数字电子技术课程设计 数字式电阻测量仪

1、电 子 技 术 课 程 设 计 数字式电阻测试仪专 业 :电子科学与技术 班 级 :32050902学 号 :32050902姓 名 :王康指导教师 :楚岩日 期 :2011年 12月 29日 前 言随着信息科学和计算机技术的迅速发展,电子技术的理论与应用得到飞跃发展。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

2、掌握。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。在数字电子技术在数字集成电路集成度越来越高的情况下,课程设计这门课不仅让我们加深了理 论的知识,更让我们认识了如何把学到的知识用于实践。课程设计中的如何测量电阻并数字显示量程又是各种电子电器线路与装置不可缺少的部分。电阻 的阻值,直接影响到电子电器线路与装

3、置的工作质量和效率。所以我们选择了这个有意义的课题作为 我们课程设计的题目 。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 录前言 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

4、 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 02 题目及摘要 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 04第一章 系统概述 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

5、 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 05 第一节 总体思想。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 05 第二节 各部分功能简介。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 05 第

6、三节 设计方案的分析与选择。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 06第二章 主要单元电路设计及分析论证 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 09第一节 555单稳态触发器。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 09 第二节 555多谐振荡器。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

7、 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 10 第三节 74LS290D 计数器。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 11 第四节 74LS75N 四位锁存器。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

8、。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 14 第五节 带译码器数码管显示器以及预警功能模块。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 16 第六节 简单调试要点。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 17 第三章 补充说明 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

9、。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 18 第四章 课设的收获 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 19附:设计总电路图。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 20 元器件明细表。 。

10、。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 21 鸣谢。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 22 参考文献。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

11、。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 22设计题目:初始条件:本设计可以使用在数模电理论课上学过或没学过的集成器件和必要的门电路,用数码管显示被测 电阻的数值。要求完成的主要任务: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。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

12、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,并提出本系统需要改进的地方及遇到的 困难。关键字 :电阻转化电压 555单稳态触发器 555多谐振荡器 74LS290D 74LS75N 数码显示 第一章 系统概述第一节 总体思想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、锁存、译码,由 数码管直接显示出阻值。 由 555触发器产生高电平单

13、脉冲和 cp 脉冲, 再利用 74ls290d 计数器对 Tw 内部脉冲个数进行计数,然后再通过译码显示,将阻值直接显示在数码管。其框图如下: 第二节 各部分功能简要介绍(1:555多谐振荡器产生 1000HZ 的方波。(2:555单稳态触发器在外加触发信号的触发下产生高电平单脉冲,其时间长度为 TW=1.1RC,将 此信号和 (1产生的 1KHZ 方波相与借以产生时间长度为 TW 的一段方波, 同时又将此输出信号求反后 作为四位锁存器 74LS75N 的使能控制信号。(3:74S08D将高电平的单脉冲和方波信号相与送入最低位计数器的 INA 端。(4:74LS290D用以计数出 TW 时间长

14、度内的脉冲个数,间接测量电阻值。(5:74LS75N将计数器不断变化的中间结果锁存起来,等待计数结束,等待使能信号有效。(6:将由锁存器输出的信号接收显示电阻测量结果。第三节 设计方案的分析与选择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

15、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。下面列出两种方案进行分析:方案一 利用 555单稳态触发器和 A/D转换器实现利用单稳或电容充放电规律等,可以把被测电阻量的大小转换成脉冲的宽窄,即脉冲的宽度 Tx 与 Rx 成正比。只要把此脉冲和频率固定不变的方(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

16、现测量电阻。其电路基本原理如图所示:方案二 利用 555单稳态触发器和 74LS290D 实现原理同方案一基本相同,原理图如图所示: 图 2 方案二原理图方案三 本设计方案图如下, 结合模数转换芯片 MC14433本身的特性, 为其提供电阻比较电路,如右图所示,两恒流源提供相等电流,两个标准电阻通过双掷开关选择,若模数转换器的标准电压和 输入电压用 Vo 和 Vi 表示,标准电阻和被测电阻分别用 RnRx 表示,则其显示值满足下式:N=1999*Vi/Vo=1999*Rx/Rn这表明显示值 N 仅取决于 Rx 和 Rn 的比例, 故称之为比例法。 式中 Rx 的单位根据 n 的值选 定。接入不

17、同阻值的标准电阻,并利用单刀双掷开关选择 Rn 的值,可得到想要的量程。标准电 阻与量程的对应关系如下:图 5 方案 4原理图表 1 标准电阻与量程对应关系 方案四 :把三角波输入给微分电路 把被测电阻作为微分电阻 , 在电路参数合适的条件下, 微分电路的输出幅 度与 Rx 成正比, 再经过峰值检测电路或精密整流及滤波电路, 可以得到与 Rx 成正比的直流电压 Vx 、 然后再进行 A /D 转换,送给数字显示器,便可通过测电压来测电阻。这种设想如图 l 1所示,图中 的 A /D 转换器可采用数字仪表中常用的 MC14433. 图中压控振荡器输出矩形波,它的频率 fx 与 Vx 成正比,而

18、Vx 与被测电阻 Rx 成正比,因此 fx 与 Vx 成正比。在计数控制时间 To 等参数合适的条件 下,数码显示器所显示的数字 N 就是 Rx 的大小。方案比较 :方案一:用 555构成的单稳态电路在正常工作条件下输出脉冲的宽度 Tx 与 Rx 的函数关系是: Tx=R*Cx*ln3所产生的时间误差可能达到百分之五,再加上其他原因产生的误差,测量是的时间延迟太大。方案二:方案二中的计数器通过计数 TW 时间长度内的脉冲个数来达到测量 R 值的方法, 优点是直观 简洁,缺点是计数耗时较久。方案三:本方案原理较易理解,实现也方便简单。测量精确,而且利用标准电阻的更换让测量更具有 灵活性。本电路还

19、有一个好处是,可以测量两个未知电阻的阻值。此时将一个被测电阻仍作为 Rx 接 入,另外一个作为 Rn 接入,则有:N=1999*Vi/Vo=1999*Rx1/Rx2对于标称值相同的两个电阻,其相对误差的表达式为 E=Rx1-Rx2*100%=(Rx1/Rx2-1 *100%因此, 将测量电阻比时的显示值减去 1,并用百分数表示,就是 Rx1Rx2的相对误差,其值一般再 0.1%10%之间。方案四:利用微分电路和整流、滤波、峰值检测电路将电阻转换成电压,回路复杂,而且不易换算。四种方案原理根本思想没有多大差别,但考虑到:(1:是由于无法找到熟悉的 A/D转换元件,并且我们对计数器的应用很简单熟悉

20、 ;(2:并且用相应的灯颜色表示单位, K 欧姆档亮绿灯,欧姆档亮红灯 ;(3:原理思想很容易理解。电路设计联结简单易行。最终选择了方案二。 主要单元电路设计及分析论证第一节 555单稳态触发器555定时器电路结构 555定时器功能表 基本原理 :利用电阻和电容的谐振来产生单频信号电路如图所示 其中, VCC 为 5V 电源, J1为触电开关, J2为单刀双掷开关, C2、 C3、 C4、 C5、 C6、为电容, R2为待测电阻, X1、 X2是两个发光二极管(X1是绿灯, X2是红灯 。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 、 10m

21、F 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, X2亮时,表明 J3打向左边,测小电阻(单位为欧 , X1亮时,表明开关打向右边,测 大电阻(单位为千欧 。 波形图如下 第二节 555多谐振荡器(1KHZ 方波基本原理:与 555单脉冲产生的原理相似, 也是利用电阻和电容的谐振来产生, 电容对 R1和 R2不断 进行充放电,从而实现多频震荡。 电路如下图所示 如图, R3、 R4、 C7、 C8及 555触发器

22、构成一个基本的多谐产生 器。电源 VCC 接通后,电容上的初 始电压为 0V ,比较器 C7、 C8输出分别为 “ 1” “ 0” ,放电管 T 截止,电源通过 R3、 R5向电容充电。 Uc 增大到 2VCC/3时, RS 触发器被复位,使 Uo=0, T 导通,电容 C7通过 R5放电,Uc开始下降,当 Uc 降低到 VCC/3时,输出 Uo 又返回到“ 1”状态,放电管 T 截止,电容 C7又开始充电。如此不 断循环, 就可以在 OUT 输出矩形信号。 根据充放电时间, 可求出矩形波的频率 f=1/T=1.44(R3+2R5*C7,这样既可得到 1KHz 的方波脉冲信号。根据相关公式和档

23、位要求,计算出需要选择的电阻阻值为 1440和 1440000, 用两个电阻串联构成所需要的电阻, 占空比 q=(R1+R2/(R1+2R2, 当占空比为 1时, 输出的是锯齿波,所以应注意选择两 个电阻的阻值。 波形如下: 第三节 74LS290D 计数器我们采用熟悉的功能强大的芯片 74LS290D 作为计数器主要是考虑到以后的拓展和更新,由于 74LS290D 芯片功能强大,结构复杂,所以其方便更新 ,功能拓展等多方面的优点。 74LS290D芯片符号图如下: 74LS290功能表如下: (74LS290DINAINB 对应于 CP0CP1, 其余 QA QB QC QD依次对应于 Q1

24、 Q2 Q3 Q4,R01 R02 R91 R92依次对应于 74LS290的 R01 R02 S91 S92 74LS290的一些基本用法如下(74LS290D 引脚相对应: 由于本课程设计我们采用十进制计数的方式,故我们采用图 (c所示连接方方式即:(1:每一片的 Q0(对应上图中 QA 均送至其 INB ; (2:由 555单稳态触发器以及 555多谐振荡器产生的波形相与后即芯片 74S08D 的输出信号送到74LS290D 的 INA (对应于图中的 QB 端;(3 :考虑到正常工作时 74LS290D 芯片的置九端和置零端应分别相与为零, 此时我们索性就将芯片 74LS290D 的所

25、有置九端均接地,使其无效;(4:对于 74LS290D 芯片的级联时候,我们将上一级芯片的最高位端 QD 送入下一级芯片的 INA , 相当于作为进位端使用;(5:VCC 端顺次接电源, GND 端顺次接地即可完成计数器联结工作。 (c(dQ 3Q 2Q 1Q 074LS290CP 1R 0(1R 0(2S 9(1S 9(2CP 0Q 3Q 2Q 1Q 074LS290CP 1R 0(1R 0(2S 9(1S 9(2CP 0(c(dQ 3Q 2Q 1Q 074LS290CP 1R 0(1R 0(2S 9(1S 9(2CP 0Q 3Q 2Q 1Q 074LS290CP 1R 0(1R 0(2S

26、9(1S 9(2CP 0(b(a(b(a(6:将四个 74LS290D 芯片的清零端接到手动清零输入端,每次即将开始测量时候,手动将开关 J2拨至高电平端。总之:这样我们的计数器即可完成将计数脉冲个 数不断实现计数,同 时不断将数据所存到 74LS75N 芯片数据输出端(在技术过程中, 74LS75N 芯片的输出使能端无效,即锁存器中的信号无法 输出到带译码器的七段数码显示管上,此间我们看不到数码管上的数码为“ 0000”。下图给出初始两级芯片的连接,另外两级遵循相同的联结方式。整体电路图将在附图中展示。 第四节 74LS75N 四位锁存器目的:我们系统的设计之所以考虑用锁存器主要是直接将计数

27、器输出端接到带译码器的七段数码显示 管输入端,数码管上的数码将会不停变化直至测出最后结果。 74LS75N 的引脚图如下: 引脚介绍:1D1 1D2 2D1 2D2依次为带锁存数据输入端; VCC,GND 端为电源端和接地端; 2LE 和 1LE 为输出使能端, 高电平有效; 1Q1 1Q2 2Q1 2Q2为在输出使能端有效时的数据输出端; 其余端口 1Q1 1Q2 2Q1 2Q2为数据输出端对应的反向输出端。功能表如下: 注解:L:电平低; H; 电平高 ;LE 端:使能端; Q:数据输出端; Qbar 为 Q 的反相输出端; *:无效由功能表知道要使输出端输出有效必须使得使能端为高电平。

28、为达到此目的, 我们经过仔细分析, 考虑到 555单稳态触发器的稳态为低电平,而其单脉冲为高电平,其脉冲宽度为 TW=1.1RC,这个单 脉冲和 555多谐振荡器的脉与后得到 TW 时间的脉冲波,在这段时间内由于其脉冲个数就是待测电阻 的数值 , 而且计数器刚好在这段时间将脉冲个数数完, 需要输出计数结果, 鉴于这样一种情况, 我们 将 555单稳态触发器作为一个控制器,控制 74LS75N 芯片使能的控制器,其输出作为控制信号。测量过程如下:(1:手动清零后,我们将单脉冲波求反后送给芯片 74LS75N 的输出使能端这样在触发信号产 生那一刻起,由于单稳态输出信号为高电平,经过芯片 74S0

29、4D 变为低电平,使能信号即为低电平, 使能无效, 74LS75无输出,数码管无数码显示。(2 :与此同时, 计数器不断计数, 并不断将变化的中间计数结果锁存与 74LS75N 芯片中储存好。 当 555单稳态触发器产生的单脉冲结束,计数器数完所有脉冲,单稳态输出为低电平,经过非门芯片 74S04D 求反后为高电平,使能有效,使能芯片将计数最终结果输出到带译码器的数码管上显示出结 果。(3完成测量,需要进行下一次测量时候,我们手动清零。第五节 带译码器数码管显示器以及预警电路将受使能控制信号控制的锁存器输出信号的高低位顺次联结到带译码器的四输入到七段数码显示管 上,即可在单稳态除触发器产生完单

30、脉冲后恰好将锁存器的最终锁存结果输入到数码显示管上直观显示出来。连接图如下图所示: 如上图连接方式 。采取从上往下 ,依次为个位,十位,百位,千位的读数方式。这主要是在连接计 数器的时候,我们所采取的级联方式决定的。所以也可以实现低位在下高位在上即从下往上,依次为 个位,十位,百位,千位的读数方式。此外, 我们有专门的报警电路, 用以告诉我们四个数码显示管上的显示值是否达到了最大值, 当灯 X3亮时候,我们知道达到测试最大值,这个时候主要用于我们对系统的量程进行更新换代时候所用。第六节 简单调试要点按照上述思路我们做了电路设计,联结后 ,在仿真调试的时候,却出现这样的问题:每次显示 的测试值总

31、是为真实值的一半。此时,我们仔细分析问题所在,最后决定将 555定时器的电容值全部改为原始值的 2倍,这样实 则是将 TW 变为以前的 2倍了, 这样, 在计数器的工作期间实则是在理论上多计数了一倍的脉冲个数, 自然测试值将会是以前显示值的 2倍,但测试值却达到我们的理想要求即每次显示的值总是实际值。 完成调试。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。 第三章 补充说明以下几点需要补充 :1:我们的电路运行时间相对较久, 可能需要几秒钟才能显示出测量值, 鉴于我们现在的专业知识

32、有限, 对电路运行速度改进上,我们还有很多不足的地方,希望以后在学习到更多的专业只是后我们能够达 成我们的愿望。2:我们在电路设计的时候, 有诸多不足的地方, 比如说电路的排版以及器件选择上尚未有丰富的经验, 比如说真正在做成成品的时候我们其实还需要考虑到很多的因素,比如说性价比,功耗等等。在此设 计中我们采用的芯片是 74LS290D 计数芯片,其主要原因是 290内部结构复杂,具有功能强大,方便 拓展,产品更新换代等多方面因素3:我们本想采用数模转换器的方法实现测量,但由于我们不能在 Multisim 元件库中找寻到需要的元 器件,这对我们的设计无疑是一块硬伤,为此我们只能另寻出路,不能坚持以前的思路,这是一大遗 憾。4:本电路由于标准电阻只选择了 100和 100k 两种,故量程不够大,精度也不够高(例如只不能提供 小数点后的一位数 ,但足可以满足设计要求。若想增大量程或者提高精度,电路的改建也十分简单, 只需更换标准电阻即可。 课设中的收获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