数字式电阻测试仪电路设计方案

第 1 页 数字式电阻测试仪电路设计方案 1 系统概述 计思路： 数字式电阻测试仪的基本工作原理是将待测的数字信号转化为模拟信号，在通过计数、译码，由数码管直接将阻值显示出来。本设计是通过 555 芯片与74片共同协作来完成的。接通电源后多谐振荡器开始工作，此时给 555单稳态触发器一个负脉冲，使其工作，产生的脉冲宽度为 输出端相与后接 74数器，记录的就是 度内多谐产生的高电平个数。因待测电阻R 与单稳态的脉冲宽度 线性关系，给定参数后，高电平数即为待测电阻值。最后通过译码显示，显示出最终的结果。 计方案的分析与选择： 本次设计要求进行电阻测量并将结果在数码管上显示出来，期间要进行单位的选择，其实就是进行数字式欧姆表的设计。如何将模拟信号转换为数字信号成为本次设计的一个难点。考虑到 555 单稳态触发器可以实现模数的转换，因此我们决定采用 555 电路来完成。下面给出四种设计方案进行可行性分析： 方案一 ： 用场效应管运算放大器和 AD 转 换实现。 使用场效应管运算放大器组成线性欧姆表电路。运算放大器的同向端接稳压二极管，输出经待测电阻 馈到反向输入端，反向输入端经一电阻 R 接地。由于电流表的一端接在运算放大器的同向端，因此运算放大器输出与待测电阻 正比。如果电流表满量程则代表 。这样待测电阻的阻值可以很容易的根据 需改变 R 值即可轻易获得待测电阻值。将获得的电阻值经 AD 转换后与数码管连接，则数码管显示电阻值。 其电路基本原理图如下图所示： 场效应管运算放大器 AD 转换电路 译码 驱动显示电路 第 2 页 图 案一原理图 方案二： 利用桥式电路和 AD 转换实现。 待测电阻 R=1000,2,成一个电阻电桥，其中 用来完成校准过程的。运算放大器的输出电压与（ （ R+正比，待测电阻大小可通过电压表或电流表指示出来。 R 和 通过驱动指示灯 示，当 000 时，运算放大器输出低电平， ，否则 。也可以通过电表的正负指示电阻的大小。将测量出的电阻值通过 AD 转换电路实现数制的转换，并将其连接至数码显示管，最终的测量结果将在数码管上显示出来。其原理图如下图所示： 图 方案二原理图 方案三： 用 555 单稳态触发器和 AD 转换实现。 根据 555 单稳态触发器的基本工作原理可知，输出脉冲宽度 电阻 R 有关系定 C 值， R 将与 正， R 的值可通过 示出来。将其通过 A6接，结果将在数码显示管上体现出来。 其原理图如下图所示： 桥式电路 AD 转换电路 译码 驱动显示电路 555 单稳态触发器电路 AD 转换电路 译码 驱动显示电路 第 3 页 图 方案四： 用 555 多谐振荡器和单稳态触发器， 74数器共同实现。 555 单稳态触发器的脉冲宽度与电阻呈正相关，故阻值大小可通过脉冲宽度体现。给定多谐振荡器的振荡频率。将多谐振荡器的振荡周期与单稳态触发器的脉冲宽度相与，结果作为计数脉冲，经由 74，最终将在数码管上显示被测电阻值大小。 其原理图如下所示 ： 图 方案四原理图 综观上述各设计方案，各有利弊。 方案一是用场效应管和 AD 转换实现的，其优点是校准部分易于实现，不足之处在于数显部分和 AD 转换部分实现起来比较困难。 方案二是用桥式电路和 AD 转换来完成，同样的，校准部分容易实现，但数显和单位转换， AD 转换不易实现。 方案三用 555 单稳态触发器和 AD 转换，实现起来存在类似的问题，仍是AD 转换时存在困难。 方案四采用的是 555 单稳态触发器和多谐振荡器， 74160 共同实现的，将电阻信号转化为方波信号。即由 0 和 1 组成的数字信号。这样就解决了 AD 转换时带来555 单稳态触发器 555 多谐振荡器 74数器 译码 驱动 显示电路 第 4 页 的困难。综合考虑各个因素我们最终确定了将方案四作为我们最终 的设计方案。 2 单元电路设计 55 单稳态脉冲的产生 555 单稳态触发器的工作原理为：接通电源瞬间， V,输出 ,放电三极管 过 R 给 C 充电。当 升到 2 时，比较器 出变为低电平，此时基本 发器置 0，输出 。同时，放电三极管 T 导通，电容 C 放电，电路处于稳态，稳态时 。 当输入负脉冲后，触发器发生旋转，使 ，电路进入暂稳态。由于 ，三极管 T 截止，电源 通过 R 给 C 充电。当电容 C 充电至 时，电路又发生反转，输出 ， T 导通，电容 C 放电，电路自动恢复至稳态。暂稳态时间由 路参数决定，输出脉冲宽度 其电路图如下所示： 5 5 5 _ V I R T U A LT i m e e y = m m n e y = e y = A V V V D 55 单稳态触发器的工作原理图 第 5 页 其中， 5V 的直流电压源。 R 为待测电阻，用滑动变阻器实现电阻的调换。 1k 的定值电阻。 别为不同电容值的电容， 一组， 一组。 单刀双掷开关，用来控制所测阻值单位，与 接时表示所测电阻单位为欧姆， ；与 接时表示所测电阻单位为千欧姆。 单刀单掷开关，用来给触发器施加负脉冲。 产生的波形如下图所示 ： 图 55 多谐振荡器波形的产生： 多谐振荡器与单稳态触发器的工作原理很相似，都是通过电阻电容的充放电完成的。当接通电源 ，电容 C 上的初始电压为 0V，比较器 出为 1 和0，使 ，放电管 T 截止，电源通过 C 充电。 升至 2 时，发器被复位，使 ， T 导通，电容 C 通过 地放电， 始下降，当 到 时，输出 翻回到 1 状态，放电管 T 截止，电容 C 又开始充电。如此周而复始，就可在 3 脚输出矩形波信号。 电容 C 上的充电时间 放电时间 别为： 1+出矩形波的周期为： T=2=1+2 振荡频率： f=1/T=( 占空比： q=(2)/(如果 q=1,似为锯齿波。 其电路图如下所示： 第 6 页 5 5 5 _ V I R T U A LT i m e e y = e y = n n D 555 多谐振荡器的工作原理图 产生的输出波形如下所示： 图 555 多谐振荡器的输出波形 谐与 74成的分频电路 将多谐振荡器的输出作为 74触发脉冲端，因 74十进制计数，即每输入一个触发脉冲，计数器跳转一次。将四个 74行级联，当低位片计数十次，十位片计数一次。以此类推，个位片计数一百次，百位片计数一次，低位片计数一千次，千位片计数一次。将四个计数器的 引出，即可实现对输入信号的四次分频。 本设计中，当给定多谐的频率为 2，第一个分频电路即 输出频率为 第 7 页 1二个分频电路即 输出频率为 100次 输出频率为 104 的输出频率为 1样就实现了对输出信号的四次分频。 用第一个分频电路来控制阻值范围在 100 的电阻，第二个分频电路用来控制组织在 100电阻，第三个分频电路用来控制 1电阻，最后一个分频电路用来控制 10电阻，这样就将测量电阻进行了细化，使得测量更加精确。 电路图如下所示： V C 5 _ V I R T U A LT i m e e y = e y = n n L S 1 6 0 L S 1 6 0 L S 1 6 0 L S 1 6 0 频电路图 稳态与分频支路相与 将单稳态与分频电路的某一支分别作为 74输入端，实现相与的功能，结果作为 74触发脉冲。 如下所示： 第 8 页 图 相与后的波形如下图所示： 图 4数 本设计中的 74片是用于计数的，因最终结果要显示四位，故要用四个74片来实现。单稳态和分频电路相与后产生的如图 由其计数的。 由于 74十进制计数器，为使她能够对四位十进制数进行计数，需将其拓展，即级联。 74级联方式很多，本设计中，我们使用低位片的进位，作为高位片的触发脉冲来实现。即低位片每向高位进为一次，高位计数一次。由此可实现 10000 进制计数。 计时器的清零可通过开关 实现。将计数器的清零端即 时接到开关上。开关常开，即接 1。每当需要更换电阻时，将开关闭合后打开，即为 0。以此实现计数器清零 74联图如下所示： 第 9 页 L S 1 6 0 L S 1 6 0 L S 1 6 0 07 4 L S 1 6 0 零端K e y = H 数器级联图 锁存器锁存电路 本设计中的锁存功能是通过 74现的。 D 触发器具有锁存功能，当 钟脉冲未到来时，触发器出入端的状态不影响输出状态。当 冲到来时，触发器输出状态与当前时刻输入端的状态相同。 一个 74片中包含有两个 D 触发器，故要实现对从四个 74来的 16个二进制数的锁存，需要 8 个 74片。为顺利实现锁存功能，考虑再三， 第 10 页 我们决定，利用单稳态的输出脉冲来控制 8 个 74片。当单稳态触发器产生下降沿时，它的非为上升沿。因此，将单稳态的输出与 1 相与后，即对单稳态的输出求非后，作为 74触发脉冲。每一个 D 触发器可以实现一位锁存，也就是说，对四输出的 74一个芯片都需要两个 74实现四位锁存。因此， 实现对 四个数的锁存， 来实现对 的数的锁存， 现对 四个数的锁存， 来实现对四个数的锁存，这样经四个 74数的 16 个数就实现了锁存。 74下图所示： 0非门 锁存器的连接图如下所示： U 1 17 4 L S 7 4 37 4 L S 7 4 57 4 L S 7 4 77 4 L S 7 4 87 4 L S 7 4 27 4 L S 7 4 47 4 L S 7 4 67 4 L S 7 4 L S 0 0 存器连接图 数码管显示 本设计所使用的数码显示管是 同时完成译码和显示两个功能。 用 第 11 页 74160N 计数器计数后的信号输入到数码显示管，显示管内的译码器先译码，然后通过与译码器相连的发光二极管，显示出数字，从而就实现了数字显示功能。 四位显示最大能显示到 9999，因此对于大于此量程的数据就不能记录了，需要用一个报警装置来提新用户，当数值超过量程时，就必须换挡位或者换别的仪器进行测量。 为了解决这个问题，我们设计了一个灯来充当这个报警装置，用一个与门连接四个 74160 与门的另一端接一个 555构成的报警装置，当出现 9999时，蜂鸣器就发出报警声，则表明待测电阻阻值过大，选择的量程小了，应该更换档位。这同时也就实现了档位的选择调整。 数码显示管与报警装置的连接图如下所示： U 2 2D C D _ H E 3D C D _ H E 1D C D _ H E D _ H E 9 L S 2 1 5 V 图 3 系统总述和总体电路图 第 12 页 统综述 这次设计，我们使用了两个 555，一个用来产生单脉冲，一个是多谐震荡，能产生多谐振荡的 555 电路，经四个 74频后，经其中一个支路的输出与单稳态触发器的输出信号通过 74现相与，再输入到 74数器， 74数结果送至 74行锁存，最后通过数码显示管显示出来，数码管显示的数字即为电阻阻值。 至于为什么数码管显示的数字可以直接作为电阻阻值，其原理是： 555 产生单脉冲，其时间 一个时间长度，即为脉冲宽度。然后多谐振荡产生连续的方波，其时间长度远小于单脉冲，即其脉冲宽度远小于单脉冲，单脉冲的脉冲宽度是多频的整数倍。相与后输出的脉冲个数就是 间内脉冲的个数。电阻通过 555转化为 输出的就是 值。 根据 555 的性质由相关公式 ，要测电阻就必须知道 R 的值，以测 出，而 C 的值我们将其设置为 1/样， ，所以我们可以将数码管显示的数字直接作为电阻值。在单脉冲产生部分，我们之所以选择两个电容串联作为一组电容而不是使用一个电容一组，是因为没有以 1/个电容串联后的电容 C 与两个电容 间满足 1/C=1/，所以我们选择大小为 1 和 10 的电容串联。 这次课程设计，要求测量的电阻阻值范围为 100到 100且要求用 4 位数码管显示，为了提高测量精度，我们选用了由多谐振荡器构成的分频器来把阻值范围再进行细化，使得测量更加精确。 总的来说，本设计的基本思路就是利用 555，将电阻的模拟信号转为数字信号，再用计数器进行计数，最后通过数码管译码、驱动、显示出来。对这个基本思路进行一系列细化、改进，最终就完成了本次设计。 第 13 页 L S 1 6 0 L S 1 6 0 L S 1 6 0 07 4 L S 1 6 0 9D C D _ H E 0D C D _ H E 1D C D _ H E 2D C D _ H E 3 L S 2 1 5 _ V I R T U A LT i m e e y = m m n e y = e y = A U 5 V V V D E 5 5 V V C 5 _ V I R T U A LT i m e e y = e y = n n D 5 L S 1 6 0 L S 1 6 0 L S 1 6 0 L S 1 6 0 e y = e y = e y = S p a c 17 4 L S 7 4 37 4 L S 7 4 57 4 L S 7 4 77 4 L S 7 4 87 4 L S 7 4 27 4 L S 7 4 47 4 L S 7 4 67 4 L S 7 4 L S 0 0 x t T r i g+_+_零端K e y = H 电路图 第 14 页 4 结束语 获及体会： 本次课程设计为期两周，中间还进行了一次专业英语的考试，加上本设计需要寻找大量的资料，时间其实还是比较紧迫的。这次设计是我们三个人一起完成的，刚开始大家思路很不一致，各有各的想法，最后经过商量讨论后确定了一个最优的设计方案。 通过这次课程设计，不仅提高了我们对知识的理解程度，同时也让我们认识到团队合作的重要性。一个人的知识肯定很有限，有想法提出来，大家一起完善丰富，期间产生了很多非常有创意的想法。所谓一人计短二人计长，也许就是这个道理吧 . 这次课程设计，我们组抽到的这个题特点是涵盖面很广，不仅有数电方面的知识还包括模电、电路等，因题目只给出了最后需要达到的效果及要求，因而可供思考的余地很宽，这也给了我们充分的发挥空间。 通过这次课程设计，我们深刻的认识到知识间的融会贯通很重要，学习知识就是为了使用，学得好不算什么，更重要的是要学以致用，将平时所学应用到日常生活中去，才是我们所要达到的目标。今年的课程设计给的题目都是经常使用的，平常都有所接触。就拿我们这组的题目来说，其实它的本质就是设计一个数字式的欧姆表。不管是单独的一个欧姆表还是万用表的其中一个功能，这都是我们经常使用的。这些我们都会使用，但其内部构造，设计原 理，设计理念等恐怕还真没几个人留意过。通过这次做课程设计，不仅加深了对这种测量仪器的了解，使得以后使用起来更加得心应手，也教给了我们一些基本的设计方法及要领，这无疑对我们以后是有很大帮助的。 到的问题及解决方案： 1、 数模转换 这个问题可以说是整个设计中最难的部分了。一开始我们想的是用 AD 转换来实现，可是没有学过，书本上也只是泛泛的讲解了一下，想要靠自学完全弄清楚，显然难度系数比较大，再说了时间也不允许。搜集了一些资料后发现用 555 也可以实现数模的转换，正好是刚学过的，遂转换思路用 555 实现数模的 转换。 第 15 页 2、 发光二极管的摆放位置 本设计要求用红绿发光二极管分别来表示不同的单位，红灯亮表示单位为 ，绿灯表示 开始想的是将这两个发光二极管和数码显示管的千位连接在一起，因为测量范围为 100可用最高位来控制发光二极管，为 0 时表示单位为 ，红灯亮，为 1 时表示单位为 灯亮。但最后发现这个方法不可行，因为这样产生的误差已将近 50%，远远大于规定的误差范围。经商讨后觉得可以将这两个二极管分别与两组电容连接，在大电容侧表示测量的是小电阻，单位为，红灯亮；与小电容侧连接表示测量的是大电阻，单位为 灯亮。验证后发现该方法切实可行。 3、仿真时发现 555 芯片烧坏了 进行仿真时发现在 555 芯片的 出现了被烧坏的现象，多次试验后现象仍存在，和其他组同学商量后发现他们组也存在类似的问题，不过重新换一个型号的管子后就可以了，遂果断决定换另一种型号的芯片，问题得到解决，出现这种现象的原因可能是芯片的耐压值太小造成的。 4、校正部分 刚开始时只是侧重于电路的设计，忽略了一个很重要的部分 本实验还特别要求所设计出来的欧姆表要可以进行校正，意识到还存在这个问题后，又着力于攻克它。因待测电阻值与单稳态触发器的脉冲宽度是呈线性关系的，因此不能在单稳态触发器中做改动，只能在多谐振荡器中做改动，一开始多谐中的各参数都是已经经过计算给定的，将其中的固定电阻换成滑线变阻器，先给定值，发现待测电阻值与显示管中的数值不一致时，进行手动调节。其实就相当于反馈部分，当输出出现偏差时反馈给输入，进行调节。这样校正部分也就实现了。 5、测量精度问题 总的电路设计出来后，仿真时发现存在严重的测量误差。分析后 发现问题应该是出在单稳态那一部分，我们当时的想法是通过 开与断来控制单稳态工作，老师告诉我们手动控制开关无法保证所给负脉冲的宽度，为 0 时间过长就会产生较大的测量误差，可换成常断开关。改进后发现误差有所减小，但还是不够理想，请教老师后，才发现是因为电路中阻值跃迁太大，换挡后一下子从 变成了 间有很多数值都无法测量出来，老师建议我们加一个分频电路将从多谐振荡器 第 16 页 处产生的波进行分频，这样就对所测量电阻进行了更加细致的划分。刚开始我们只