數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告指導(dǎo)老師：嚴(yán)國(guó)紅、夏海霞姓名：學(xué)號(hào)：班級(jí)：產(chǎn)品簡(jiǎn)介紅外線(xiàn)心率計(jì)就是通過(guò)紅外線(xiàn)傳感器檢測(cè)出手指中動(dòng)脈血管的微弱波動(dòng)，由計(jì)數(shù)器計(jì)算出每分鐘波動(dòng)的次數(shù)。但手指中的毛細(xì)血管的波動(dòng)是很微弱的，因此需要一個(gè)高放大倍數(shù)且低噪聲的放大器，這是紅外線(xiàn)心率計(jì)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵所在。通過(guò)本產(chǎn)品的制作，可以使學(xué)生掌握常用模擬、數(shù)字集成電路（運(yùn)算放大器、非門(mén)、555定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、譯碼器等）的應(yīng)用。2紅外線(xiàn)心率計(jì)工作原理2.1紅外線(xiàn)心率計(jì)的原理框圖整機(jī)電路由-10V電源變換電路、血液波動(dòng)檢測(cè)電路、放大整形濾波電路、3位計(jì)數(shù)器電路、門(mén)控電路、譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路組成，如圖1所示。譯碼、驅(qū)動(dòng)、顯示3位計(jì)數(shù)器放大、整形、濾波譯碼、驅(qū)動(dòng)、顯示3位計(jì)數(shù)器放大、整形、濾波血液波動(dòng)檢測(cè)門(mén)控電路門(mén)控電路-10V+12V電源變換電路-10V+12V電源變換電路圖1紅外線(xiàn)心率計(jì)的原理框圖2.2單元電路的工作原理=1\*GB2⑴負(fù)電源變換電路為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的步驟，實(shí)驗(yàn)中直接用+12V、和-10V的電源代替負(fù)電源變換電路。=2\*GB2⑵血液波動(dòng)檢測(cè)電路實(shí)驗(yàn)中采用信號(hào)源發(fā)生器直接產(chǎn)生正弦波代替原來(lái)的血液波動(dòng)檢測(cè)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(cè)到的微弱電信號(hào)進(jìn)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(yùn)放電路，它們的引腳功能如圖3(b)所示。IC2、IC3、IC4都為L(zhǎng)M741。圖5信號(hào)放大、整形電路因?yàn)閭鞲衅魉蛠?lái)的信號(hào)幅度只有2～5毫伏，要放大到10V左右才能作為計(jì)數(shù)器的輸入脈沖。因此放大倍數(shù)設(shè)計(jì)在4000倍左右。兩級(jí)放大器都接成反相比例放大器的電路，經(jīng)過(guò)兩級(jí)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(gè)交流信號(hào)。其中A1、A2的供電方式是正負(fù)電源供電，電源為+12V、-10V。A1、A2與周?chē)M成二級(jí)放大電路，放大倍數(shù)Auf為：由于放大后的波形是一個(gè)交流信號(hào)，而計(jì)數(shù)器需要的是單方向的直流脈沖信號(hào)。所以經(jīng)過(guò)V3檢波后變成單方向的直流脈沖信號(hào)，并把檢波后的信號(hào)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(hào)。R9、V4組成傳感器工作指示電路，當(dāng)傳感器接收到心跳信號(hào)時(shí)，V4就會(huì)按心跳的強(qiáng)度而改變亮度，因此V4正常工作時(shí)是按心跳的頻率閃爍。直流脈沖信號(hào)濾波后送入A3的同相輸入端，反相輸入端接一個(gè)固定的電平，A3是作為一個(gè)電壓比較器來(lái)工作的，是單電源供電。當(dāng)A3的3腳電壓高于2腳電壓的時(shí)候，6腳輸出高電平；當(dāng)A3的3腳電壓低于2腳電壓的時(shí)候，6腳輸出低電平，所以A3輸出一個(gè)反應(yīng)心跳頻率的方波信號(hào)。=4\*GB2⑷門(mén)控電路555定時(shí)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(shí)器在工業(yè)控制、定時(shí)、檢測(cè)、報(bào)警等方面有廣泛應(yīng)用。555定時(shí)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(chǎng)效應(yīng)管V1組成（參見(jiàn)圖6(a）)。當(dāng)555內(nèi)部的COMP1反相輸入端（-）的輸入信號(hào)VR小于其同相輸入端（+）的比較電壓VCO（）時(shí)，COMP1輸出高電位，置觸發(fā)器FF為低電平，即Q=0；當(dāng)COMP2同相輸入端（+）的輸入信號(hào)大于其反相輸入端（-）的比較電壓VCO/2(1/3VDD)時(shí)，COMP2輸出高電位，置觸發(fā)器FF為高電平，即Q=1。是直接復(fù)位端，，Q=0；MOS管V1是單穩(wěn)態(tài)等定時(shí)電路時(shí)，供定時(shí)電容C對(duì)地放電作用。注意：電壓VCO可以外部提供，故稱(chēng)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(shí)COMP2的比較電壓為VDD/3，不用時(shí)常接0.01μF電容到地以防干擾。(a)555定時(shí)器內(nèi)部電路(b)555簡(jiǎn)化符號(hào)圖6555定時(shí)器內(nèi)部電路及其功能符號(hào)由555接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)完成門(mén)控電路的作用是控制計(jì)數(shù)器的啟停，并控制每次測(cè)量的時(shí)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(mén)控電路=1\*GB3①當(dāng)接通電源的時(shí)候，+12V電源電壓通過(guò)R15對(duì)電容C4進(jìn)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(jiàn)圖7(a)）。V6截止，V6的C極為高電位，所以計(jì)數(shù)器MC14553不計(jì)數(shù)，此時(shí)V5不亮。=2\*GB3②當(dāng)按下S1按鈕時(shí)，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(jiàn)圖6(a)）,觸發(fā)器FF被置“1”，即3腳輸出“1”電平，V6飽和導(dǎo)通，V5發(fā)光，V6集電極輸出低電平，使計(jì)數(shù)器MC14553清零，開(kāi)始計(jì)數(shù)。同時(shí)555內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)管截止，12V電壓通過(guò)R17給C6充電，C6的電壓逐漸增高，如圖7(b)uC6波形。=3\*GB3③當(dāng)C6的電壓充到2/3電源電壓的時(shí)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(jì)數(shù)器MC14553的11腳變?yōu)楦唠娖剑?jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)；同時(shí)555內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電容C6通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管迅速放電到低電平，返回穩(wěn)定的狀態(tài)，定時(shí)結(jié)束。脈寬TW可根據(jù)下式計(jì)算：式1-1=5\*GB2⑸3位計(jì)數(shù)電路由MC14553組成的3位計(jì)數(shù)電路對(duì)輸入的方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把計(jì)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(gè)BCD碼輸出端Q1～Q3，可分時(shí)輸出三組BCD碼；有三個(gè)分時(shí)同步控制信號(hào)DS1～DS3，為計(jì)數(shù)器的輸出提供分時(shí)同步輸出控制信號(hào)，形成動(dòng)態(tài)掃描工作方式，該控制端低電平有效。計(jì)數(shù)電路包含了計(jì)數(shù)和輸出驅(qū)動(dòng)電路。(a)MC14553(b)CD4543圖8集成電路引腳功能圖計(jì)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(shí)鐘（12腳）使能（11腳）測(cè)試（10）0上升沿00不變0下降沿00計(jì)數(shù)0X1X不變01上升沿0計(jì)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(jì)數(shù)器MC14553的DS1～DS3輸出為方波，波形如圖8所示。當(dāng)按下S1時(shí)（參見(jiàn)圖7(a）)，V5飽和導(dǎo)通，V5的C極為低電平，MC14553的11腳變?yōu)榈碗娖剑?jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)送到12腳的從整形電路過(guò)來(lái)的方波個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，最大計(jì)數(shù)為999，計(jì)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(dāng)DS3是低電平的時(shí)候，個(gè)位顯示器被選中，Q0～Q3輸出個(gè)位要顯示的數(shù)值；當(dāng)DS2是低電平的時(shí)候，十位顯示器被選中，Q0～Q3輸出十位要顯示的數(shù)值；當(dāng)DS1是低電平的時(shí)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(dòng)、顯示電路3位計(jì)數(shù)電路、譯碼、驅(qū)動(dòng)、顯示電路如圖10所示，它的作用是把計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)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(gè)輸入端：A、B、C、D，與計(jì)數(shù)器的輸出端相連；有七個(gè)數(shù)碼筆段輸出驅(qū)動(dòng)端：a～g。譯碼器CD4543可以驅(qū)動(dòng)共陰、共陽(yáng)兩種數(shù)碼管，使用時(shí)，只要將PH引腳接高電平，即可驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極的LED數(shù)碼管；將PH引腳接低電平，即可驅(qū)動(dòng)共陰極的LED數(shù)碼管。顯示采取動(dòng)態(tài)掃描的方法，即每一時(shí)刻只有一個(gè)數(shù)碼管被點(diǎn)亮，但是交替的頻率非常快，由于人眼的視覺(jué)殘留效應(yīng)，人眼看到的就是靜止的數(shù)字顯示結(jié)果。計(jì)數(shù)器送來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)CD4543翻譯成7段字碼后，接到數(shù)碼管的7個(gè)筆畫(huà)端，點(diǎn)亮相應(yīng)的筆畫(huà)段。數(shù)碼管采用共陽(yáng)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(jì)數(shù)、譯碼、驅(qū)動(dòng)、顯示電路上圖中：IC6為MC14553；IC7為CD4543。圖11整機(jī)原理圖11整機(jī)原理3紅外線(xiàn)心率計(jì)調(diào)試3.1紅外線(xiàn)心率計(jì)的調(diào)試過(guò)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(cè)量IC2、IC3的7腳、4腳對(duì)直流地的電壓（即運(yùn)放的供電電壓），應(yīng)該為+12V、-10V左右。測(cè)量IC4的7腳、4腳之間的電壓，應(yīng)該為+12V左右。把食指放在傳感器（ON2152）的探頭上，適當(dāng)調(diào)節(jié)壓力。V4應(yīng)該會(huì)有節(jié)律的閃爍，閃爍的頻率跟心跳的頻率吻合。此時(shí)，用示波器測(cè)量IC2的6腳波形，應(yīng)該是放大了R4/R3倍的波動(dòng)信號(hào)。用示波器測(cè)量IC3的6腳波形，應(yīng)該是比IC2的6腳波形放大了R8/R6倍的波形(因?yàn)榉糯蟊稊?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(shí)際情況適當(dāng)做一些調(diào)整。用示波器測(cè)量IC4的6腳波形，應(yīng)該是一個(gè)規(guī)范的方波，是單極性的，如果沒(méi)有方波，或方波的占空比太小，可以適當(dāng)改變R10、R11的阻值。把測(cè)得的三個(gè)波形畫(huà)入表4.3中。如果手上暫時(shí)沒(méi)有傳感器，則使用函數(shù)信號(hào)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(fù)極，同樣也可以按上述的方法進(jìn)行調(diào)試。=2\*GB2⑵門(mén)控電路的調(diào)試電路連接完畢后通電。此時(shí)，門(mén)控電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，用數(shù)字萬(wàn)用表DC20V擋測(cè)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(mén)控電路輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，555輸出端3腳輸出高電位，因此V6飽和導(dǎo)通，V6的C極輸出低電位，V5發(fā)光，用數(shù)字萬(wàn)用表DC20V擋測(cè)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(dāng)上升到8V左右的時(shí)候（時(shí)間是30秒），門(mén)控電路輸出狀態(tài)又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)555輸出端3腳輸出低電位。用數(shù)字萬(wàn)用表DC20V擋測(cè)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(shí)間不是30秒，則最后測(cè)量的心率不準(zhǔn)確。需要調(diào)整R17或C6的參數(shù)來(lái)達(dá)到30秒的要求。具體計(jì)算公式：1.1×R17×C6=30。=3\*GB2⑶計(jì)數(shù)、譯碼、驅(qū)動(dòng)、顯示電路的調(diào)試電路連接完畢后通電。此時(shí)由于門(mén)控電路的控制作用，計(jì)數(shù)器MC14553的使能端（低電平有效）被置“1”，計(jì)數(shù)器不計(jì)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(cè)量DS1、DS2之間、DS2與DS3之間波形，應(yīng)能顯示圖（8）所示的波形，測(cè)試并把波形畫(huà)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(dāng)調(diào)節(jié)壓力。當(dāng)觀察到V4呈現(xiàn)有規(guī)律的亮-滅時(shí)，就可以進(jìn)行測(cè)量了。按一下門(mén)控電路的S1，這時(shí)，V5發(fā)光，計(jì)數(shù)器的使能端被置“0”，計(jì)數(shù)器開(kāi)始按整形電路送來(lái)的心跳脈沖計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)的結(jié)果以BCD碼的形式送到譯碼器進(jìn)行譯碼。譯碼后的結(jié)果送到數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)的結(jié)果。過(guò)30秒鐘后，門(mén)控電路輸出高電平，計(jì)數(shù)器使能端被置“1”，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。數(shù)碼管顯示最后計(jì)數(shù)的結(jié)果，此數(shù)字乘2即是被測(cè)的心率。測(cè)量并記錄計(jì)數(shù)器停止計(jì)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(xiàn)心率計(jì)調(diào)試記錄表表3.3放大、整形、濾波電路測(cè)量項(xiàng)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(huà)出被測(cè)量波形并標(biāo)出幅度與周期一級(jí)放大倍數(shù)：58.6二級(jí)放大倍數(shù)：61.2表3.4門(mén)控電路穩(wěn)態(tài)時(shí)IC4（555）及三極管V6的C極電壓測(cè)量項(xiàng)目U1U2U3U4U5U6U7U8UC測(cè)量值01201212001212暫態(tài)時(shí)IC4（555）及三極管V6的C極電壓：測(cè)量項(xiàng)目U1U2U3U4U5U6U7U8UC測(cè)量值0010.61210.45.45.4121.2暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間t=30秒表3.5計(jì)數(shù)、譯碼、驅(qū)動(dòng)、顯示電路測(cè)量項(xiàng)目DS1、DS2、DS3波形（畫(huà)在一起）V3、V4、V5的C極（畫(huà)在一起）畫(huà)出被測(cè)量波形并標(biāo)出幅度與周期表3.6穩(wěn)態(tài)時(shí)MC14553引腳電壓測(cè)量項(xiàng)目MC14553U5U6U7U9U3U4U1