上的知识，更多
25、的需要靠我们自己开动脑筋，发现问题并解决问题。对于课程设计过程中出现的一些大大小小的问题，列述如下：1、焊制电路板的过程中，由于焊点处接触不良导致的问题。对此我深有体会，电路板焊点出现故障将很有可能会导致整个心率计无法工作。所以焊接电路的功底一定要在实验前反复练习扎实。2、连接电路的过程中，需要想出我们自己的思路。设计指导书上的电路图简化了连接的问题，对此我们应格外小心，一旦都连接出现错误，将会导致芯片烧毁。但是我们完全可以自己巧妙的将电路排位，使得连接的时候更加简洁明 了。113、调试过程中，需要我们根据不同的波形输入来观察输出，此时应有条不紊的从模电模块调试到数电模块。我们组由于调试的时候不分先后，导致模数转化的地方出现问题而一直找不出问题所在。好在课程设计中出现的大大小小的问题均已解决，回头反思整个心率计的设计，感觉对动手要求的比较多，最后调试阶段最考验耐心和细心的程度。我们应以良好的心态去开发，这样才能做出好的设计。
