数电课程设计报告数字式电阻测试仪

1、电子技术课程设计报告 题 目 数字式电阻测试仪 学院（部） 专 业 班 级 学生姓名 学 号 12 月 19 日至 12 月 30 日 共 2 周 指导教师（签字） 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。设计共有三大组成部分：一是系统概述，本部分概括讲解了电路的设计思想和各部分功能；二是各单元所用器件、其性能和在电路中的功能。三是设计小结，这部分包括设计的完成情况，并提出本系统

2、需要改进的地方及遇到的困难。关键词 555 多谐振荡器 单稳态触发器 74ls160n 74175n技术要求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。 第一部分 系统综述1、 设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74ls160芯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tw，两输出端相与后接74ls160计数器，记录的就是

3、tw宽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tw呈线性关系，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。二、方案论证与选择为了用数字的办法测量电阻，首先需要将被测电阻值以某种方式输入ad转换器。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测样的电阻， 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干忧，在读数较大的情况下尤其如此；利用

4、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。 下面列出几中具体方案进行分析比较，最终选择得出方案：方案一 利用桥式电路和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

5、将在数码管上显示出来。其原理图如下图所示：译码 驱动显示电路ad转换电路桥式电路图1.1 方案一原理图方案二 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：场效应管运算放大器译码 驱动显示电路

6、ad转换电路 图1.2 方案二原理图方案三 利用施密特反相器构成方波发生电路，其输出脉冲宽度与被测电阻成正比，只要把此脉冲和频率固定不变的方波（以下称为时钟脉冲）相与，便可以得到计数脉冲，将它送给数字显示器。如果时钟脉冲的频率等参数合适，便可实现测量电阻。这种设想如图 所示，图中计数控制电路输出的脉冲宽度tx应与rx成正比。：译码 驱动显示电路施密特反相器构成的方波发生电路ad转换电路 图1.3 方案三原理图方案四 用555多谐振荡器和单稳态触发器以及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

7、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。555单稳态触发器74ls160计数器译码 驱动 显示电路555多谐振荡器图1.4 方案四原理图采用前几种ad转换电路的方法电路比较简单，由于对于ad转换芯片的不熟悉，故采用方案五用本学期刚学的555芯片和74ls160芯片第二部分 单元电路设计一、555单稳态脉冲的产生 上图是555定时器构成的单稳态触发器，其工作原理为：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

8、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，若忽略t的饱和压降，则电容c上电压从0上升到2ucc/3的时间，即输出脉冲宽度： tw=rcln3=1.1rc。当输出信号有高电平变成低电平时，555内部的放电三极管t导通，电容c通过t的放电，由于t饱和导通时电阻很小，因此电容电压迅速减小为0v，电路恢复到稳态状态，为

9、下次触发做好准备。在下图中,由于该触发器要求触发脉冲宽度要小于tw，并且输入ui的周期大于tw，所以在输入端接一个rc微分电路，使输入负脉冲经rc微分变窄后再接到单稳态触发器上。本次设计的单稳态触发器部分的电路图如下所示：其中，vcc为5v的直流电压源，j1为单刀双掷开关，j2为单刀单掷开关，rx为待测电阻，r2,r3为100的定值电阻，c1、c2、c3、c4、c7,c8分别为不同电容值的电容，c2、c4为一组，c7、c8为一组。x1、x2为发光二极管（x1是红灯，x3是绿灯）。待测电阻通过单刀双掷开关j1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，用来控制所测阻值单位，与c2、

10、c4连接时表示所测电阻单位为欧姆，x1亮；与c7、c8连接时表示所测电阻单位为千欧姆，x3亮。,j2为单刀单掷开关，当j2合上时给触发器施加负脉冲。r2和c3组成输入的rc微分电路，使输入负脉冲变窄。已经通过相关公式设置好了各元件参数：当被测电阻为x时，j1与c2、c4相连，tw=x ms当被测电阻为xk时，j1与c7、c8相连，tw=x ms所以不管所测电阻的大小，只要j1选择合适的量程，fw=1/x khz。产生的波形图如下图：二、555多频振荡的产生 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。555构成的多谐振荡器工作原理如下：当接通电源ucc后，电容c上

11、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)ct2=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)如果r1r2，则q=1,uc近似

12、为锯齿波。 本次设计的多谐振荡器如下图：输出波形如下：此多谐振荡器的输出频率f=1o khz,然后与单稳态触发器的输出相与，就能求出在脉冲宽度内的振荡个数，m=10/（1/x）=10x,即脉冲个数就是电阻数值的十倍。通过计算r6=2.886 khz r4=5.772khz c=10nf f=1.44/(r6+2r4)c=10 khz因为实际应用中会存在一定的误差，所以要加入校正部分，将其中的r6换成滑动变阻器，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。三、单频和多频相与基本原理：用7400来实现与的功能，让单脉冲和多频震荡的脉冲相与后再输 入到74ls160中。 如图所示

13、： 相与后波形图如图：相与后就能得到在脉冲宽度内的振荡个数，m=10/（1/x）=10x,即脉冲个数就是电阻数值的十倍。再通过计数器就能得到r的阻值，精度为0.1四、74ls160计数本设计中的74ls160芯片是用于计数的，因最终结果要显示四位，故要用四个74ls160芯片来实现。单稳态和分频电路相与后产生的如上图所示的单脉冲的个数就是由其计数的。由于74ls160为十进制计数器，为使她能够对四位十进制数进行计数，需将其拓展，即级联。74ls160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。

14、计时器的清零可通过开关j6来实现。将计数器的清零端即roc、同时接到开关上。开关常即接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 。74ls160级联图如右所示：五、锁存器锁存电路本设计中的锁存功能是通过74175n实现的。一个74175n芯片中包含有四个d触发器，d触发器具有锁存功能 要实现对从四个74ls160出来的16个二进制数的锁存，需要4个74175n芯片。利用单稳态的输出脉冲来控制4个74175n芯片。将单稳态的输出取反后，作为74175n的触发脉冲。每一个d触发器可以实现一位锁存，也就是说，对四输出的74ls160，每一个芯片都需要一个74175n来实现

15、四位锁存。 图2.9.与非门锁存器的连接图如下所示：六、数码管显示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。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，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

16、下所示：三、系统综述一、 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，一个是多谐震荡，能产生多谐振荡的555电路，经四个74ls160分频后，经其中一个支路的输出与单稳态触发器的输出信号通过74ls09实现相与，再输入到74ls160计数器，74ls160计数后，计数结果送至74ls74进行锁存，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

17、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，为

18、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。整体电路图：仿真图 第四部分 结束语一.收获和体会 两周时间的课程设计，中间有三门考试，算起来只有一周的时间，不过总算是结束了。电路也设计出来了，从仿真的结果看，测量有些小误差，不过还算可以。本次课设体会与其他几次课设最大的不同之处在于作品是几个人共同协作的成果。这种合作方式既有缺点又有优点。优点是各个人共同寻找资料、设

19、计整体思路及各个单元模块的搭建，能提高效率，且将不同的方案从各个方面还有整体上进行分析对比，更有利于找到最优的解决方案。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，对各个模块的划分以及具体功能有了具体的分配。但是同时，三个人的工作分配、意见的统一也为设计带来了另一方面的问题。总之，此次课程设计首先锻炼的是我们的团结合作的能力。第二方面，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。特别是我们这一组的题目，很难找到相似程度很大的资料，我们只能靠自己所学的基础知识自己解决问题。刚开

20、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，弄清楚眉目。正是由于分配给我们的难题，一来锻炼了我们自主学习的能力 ，而来培养了我们迎难而上的精神。我们找到了一些关于电压表设计的资料，所以我们所面临的问题的关键在于怎么将测电压的知识搬移到测电阻上面。经过了思考和讨论，最终找到了我们能力范围之内的可行方案。第三方面，正如其他的课设一样，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

21、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，是一个有难度但更有喜悦和收获的过程，收获的是知识，喜悦的是我们收获知识的能力！二、存在的问题待添加的隐藏文字内容21.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

22、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、缺点和改进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。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

23、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鸣谢次课程设计在设计过程中得到楚岩，张菁老师的悉心指导，并为我们指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励，同时教会了我许多的关于以后的学习、工作和科研方面应该如何去做。感

24、谢邓秋霞老师等教授我们基础知识，她细心指导我的学习与设计，在此，我要向诸位老师表示深深的感谢。我们还感谢电控学院的诸位老师为我们提供了良好的设计条件，让我们顺利完成此次课程设计。 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】 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元器件明细表，附图序号名称型号参数数量参数1恒定电流源vcc1个5v2电容c1、c5、c63个10nf3电容c81个10uf4电容c21个1mf6电容c41个10mf7电容c7、c31个1uf855555

25、5-timer-rated2个9与门7400n1个2脚10与门4802bd1个4脚11发光二极管dcd-hex4个4脚1274160n741604个4脚输出13单掷开关key2个c14双掷开关key1个b15滑动电阻r61个05k16电阻r11个1k17电阻r2，r3，r51个10018电阻r41个5.772k1974175n741754d555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（

26、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）74160，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