数字式电阻测试仪.docx

长 安 大 学电子技术课程设计课题名称:数字式电阻测试仪班 级： 姓 名： 指导教师： 日 期 ：年 月 日前言 现如今，信息正是一个高度发展的产业，而数字技术是信息的基础，数字技术是目前发展最快的技术领域之一，数字技术在数字集成电路集成度越来越高的情况下，开发数字系统的使用方法和用来实现这些方法的工具已经发生了变化，但大规模集成电路中的基本模块结构仍然需要基本单元电源电路的有关概念，因此用基本逻辑电路来组成大规模或中规模地方法仍然需要我们掌握。二进制数及二进制代码是数字系统中信息的主要表示形式，与，或，非三种基本逻辑运算是逻辑代数的基础，相应的逻辑门成为数字电路中最基本的元件。数字电路的输入，输出信号为离散数字信号，电路中电子元器件工作在开关状态。除此之外，由与，或，非门构成的组合逻辑功能器件编码器，译码器，数字分配器，数字选择器，加法器，比较器以及触发器是常用的器件。与模拟技术相比，数字技术具有很多优点，这也是数字技术取代模拟技术被广泛使用的原因。 优点有如下：（1） 数字系统容易设计。数字系统采用开关电路，开关电路中的电压和电流得值不重要，重要的是变化范围。（2） 信息存储方便。（3） 整个系统的准确度及精度容易保持一致。（4） 数字电路的抗干扰能力强。（5） 大多数数字电路能制造在集成电路芯片上。 本报告介绍了测量电阻的各个组成部分。而每个部分的电路又阐述了电路的工作原理，元器件选择及制作方法等，具有电路新颖，实用性强，易于制作等特点。在数字式电阻测试仪的设计中，各个部件将用到不同的数字基本逻辑单元和组合逻辑器件，集成芯片也会出现在电路中。本课程设计过程中参考或引用了国内外各种书刊中的相关资料，在此向这些技术资料的原作者表示感谢。由于我们知识水平有限，时间有限，精力有限，所以在设计过程中难免有许多不足之处，敬请老师谅解并提出宝贵的意见。目 录数字式电阻测试仪摘要：数字化测量仪器较模拟仪器具有使用方便，测量精确等优点。本次课程设计是针对数字式电阻测试仪的设计，介绍了数字式电阻测试仪的设计方案及其基本原理，并着重介绍了数字式电阻测试仪各单元电路的设计思路，原理及整体电路的的工作原理，控制器件的工作情况。关键词：电阻转化电压 555单稳态触发器 74160N 数码显示。设计要求：1. 被测电阻值范围100100k；2. 四位数码管显示被测电阻值；3. 分别用红、绿色发光二极管表示单位；4. 具有测量刻度校准功能。 第一章 系统概述一、设计思路 数字式电阻测试仪的基本原理是将待测的数字信号转化为模拟信号，再通过计数、译码，由数码管直接显示出阻值。由555触发器产生单脉冲和多频振荡器，再利用74160N计数器对单脉冲个数进行计数，然后再通过译码显示，将阻值直接显示在数码管上。二、设计方案的分析与选择 想要实现待测电阻的数字式测量，最主要的是将待测电阻相关的模拟信 号转换为数字信号。我们利用的是555单稳态触发器来实现这点。知道555单稳态触发器能实现数模转换后，最关键的就是将待测电阻阻值的模拟信号以何种方式输入到555单稳态触发器中。根据测量原理的不同，其输入方法有很多，如直接法、电桥法和充放电法。各种办法都有相应的优缺点，例如充放电法及直接法均需求得被测样两端的电压与通过被测样的电流，利用欧姆定律从而得出被样的电阻， 电桥法则是利用电桥两端电位的平衡来得出被测样的电阻。其中利用直接法测得的电阻（如“ 摇表”）存在读数不精确等明显的人为因素忧，在读数较大的情况下尤其如此；利用充放电法测得的电阻阻值偏大；而利用电桥法测量，则存在电桥调节费时费力等不利因素。 下面列出四种方案进行可行性分析：方案一： 用555单稳态触发器和A/D转换器实现 根据555单稳态触发器的基本工作原理可知，输出脉冲宽度Tw与电阻R有关系Tw=1.1RC,给定C值，R将与Tw成正，R的值可通过Tw指示出来。将其通过AD转换后与76LS160连接，结果将在数码显示管上体现出来。其原理图如下图所示：译码 驱动显示电路AD转换电路555单稳态触发器电路 图1.1.方案一原理图方案二：用555多谐振荡器和单稳态触发器，74LS160计数器共同实现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74LS160后，最终将在数码管上显示被测电阻值大小。译码 驱动 显示电路74LS160计数器555多谐振荡器555单稳态触发器其原理图如下所示： 图1.2方案二原理图方案三：用桥式电路和AD转换实现待测电阻Rx和R=1000,R1,R2,P1组成一个电阻电桥，其中P1是用来完成校准过程的。运算放大器的输出电压与（R-Rx）/（R+Rx）成正比，待测电阻大小可通过电压表或电流表指示出来。R和Rx可通过驱动指示灯LED1和LED2显示，当R大于1000时，运算放大器输出低电平，LED1亮，否则LED2亮。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：AD转换电路桥式电路译码 驱动显示电路图1.3方案三原理图方案四：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Rx反馈到反向输入端，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Rx成正比。如果电流表满量程则代表Rx=R。这样待测电阻的阻值可以很容易的根据R来确定，只需改变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：译码 驱动显示电路AD转换电路场效应管运算放大器图1.4方案四原理图 这四个方案各有优缺点：方案一：用555单稳态触发器和AD转换，实现起来存在问题，AD转换时存在困难。方案二：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转换时带来的困难。方案三：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。方案四：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。综合考虑各个因素我们最终确定了将方案二作为我们最终 的设计方案。三、工作原理555单脉冲产生电路产生的脉冲和555多频振荡器产生的脉冲相与后74160N计数器计数后，再经过译码、驱动后，通过数码管显示出脉冲个数。基本原理是将电阻阻值转化为频率，然后测量出转化后的频率，最后根据一定的关系即可得出待测电阻阻值，设计过程中，设置好相应元件的参数，使数码显示管显示的数字即为待测电阻阻值。第二章 单元电路设计与分析一、555单稳态脉冲的产生基本原理：接通电源瞬间，Uc=0V,输出Uo=1,放电三极管T截止。Ucc通过R给C充电。当Uc上升到2Ucc/3时，比较器C1输出变为低电平，此时基本RS触发器置0，输出Uo=0。同时，放电三极管T导通，电容C放电，电路处于稳态，稳态时Ui=1。当输入负脉冲后，触发器发生旋转，使Uo=1，电路进入暂稳态。由于Uo=1，三极管T截止，电源Ucc可通过R给C充电。当电容C充电至Uc=2Ucc/3时，电路又发生反转，输出Uo=0，T导通，电容C放电，电路自动恢复至稳态。暂稳态时间由RC电路参数决定，输出脉冲宽度Tw=1.1RC。电容C的值我们将其设置为1/1.1, Tw=R，两个电容串联后的电容C与两个电容C1和C2之间满足1/C=1/C1+1/C2，所以我们选择大小为1和10的两个电容进行串联。其电路图如下所示：图2.1 555单稳态触发器的工作原理图其中，VCC为5V电源，J1为单刀双掷开关，J2为单刀单掷开关C1、 C2、C3、C4、C5为电容，R2为电阻，R1为待测电阻，X1、X2是两个发光二极管（X1是红灯，X2是绿灯）。待测电阻通过单刀双掷开关可分别与两组电容串联，与不同组电容串联可测不同大小的电阻，与1mF、10mF的这组电容串联的时候可测阻值相对小的电阻，与1F、10F这组电容串联的时候可测阻值相对大的电阻，开关打向不同组电容相当于选择不同档位。X1，X2两个指示灯可显示出单刀双掷开关连接的是哪组电容，即显示选择的测量档，当红灯（X1）亮时，表明J1打向左边，测小电阻，当绿（X2）亮时，表明开关打向右边，测大电阻。设计电路时，已经通过相关公式设置好了各元件参数，使得红灯亮时，数码管显示的数字单位为，绿灯亮时，单位为K。其产生的波形如下图所示：图2.2单稳态触发器波形图二、555多谐振荡器波形的产生基本原理：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Ucc后，电容C上的初始电压为0V，比较器C1、C2输出为1和0，使Uo=1，放电管T截止，电源通过R1、R2向C充电。Uc上升至2Ucc/3时，RS触发器被复位，使Uo=0，T导通，电容C通过R2到地放电，Uc开始下降，当Uc降到Ucc/3时，输出Uo又翻回到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T1和放电时间T2分别为：T1=0.7(R1+R2)C T2=0.7R2C输出矩形波的周期为：T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C振荡频率：f=1/T=1.44/(R1+2R2)C占空比：q=(R1+R2)/(R1+2R2)50%如果R1R2，则q=1,Uc近似为锯齿波。频率应当选择为1000Hz，有公式可得电阻阻值应设为1400K，所以我们选择240K和604K的两个电阻。由于要求有校准功能，可将240K和604K的电阻换成相应的滑动变阻器，以此来实现校准功能。 电路原理图如下所示：图2.3.555多谐振荡器的工作原理图产生的输出波形如下所示：图2.4. 555多谐振荡器的输出波形3、 单稳态和多谐相与基本原理：用7400N来实现相与的功能，让单脉冲和多频震荡的脉冲相与后再输入到74LS160中，。结果作为74LS160的触发脉冲。如图所示：图2.5与门相与后的波形如下图所示：图2.6与门输出波形图四、74160N计数器计数本设计中的74LS160N芯片是用于计数的，因最终结果要显示四位，故要用四个74LS160N芯片来实现。单稳态和多谐电路相与后产生的如图2.6所示的单脉冲的个数就是由其计数的。由于74LS160N为十进制计数器，为使其能够对四位十进制数进行计数，需将其拓展，即级联。74LS160N得级联方式很多，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。74LS160级联图如下所示：图2.7计数器级联图5、 数码显示管显示基本原理：用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。 本设计所使用的数码显示管是DCD-HEX，可同时完成译码和显示两个功能。用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醒用户，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74160N的进位端，即RCO端，在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：图2.8.数码显示管联结图第3章 系统综述、总体电路图一、 系统综述这次设计，我们使用了两个555，一个用来产生单脉冲，一个是能产生多谐振荡的555电路，与单稳态触发器的输出信号通过7400N实现相与，再输入到74LS160N计数器。74LS160N计数后，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Tw为一个时间长度，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Tw时间内脉冲的个数。电阻通过555转化为Tw，而输出的就是Tw的值。根据555的性质由相关公式Tw=1.1RC知，要测电阻就必须知道Tw和R的值，Tw可以测出，而C的值我们将其设置为1/1.1，这样，Tw=R，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1/1.1为数值大小的电容。两个电容串联后的电容C与两个电容C1和C2之间满足1/C=1/C1+1/C2，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100K，并且要求用4位数码管显示，所以我们设置了两个档位，测量范围分别为1009999和10K100K。因为有两个档位，所以电容也选择两组，分别对应档和K档，再分别连接上指示灯，具体前面单脉冲产生部分已经说明。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。二、总体电路仿真图第4章 结束语一、 收获及体会本次课程设计为期两周，由于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，我们三人相互讨论，相互交流，对课题的理解有了一致的想法。我们最终选择了相对合理的现行方案。总之，此次课程设计首先锻炼的是我们的团结合作的能力。这次课设较其他几门课设的另一个很大的区别是题目很宽，只告诉要求达到的功能，设计思路完全自由，没有提供模板或者其他线索，这也给了我们充分的发挥空间。刚开始完全不知道从哪下手，但是只有自己真正面对问题，不怕困难，才能一步一步地理清楚思路，弄清楚眉。本次课设提供了我们一个对所学理论知识融会贯通的机会。虽然以前接触过模数转换器，接触过译码器和LED，但从来没有亲自利用它们组装一个有目的的电路，所以这一过程中的芯片选用、电路原理、搭建方式，是超出课本上的理论知识范围的。对于一个新接触的芯片，由完全不了解，到了解它的功能、结构、接入方式。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。对于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。二、遇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。2、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-校正部分，因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。三、 缺点及改进电路中存在的一些不足：本电路设计方案中电阻的输入电路需要外界提供直流恒流源，对精度的要求相当高，这是本设计实现的一大难题。还存在一个难点就是测量电阻的精度问题，由于本设计采用的是记录在Tw时间内，多谐的高电平的个数，有可能计数时不是一个整的高电平，这样也会引起测量误差。不过经过我们多次仿真，误差均在允许范围内，故设计是合理的。本实验电阻和电容的参数非常重要，尤其是电容必须选取合理，否则就会导致测量结果误差非常大，因此必须注意。当出现较大误差时，应该选择改变电阻和电容，以调节误差。 对电路的一些改进：由555构成的单稳态触发器要求触发脉冲宽度要小于Tw，并且输入Ui的周期要大于Tw，如果输入脉冲宽度大于Tw,可在输入端接一个RC微分电路，是输入负脉冲经RC微分变窄后再接到单稳态触发器上。将最后用于提醒用户的警示灯可改接成用555构成的报警装置，为保险起见，可将其设置为扬声器发出声响的同时，警示灯亮，这样就避免了因个人原因造成的测量误差，对用户也是一个警示作用。参考文献【1】 林 涛主编.数字电子技术基础.北京:清华大学出版社,2006【2】 林 涛主编.模拟电子技术基础.重庆大学出版社，2003【3】 谢自美主编.电子线路设计实验测试(第三版).武汉:华中科技大学出版社,2006【4】 康华光主编.电子技术基础(第五版).北京:高等教育出版社,2006【5】 阎 石主编.数字电子技术基础(第四版).北京:高等教育出版社,1999【6】 刘福太主编.电子电路511例(黄版).北京:科学出版社,2007元器件明细表及附图序号名称型号参数数量参数1恒定电流源VCC2个5V2电容C5、C72个10nF3电容C41个10uF4电容C11个1mF5电容C61个1nF6电容C21个10mF7电容C31个1uF8555555-TIMER-RATED2个9与门7400N1个2脚10与门4082BD-10V1个4脚11数码显示管DCD-HEX4个4脚1274160N74160N4个4脚输出13单掷开关Key1个B14双掷开关Key1个A15滑动电阻R11个0100K16电阻R21个1K17电阻R31个240K18电阻R41个604K19PROBERED2个2.5V20PROBEGREEN1个2.5V555管脚图及其内部原理图 内部含有两个电压比较器，一个分压器，一个RS触发器，一个放电晶体管和一个功率输出级。 功能表如图所示 74160N管脚图及功能说明 引出端符号：TC 进位输出端CEP 计数控制端Q0Q3 输出端CET 计数控制端CP 时钟输入端（上升沿有效）/MR 异步清除输入端（低电平有效）/PE 同步并行置入控制端（低电平有效）74160N，是一个4位二进制的计数器，它具有异步清除端与同步清除端不同的是，它不受时钟脉冲控制，只要来有效电平，就立即清零，无需再等下一个计数脉冲的有效沿到来。具体功能如下：1.异步清零功能 只要（CR的非）有效电平到来，无论有无CP脉冲，输出为“0”。在图形符号中，CR的非的信号为CT=0，若接成七进制计数器，这里要特别注意，控制清零端的信号不是N-1（6），而是N（7）状态。其实，很容易解释，由于异步清零端信号一旦出现就立即生效，如刚出现0111，就立即送到（CR的非）端，使状态变为0000。所以，清零信号是非常短暂的，仅是过度状态，不能成为计数的一个状态。清零端是低电平有效。2.同步置数功能当（LD的非）为有效电平时，计数功能被禁止，在CP脉冲上升沿作用下D0D3的数据被置入计数器并