数字电路与逻辑设计教程-第9章

第9章实验与课程设计9.1实验要求9.2数字电路实验9.3课程设计9.1实验要求9.1.1实验课的重要性数字电路实验是一门技术基础课，具有很强的实践性，是必不可少的教学环节。通过实验，不仅可以巩固和加深理解所学的理论知识，更重要的是学会了实验基本技能，提高了独立分析问题和解决问题的能力。通过电路实验，可以帮助培养学生严肃、严格、严密的科学态度和工作作风，为后续专业课的学习、生产实践与科学研究打下坚实的基础。下一页返回9.1实验要求9.1.2实验前的预习及预习报告上实验课之前必须预习与实验内容有关的理论知识并认真阅读本章;对实验目的、实验原理及可能采取的实验步骤有所了解;对所要用到的仪器仪表，要提前了解其工作原理、使用方法和注意事项;对被测物理量的变化趋势及可能出现的问题进行实验前的分析和预估。每次课前要写出预习报告，其内容包括如下:(1)实验目的及原理。(2)所用仪器、设备、仪表及元件等。(3)画出实验电路图。(4)做出实验数据表格。(5)拟定主要实验步骤。上一页下一页返回9.1实验要求9.1.3实验过程中应注意的问题实验操作过程是实验课的主要内容，第一次实验前应先熟悉实验室的规章制度。实验中要有严谨的科学态度，做到头脑清醒、胆大心细、有条不紊。同组同学应互相配合，争取获得较好的实验效果。实验过程中应注意以下几个方面。(1)合理选择、使用仪器仪表，在使用过程中随时注意以本书的有关内容为指导。注意分清电压表与电流表、信号发生器与一般工频交流电源的区别，交流与直流仪表不能混用。根据预算值合理选择仪表量程;不能预估被测值时，应先选择较高量程。使用调压器及直流稳压电源时，接通电源前，要将其起始位置置于零位。上一页下一页返回9.1实验要求(2)接线时，要合理布局，保持上进下出、左进右出的顺序。电路较复杂时，可先接最外面的回路，然后分步完成各支路的接线。每个接线柱上的导线头不宜超过3个。接好线路并确认无误后，方能接通电源。(3)测量点的数目和间隔要合理选择。如被测物理量是一条曲线，则在曲线较弯曲处要多选几个测试点，线性处则可少测集个点。一般情况下，读取三位有效数字，填入表格的数据不要涂改，重新测量的数据可写在原数据旁边，以便分析、比较。上一页下一页返回9.1实验要求(4)实验过程中，如发生烧断保险管、不正常响声、冒烟、有焦味等异常现象，应立即关断电源，并报告指导教师。待检查线路、排除故障后再继续实验。(5)完成实验任务后，认真检查所测数据有无错误或遗漏，然后关闭仪器、切断电源、拆开线路、整理好实验台。经老师检查后方可离开实验室。上一页下一页返回9.1实验要求9.1.4实验报告的书写要求整理、编写实验报告是实验课的重要环节。通过实验报告的编写，可以系统地理解实验课中所获得的知识，建立清晰的概念，同时提高进行科学总结的能力。实验报告主要包括以下几个内容。(1)实验目的与实验原理。(2)主要仪器和仪表的名称、型号、规格及实验台编号。(3)实验任务及步骤。要求画出电路图，用简洁的语言拟定实验步骤并作出数据表格。上一页下一页返回9.1实验要求(4)数据处理及波形曲线。记录测试数据及对数据进行整理和计算时，要注意单位的确定和有效数字的保留，一般要求保留3位有效数字。波形曲线应画在坐标纸上，每个坐标轴要注明变量名称和单位，需进行比较的波形曲线要画在同一个直角坐标系中。曲线的弯曲部分多选几个测试点，线性部分少选几个测试点。连接各点时，要尽量使曲线光滑。(5)实验结论、误差分析和实验体会。根据实验结果得出明确的结论。对一些问题可进行分析，如分析误差的原因或解释一些实验现象，提出进一步改进的意见等。总之，实验报告要求文理通顺、简明扼要、字迹整洁、图表清晰、结论正确、分析合理。上一页返回9.2数字电路实验9.2.1实验1:门电路1.实验目的(1)掌握各种门电路的逻辑符号、函数式、真值表、功能、管脚及使用方法。(2)了解集成电路的外引脚排列及其使用方法。(3)学习掌握用SSI器件构成组合逻辑电路设计与分析的方法。(4)熟悉三态门的逻辑功能及典型应用。下一页返回9.2数字电路实验2.预习要求(1)复习SSI组合逻辑电路的基础知识。(2)熟练掌握常用SSI集成逻辑门器件芯片管脚排列图及使用方法。(3)熟悉实验内容、实验步骤及正确的接线和操作方法，画出实验电路图和实验数据表格。上一页下一页返回9.2数字电路实验3.相关理论集成逻辑门电路是最简单、最基本的数字集成元件。任何复杂的组合电路和时序电路都可用逻辑门通过适当的组合连接而成。目前已有门类齐全的集成门电路，如“与门”“或门”“非门”“与非门”等。虽然中、大规模集成电路相继问世，但在组成某系统时仍少不了各种门电路。因此，掌握逻辑门的工作原理，熟悉、灵活地使用门电路是数字技术工作者必备的基本功之一。上一页下一页返回9.2数字电路实验TTL门电路具有工作速度高、种类多、不易损坏的特点而使用较广泛。74LS(或74)系列TTL集成电路的工作电源电压为(5士0.5)V，逻辑高电平1时电源电压不小于2.4V，低电平0时不大0.4V。图9-1所示为2输入“与门”，输入“或门”，2输入和4输入“与非门”及反相器的逻辑符号图。它们的型号分别为74LS08,74LS32,74L00,74LS20和74LS04。表达式分别为与门Q=A·B、或门Q=A+B、与非门Q=和Q=、反相器Q=。上一页下一页返回9.2数字电路实验TTL集成门电路外引脚分别对应逻辑符号图中的输入、输出端。电源和地一般为集成块的两端，如14脚集成块，7脚为电源地(GND)、14脚为电源正端(UCC)。外引脚的识别方法是:将集成块正面对准使用者，从凹口左边或小标志点“·’，为起始点，逆时钟方向向前数依次为2,3,4,…、n。CMOS集成电路具有功耗低、输出幅度大、噪声容限大、扇出能力强、电源范围宽的特点而应用广泛。CMOS使用时应注意以下几点:不用的输入端不能悬空;电源电压使用正确，不得接反;焊接或测量仪器可靠接地;不得在通电情况下，随意拔插输入接线;输入电平应在CMOS标准逻辑电平范围内。上一页下一页返回9.2数字电路实验逻辑函数的4种表示方法及化简是学习研究数字电路的数学基础，函数的4种表示方法是真值表、函数式、逻辑图和卡诺图。它们在本质上是相通的，可以相互转换。函数图的化简方法有代数法和卡诺图法，在逻辑变量N<=4时，使用卡诺图法具有简单、直观，化简过程有可循步骤，易掌握等特点。常用的集成逻辑门器件有前面讲到的TTL器件和CMOS器件两大类。对于器件的学习重点应放在逻辑符号、真值表、函数式、逻辑功能、管脚图、与各种外特性有关的参数及正确使用方法等上面。由基本逻辑门和复合逻辑门可以构成各种逻辑电路，其特点是在任何时刻输出信号仅取决于该时刻的输入信号，而与信号作用前电路原来所处状态无关。上一页下一页返回9.2数字电路实验对于组合逻辑电路的学习重点应放在掌握组合逻辑电路的分析方法和设计方法上，用于工程实际应用。组合逻辑电路的设计步骤:由逻辑功能要求定义逻辑变量0和1的含义，按实际逻辑命题给定的事物间的关系，经逻辑抽象

真值表卡诺图或代数法化简最简逻辑函数式变换逻辑电路图，元件选择电路组装及调试。组合逻辑的分析步骤是:逻辑图各输出端的逻辑函数式逻辑函数式的化简或变换真值表分析逻辑功能。上一页下一页返回9.2数字电路实验4.实验设备与器材(1)数字电子实验系统:1台。(2)集成电路:74LS20,74LS00和74LS125，各1片。5.实验内容及步骤1)设计用集成与非门器件构成3人表决器(1)逻辑变量及逻辑状态假设。①假设A,B,C为输入变量，高电平“1”为赞成，低电平“0”为反对。②表决人操作表决器按键闭合为“1"，断开为“0"。③假设Y为输出变量，高电平“1”通过，低电平“0”为否决。Y=1时，执行器件灯亮;Y=0时，执行器件灯熄。上一页下一页返回9.2数字电路实验(2)根据命题给定的事物因果关系，三人中两人以上赞成决议通过，列出真值表见表9-1。(3)由真值表写出逻辑函数式如下:(4)用卡诺图化简函数。由真值表或函数式得到卡诺图如图9-2所示，求得最简输出函数Y=AB+BC+CA。(5)由命题要求，把函数式变换为Y=。(6)逻辑电路图如图9-3所示。(7)集成电路图如图9-4~图9-5所示。上一页下一页返回9.2数字电路实验(8)接线，验证表决器的逻辑功能(注:74LS20的1脚接高电平)并将实验结果填入表9-2中。2)用三态门构成数据传输总线电路(1)74LS125三态门外的引脚排列如图9-6所示。按图9-7所示接其中三态门3个输入分别接地、高电平1和脉冲源，输出连在一起接LED。3个使能端分别接实验箱逻辑开关K1、K2和K3并全置1。(2)使3个使能端轮流为"0"，观察并记录LED和Q的输出状态。注意:实验接线前，首先要使K1=K2=K3=1，实验操作过程中决不允许K1、K2和K3中有两个及以上同时为0，否则将造成与门输出相连而损坏器件。上一页下一页返回9.2数字电路实验6.实验报告要求(1)整理分析实验数据和结果，总结SSI组合逻辑电路的设计与分析方法。(2)分析三态门应用于构成数据传输总线的工作原理。7.思考题设计一个监测信号灯工作状态逻辑电路。每一组信号灯由红、黄、绿3盏灯组成，正常工作情况下，任何时刻点亮的状态是红、绿或黄加上绿中的一种。而当出现其他5种点亮状态时，电路发生故障要求逻辑电路发出故障信号，以提醒维护人员前去修理。上一页下一页返回9.2数字电路实验9.2.2实验2:组合逻辑设计1.实验目的(1)熟悉数字电路的设计方法。(2)学习并掌握智力抢答器电路的设计方法。2.预习要求(1)熟悉并掌握3线-8线优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279，译码器74LS247，共阳极数码管脚排列及使用方法。(2)熟悉实验内容、实验步骤及正确的接线操作方法，并画出实验电路图。上一页下一页返回9.2数字电路实验3.相关理论数字抢答器具有数码锁存和显示功能，抢答组数为8组，即序号分别为0,1,2,3,4,5,6,7，优先抢答者按动本组序号开关，组号立即锁存到LED显示器上。同时封存其他组号，系统设置外部清除键并由主持人控制。若按动清除键，LED显示器自动清零灭灯。3线-8线优先编码器的外引脚排列如图9-8所示，功能真值表见表9-3。上一页下一页返回9.2数字电路实验图9-9所示电路的工作原理是:控制开关置于“清除”位置时，RS锁存器的为低电平，输出Q1~Q4全部为低电平，74LS247的=0,显示器灭灯;74LS148的选通输入端=0,74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作，当控制开关置于“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，输入端等待输入信号，当有选手按下抢答开关，如5组按下，则74LS148输出为=010,=0。经RS锁存器后Q=1,=1,74LS247处于工作状态，Q4Q3Q2=101，经译码器后，显示器显示5,Q1=1，使74LS148的为高电平，74LS148处于禁止状态，封锁其他抢答开关的输入。上一页下一页返回9.2数字电路实验这就保证了抢答的优先性以及准确性，当抢答者回答完问题后由节目主持人操作控制开关，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。4.实验器材(1)数字电子实验系统:1台。(2)集成电路:74LS148,74LS279和74LS247，各1块。(3)数码显示:共阳数码管LTS546R,1只。(4)电阻:1的8个，10的1个。上一页下一页返回9.2数字电路实验5.实验内容及步骤(1)按图9-9所示进行接线，使S控制开关置于开始位置，按动0~7组开关的任意一组观察数码管的显示，对应的抢答组序号是否显示在数码管上。(2)再次按动其他抢答组开关，数码显示是否改变。(3)把S控制开关置于“清除”位置时，显示器是否灭灯。(4)再次把S控制开关置于“开始”位置，是否可以进行第二轮抢答。上一页下一页返回9.2数字电路实验6.实验报告要求(1)画出数字抢答器的电路。(2)列出实验数据和时序波形图。7.思考题(1)在数字抢答器中，如何将序号位0的组号在七段显示器上改为显示8。(2)在数字抢答器中，若将抢答组数扩展到10组，应如何设计优先编码器。上一页下一页返回9.2数字电路实验9.2.3实验3:触发器1.实验目的(1)掌握基本RS触发器、JK触发器、D触发器和T触发器的逻辑功能。(2)熟悉各类触发器之间逻辑功能相互转换的方法。2.预习要求(1)复习有关触发器部分的内容。(2)列出各触发器功能的测试表格。上一页下一页返回9.2数字电路实验3.相关理论触发器是具有记忆功能的二进制信息存储器件，是时序逻辑电路的基本单元之一。本实验采用74LS112型双JK触发器，是下降边沿触发的边沿触发器，引脚排列如图9-10所示，表9-4为其功能表。D触发器是另一种使用广泛的触发器，它的基本结构多为维持-阻塞型，一般是在CP脉冲上升沿触发翻转。本实验采用74LS74型双D触发器，是上升边沿触发的边沿触发器，引脚排列如图9-11所示，表9-5为其功能表。上一页下一页返回9.2数字电路实验CMOSCD4013双D触发器逻辑功能与TTL74LS74相同，引脚排列如图9-12所示，它的触发方式是上升边沿触发，直接置位、复位端S、R高电平起作用，触发器工作时应置S=R=O,表9-6为CD4013的功能表。CMOSCD4027双JK触发器的逻辑功能与TTL74LS112相同，引脚排列如图9-13所示，触发方式及直接置位、复位功能与4013相同，表9-7为CD4027的功能表。上一页下一页返回9.2数字电路实验4.实验器材(1)数字电子实验系统:1台。(2)示波器:1只。(3)集成电路:74LS112、74LS74和74LS00，各1块。5.实验内容及步骤1)测试基本RS触发器的逻辑功能用与非门74LS00构成基本RS触发器。输入端接逻辑开关，输出端接电平指示器，按表9-8的要求测试逻辑功能记录。2)测试双JK触发器74LS112的逻辑功能上一页下一页返回9.2数字电路实验(1)测试和的复位、置位功能。任取一只JK触发器，、、，J、K端接逻辑开关，CP端接单次脉冲源，Q和端接电平指示器，按表9-8的要求改变和(J、K、CP处于任意状态)，并在=0(=1)或=0(=1)作用期间任意改变J、K及CP的状态，观察Q和的状态并记录。(2)测试JK触发器的逻辑功能。按表9-9的要求改变J、K、CP端的状态，观察Q和的状态变化，观察触发器状态更新是否发生在CP脉冲的下降沿(即CP由10)，并记录数据。上一页下一页返回9.2数字电路实验(3)将JK触发器的J、K端连在一起，构成T触发器。①CP端输入1Hz连续脉冲，用电平指示器观察输出端的变化情况。②CP端输入1kHz连续脉冲，用双踪示波观察时钟脉冲及输出端的波形，注意相位和时间关系并进行描绘。3)测试双D触发器74LS74的逻辑功能(1)测试、，的复位、置位功能，测试方法同2)。(2)测试D触发器的逻辑功能。按表9-10的要求进行测试，并观察触发器输出状态的更新是否发生在时钟脉冲的上升沿(即CP由01)，并记录数据。上一页下一页返回9.2数字电路实验(3)将D触发器的D端与端相连接，构成T’触发器，测试其逻辑功能，并记录实验数据。(4)用JK触发器将时钟脉冲转换成两相时钟脉冲。实验电路如图9-14所示，输入端CP接1Hz脉冲源，输出端QA和QB的接示波器，观察CP、QA和QB的波形并将其画出。6.实验报告要求(1)列表整理各类型触发器的逻辑功能。(2)总结JK触发器74LS112和D触发器74LS74的特点。(3)画出JK触发器作为T’触发器时，输出端的波形图，讨论它们之间的相位和时间的关系。(4)总结图9-14所示电路的功能。上一页下一页返回9.2数字电路实验9.2.4实验4:555定时器及应用1.实验目的(1)熟悉基本定时电路的工作原理及定时元件RC对振荡周期和脉冲宽度的影响。(2)掌握用555集成定时器构成定时电路的方法。2.预习要求(1)复习555定时器的结构和工作原理。(2)掌握555定时器的管脚排列。上一页下一页返回9.2数字电路实验3.相关理论555定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当的几个元件，就可以构成施密特触发器、单稳态触发器及多谐振荡器等脉冲的产生与变换电路。它在工业自动控制、定时、仿声、电子乐器、防盗等方面有广泛的应用。该器件的电源电压为4.5~18V,马伙动电流可达200mA左右，并且可以与TTL和CMOS逻辑电平相兼容。555定时器的内部电路框图及管脚排列分别如图9-15和图9-16所示。上一页下一页返回9.2数字电路实验555定时器内部含有两个电压比较器C1和C2，一个基本RS触发器，一个放电三极管和一个输出反相放大器。在UCC和地之间加上电压，并让UM悬空，则C1比较器参考电压为，C2比较器的参考电压为。若C2比较器的输出电压，则C2比较器输出为0，可使基本RS触发器置1，使输出UO=1。若C2比较器的输入电压时，则C1比较器输出0，可使基本RS触发器置0，使输出端Q为0。若复位端=0，则基本RS触发器置0，使输出Q为0。UM的电压加入，可改变两比较器的参考电压。若不用时可通过电容(通常为0.01uF)接地。放电管VT的输出端UO'为集电极开路输出。定时器的功能见表9-11。上一页下一页返回9.2数字电路实验从555功能表及原理图可知，只要在其相关的位置输入相应的信号就可得到各种不同的电路，如多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器等。4.实验器材(1)数字电子实验系统:1台。(2)直流稳压电源:1台。(3)示波器和函数发生器:各1台。(4)万用表:1只。(5)集成电路:NE555,1只。(6)电}沮:300,2,1各1只。(7)电位器10;1只。(8)电容0.01uF,0.1uF,0.47uF,10uF:各1只。上一页下一页返回9.2数字电路实验5.实验内容及步骤1)多谐振荡器按图9-17所示进行接线，输出端UO接发光二极管和示波器，并把10uF电容串入电路中。(1)接线完毕后，检查无误，接通电源，555工作，这时可看到LED发光管一闪一闪的，调节RW的值，可从示波器上观察到脉冲波形的变化。(2)改变电容C的数值为0.1uF，再调节RW，观察输出波形变化后，记录下输出波形及频率。上一页下一页返回9.2数字电路实验2)施密特触发器(1)按图9-18所示进行接线，其中555的2和6脚接在一起，并将接至函数发生器三角波的输出幅值调至5V，Ui和UO端接双踪示波器。(2)接线无误后，接通电源，输入三角波，并调至一定的频率，观察输入和输出波形的形态。(3)输入正弦波，并调至一定的频率，观察输入和输出的波形。(4)调节RW，使外加电压Ui变化，观察示波器上输出波形的变化。上一页下一页返回9.2数字电路实验6.实验报告要求整理实验线路，画出各实验波形。7.思考题利用555定时器构成单稳态触发器，如图9-19所示。上一页返回9.3课程设计9.3.1交通信号灯控制器1.功能要求(1)A、B分别代表两个方向(十字交叉)的道路。(2)A道和B道均有红、绿、黄3种信号灯。(3)两个方向自动控制交替通行，并要求两个方向每次均通行30s。(4)在绿灯变为红灯时，先由绿灯变为黄灯，5s后，再由黄灯变为红灯，此时另一方向才由红灯变为绿灯。下一页返回9.3课程设计2.总体方案(1)S0状态表示A道绿灯亮，B道红灯亮，30s定时开始计时，且通车时间未超过30s。(2)S1状态表示A道通车时间已达到30s，此时，A道黄灯亮，B道红灯亮，5s定时器开始计时。(3)S2状态表示A道黄灯时间已超过5s，此时，A道红灯亮，B道绿灯亮，30s定时器开始计时。(4)S3状态表示B道通车时间已超过30s，此时，A道红灯亮，B道黄灯亮，5s定时器开始计时;以后当B道黄灯计时超过5s时，接S0状态。上一页下一页返回9.3课程设计(5)A、B两道红、黄、绿3个灯分别用RA、YA、GA和RB、YB、GB表示。灯亮用"1"表示，灯灭用"0"表示，则两个方向信号灯的4种输出状态见表9-12。3.电路设计(1)30s和5s定时器如图9-20所示。图中选用74LS161分别构成了30s和5s定时器电路，C为控制信号。当C=0时，30s定时器开始计时，禁止5s定时器计时;当C=1时，5s定时器开始计时，禁止30s定时器计时。上一页下一页返回9.3课程设计(2)控制部分:当满足B道5s定时器超过5s即T5=1时，A道绿灯亮，B道红灯亮;当满足A道30s定时器超时30s即T30=1时，A道黄灯亮，B道红灯亮;当满足A道5s定时器T5=1时，A道红灯亮，B道黄灯亮;当满足B道30s定时器超时30s即T30=1时A道红灯亮，B道黄灯亮。(3)采用74LS161进行控制。根据上述分析得到的控制激励表见表9-13。上一页下一页返回9.3课程设计由于只有4个状态，因此只需两位二进制编码即可。根据74LS161的控制激励表，很容易得到控制输出表达式为:4.逻辑电路表CTP的功能可采用四选一数据选择器CT74LS153来实现，根据以上分析可画出交通灯控制系统逻辑电路图。上一页下一页返回9.3课程设计5.课程设计要求(1)画出电路逻辑图并分析工作原理。(2)根据原理图选好元器件。(3)用计算机绘出印制电路板布线图。(4)制作印制电路板，把元器件焊接好。(5)通电工作和调试(1Hz和10Hz信号可选用数字电路学习机上的信号输出)。(6)写出课程设计报告，分析故障产生的原因，说明解决办法。上一页下一页返回9.3课程设计9.3.2脉搏计设计1.功能要求设计一脉搏计，要求能够实现在30s内测量人的脉搏跳动次数，并且将脉搏数显示出来。2.总体方案1)分析题目要求脉搏计是用来测量一个人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(传感器输出电压一般为几毫伏)，它的基本功能如下。上一页下一页返回9.3课程设计(1)用传感器将脉搏的跳动转换为电压信号，并加以放大、整形和滤波。(2)在短时间内(30s)测出每分钟的脉搏数。2)选择总体方案满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出下面两种方案。方案I如图9-21所示，图中各部分的作用如下所述。(1)传感器:将脉搏跳动信号转换为对应的电脉冲信号。(2)放大与整形电路:放大电路用来将传感器的微弱信号放大;整形电路用来滤除杂散信号。上一页下一页返回9.3课程设计(3)倍频器:将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如30s内传感器所获得的信号频率2倍频，即可得到对应1min的脉冲数，从而缩短测量时间。(4)基准时间产生电路:产生标准时间信号，用来控制测量时间。(5)控制电路:用以保证在基准时间控制下，使2倍频后的脉冲送到计数、译码、显示电路中。(6)计数、译码、显示电路:用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。(7)电源电路:按电路要求提供符合要求的直流电源。上一页下一页返回9.3课程设计上述测量过程中，由于对脉冲进行了2倍频，计时时间也相应缩短了一半(30s)，而数码显示的数字却是1min的脉搏跳动次数。用这种方案测量的误差为士2次/min，测量时间越短，误差也就越大。方案II如图9-22所示。该方案是首先测出脉搏跳动5次所需的时间，然后再换算为每分钟脉搏跳动的次数，这种测量方法的误差小，可达士1次/min，此方案的传感器、放大与整形、计数、译码、显示电路等部分与方案I完全相同，现将其余部分的功能介绍如下。上一页下一页返回9.3课程设计(1)六进制计数器:用于检测6个脉搏信号，产生5个脉冲周期。(2)基准脉冲发生器:产生周期为0.05s的基准脉冲信号。(3)门控电路:控制基准脉冲信号进入8位二进制计数器。(4)8位二进制计数器:对通过门控电路的基准脉冲进行计数。例如5个脉搏周期为5s，即门打开5s的时间，让0.05s周期的基准脉冲信号进入8位二进制计数器，显然计数值为100，反之由它可相应求出5个脉冲周期的时间。上一页下一页返回9.3课程设计(5)定脉冲数产生电路:它可产生定脉冲数信号，如6000个脉冲送入可预置8位计数器端。(6)可预置8位计数器:以8位二进制计数器值(如100)作为预置数，对6000个脉冲进行分频，所得的脉冲数(如得到60个脉冲)即心率。方案I结构简单，易于实现，但测量精度偏低;方案II电路结构复杂、成本高、测量精度高。根据设计要求，精度为士2次/min，在满足设计要求的前提下，应尽量简化电路，降低成本，故选择方案I。上一页下一页返回9.3课程设计3.单元电路的设计1)放大电路如上所述，此部分电路的功能是:由传感器将脉搏信号转换为电信号，一般为几十毫伏，必须加以放大，以达到整形电路所需的电压(一般为集伏)。放大后的信号是不规则的脉冲信号，还必须进行滤波整形，整形电路的输出电压应满足计数器的要求。所选电路框图如图9-23所示。上一页下一页返回9.3课程设计各部分电路的组成及参数如下。(1)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，其原理电路如图9-24所示。在图9-24中，红外发光管LED采用了TLN104，接收三极管VT采用TLP104。用+5V电源供电，R1采用510，R2采用10k。(2)放大电路:由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器，如图9-25所示，运放采用了OP07,电源电压采用士5V，放大电路的电压放大倍数为10倍左右，电路参数如下:R4=100k，R5=910k，R3=10k，C1=100uF。上一页下一页返回9.3课程设计(3)有源滤波电路:采用了二阶压控有源低通滤波电路，如图9-26所示，作用是把脉搏信号中的高频干扰信号去掉，同时把脉搏信号加以放大。考虑到去掉脉搏信号中的干扰脉冲，所以有源滤波电路的截止频率为1kHz左右。为了使脉搏信号放大到整形电路所需的电压值，通常电压放大倍数选用1.6倍，集成运放采用OP07。(4)整形电路:经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有低频干扰，仍不满足计数器的要求，必须采用整形电路，这里选用了滞回电压比较器，如图9-27所示。其目的是为了提高抗干扰能力，集成运放采用了LM339，其电路参数:R10=5.1k，R11=100k，R12=5.1k。上一页下一页返回9.3课程设计(5)电平转换电路:由比较器输出的脉冲信号是一个正、负脉冲信号，不满足计数要求的脉冲信号，故采用电平转换电路，如图9-27所示。(6)放大与整形部分:电路放大与整形电路如图9-28所示。2)倍频电路该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行2倍频，以便在30s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。倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等。由于锁相倍频器电路比较复杂，成本较高，所以这里采用了能满足设计要求的异或门组成的二倍频电路，如图9-29所示。上一页下一页返回9.3课程设计G1和G2构成二倍频电路，利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用。当输入由0变成1或由1变成0时，都会产生脉冲输出，输入/输出波形如图9-30所示。电容器C4的作用是为了增加延迟时间，从而加大输出脉冲宽度。根据实验结果选用C4=0.047uF,R13=16k，其中异或门选用了CC4070。3)基准时间产生电路基准时间产生电路的功能是产生一个周期为60s(即脉冲宽度为30s)的脉冲信号，以控制在30s内完成1min的测量任务。实现这一功能的方案很多，现采用图9-31所示的方案。上一页下一页返回9.3课程设计由框图可知，该电路由秒脉冲发生器、15分频电路和四分频电路组成。(1)秒脉冲发生器:电路如图9-32所示。为了保证基准时间的准确，采用了石英晶体振荡电路，如图9-32所示。石英晶体的主频为32.768kHz，反相器采用CMOS器件，R14的值可在5~30M范围内选择，R15的值可在10~150k范围选择，振荡频率基本等于石英晶体的谐振频率，改变C6的大小对振荡频率有微调的作用。这里选用R14为5.1M，R15为51k，C5为56pF，C6为3~56pF，反相器利用了CC4060中的反相器，如图9-32和图9-33所示。上一页下一页返回9.3课程设计选用CC4060中的14位二进制计数器对32.768kHz进行14次二分频产生一个频率为2Hz的脉冲信号，然后用CC4013进行二分频得到周期为1s的脉冲信号