數(shù)字式電阻測試儀電路設(shè)計方案

第 1 頁 數(shù)字式電阻測試儀電路設(shè)計方案 1 系統(tǒng)概述 計思路： 數(shù)字式電阻測試儀的基本工作原理是將待測的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，在通過計數(shù)、譯碼，由數(shù)碼管直接將阻值顯示出來。本設(shè)計是通過 555 芯片與74片共同協(xié)作來完成的。接通電源后多諧振蕩器開始工作，此時給 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一個負(fù)脈沖，使其工作，產(chǎn)生的脈沖寬度為 輸出端相與后接 74數(shù)器，記錄的就是 度內(nèi)多諧產(chǎn)生的高電平個數(shù)。因待測電阻R 與單穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度 線性關(guān)系，給定參數(shù)后，高電平數(shù)即為待測電阻值。最后通過譯碼顯示，顯示出最終的結(jié)果。 計方案的分析與選擇： 本次設(shè)計要求進行電阻測量并將結(jié)果在數(shù)碼管上顯示出來，期間要進行單位的選擇，其實就是進行數(shù)字式歐姆表的設(shè)計。如何將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號成為本次設(shè)計的一個難點?？紤]到 555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以實現(xiàn)模數(shù)的轉(zhuǎn)換，因此我們決定采用 555 電路來完成。下面給出四種設(shè)計方案進行可行性分析： 方案一 ： 用場效應(yīng)管運算放大器和 AD 轉(zhuǎn) 換實現(xiàn)。 使用場效應(yīng)管運算放大器組成線性歐姆表電路。運算放大器的同向端接穩(wěn)壓二極管，輸出經(jīng)待測電阻 饋到反向輸入端，反向輸入端經(jīng)一電阻 R 接地。由于電流表的一端接在運算放大器的同向端，因此運算放大器輸出與待測電阻 正比。如果電流表滿量程則代表 。這樣待測電阻的阻值可以很容易的根據(jù) 需改變 R 值即可輕易獲得待測電阻值。將獲得的電阻值經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換后與數(shù)碼管連接，則數(shù)碼管顯示電阻值。 其電路基本原理圖如下圖所示： 場效應(yīng)管運算放大器 AD 轉(zhuǎn)換電路 譯碼 驅(qū)動顯示電路 第 2 頁 圖 案一原理圖 方案二： 利用橋式電路和 AD 轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。 待測電阻 R=1000,2,成一個電阻電橋，其中 用來完成校準(zhǔn)過程的。運算放大器的輸出電壓與（ （ R+正比，待測電阻大小可通過電壓表或電流表指示出來。 R 和 通過驅(qū)動指示燈 示，當(dāng) 000 時，運算放大器輸出低電平， ，否則 。也可以通過電表的正負(fù)指示電阻的大小。將測量出的電阻值通過 AD 轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)數(shù)制的轉(zhuǎn)換，并將其連接至數(shù)碼顯示管，最終的測量結(jié)果將在數(shù)碼管上顯示出來。其原理圖如下圖所示： 圖 方案二原理圖 方案三： 用 555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和 AD 轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。 根據(jù) 555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的基本工作原理可知，輸出脈沖寬度 電阻 R 有關(guān)系定 C 值， R 將與 正， R 的值可通過 示出來。將其通過 A6接，結(jié)果將在數(shù)碼顯示管上體現(xiàn)出來。 其原理圖如下圖所示： 橋式電路 AD 轉(zhuǎn)換電路 譯碼 驅(qū)動顯示電路 555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路 AD 轉(zhuǎn)換電路 譯碼 驅(qū)動顯示電路 第 3 頁 圖 方案四： 用 555 多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器， 74數(shù)器共同實現(xiàn)。 555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖寬度與電阻呈正相關(guān)，故阻值大小可通過脈沖寬度體現(xiàn)。給定多諧振蕩器的振蕩頻率。將多諧振蕩器的振蕩周期與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖寬度相與，結(jié)果作為計數(shù)脈沖，經(jīng)由 74，最終將在數(shù)碼管上顯示被測電阻值大小。 其原理圖如下所示 ： 圖 方案四原理圖 綜觀上述各設(shè)計方案，各有利弊。 方案一是用場效應(yīng)管和 AD 轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的，其優(yōu)點是校準(zhǔn)部分易于實現(xiàn)，不足之處在于數(shù)顯部分和 AD 轉(zhuǎn)換部分實現(xiàn)起來比較困難。 方案二是用橋式電路和 AD 轉(zhuǎn)換來完成，同樣的，校準(zhǔn)部分容易實現(xiàn)，但數(shù)顯和單位轉(zhuǎn)換， AD 轉(zhuǎn)換不易實現(xiàn)。 方案三用 555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和 AD 轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)起來存在類似的問題，仍是AD 轉(zhuǎn)換時存在困難。 方案四采用的是 555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器， 74160 共同實現(xiàn)的，將電阻信號轉(zhuǎn)化為方波信號。即由 0 和 1 組成的數(shù)字信號。這樣就解決了 AD 轉(zhuǎn)換時帶來555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 555 多諧振蕩器 74數(shù)器 譯碼 驅(qū)動 顯示電路 第 4 頁 的困難。綜合考慮各個因素我們最終確定了將方案四作為我們最終 的設(shè)計方案。 2 單元電路設(shè)計 55 單穩(wěn)態(tài)脈沖的產(chǎn)生 555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理為：接通電源瞬間， V,輸出 ,放電三極管 過 R 給 C 充電。當(dāng) 升到 2 時，比較器 出變?yōu)榈碗娖?，此時基本 發(fā)器置 0，輸出 。同時，放電三極管 T 導(dǎo)通，電容 C 放電，電路處于穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時 。 當(dāng)輸入負(fù)脈沖后，觸發(fā)器發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使 ，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。由于 ，三極管 T 截止，電源 通過 R 給 C 充電。當(dāng)電容 C 充電至 時，電路又發(fā)生反轉(zhuǎn)，輸出 ， T 導(dǎo)通，電容 C 放電，電路自動恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時間由 路參數(shù)決定，輸出脈沖寬度 其電路圖如下所示： 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 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理圖 第 5 頁 其中， 5V 的直流電壓源。 R 為待測電阻，用滑動變阻器實現(xiàn)電阻的調(diào)換。 1k 的定值電阻。 別為不同電容值的電容， 一組， 一組。 單刀雙擲開關(guān)，用來控制所測阻值單位，與 接時表示所測電阻單位為歐姆， ；與 接時表示所測電阻單位為千歐姆。 單刀單擲開關(guān)，用來給觸發(fā)器施加負(fù)脈沖。 產(chǎn)生的波形如下圖所示 ： 圖 55 多諧振蕩器波形的產(chǎn)生： 多諧振蕩器與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理很相似，都是通過電阻電容的充放電完成的。當(dāng)接通電源 ，電容 C 上的初始電壓為 0V，比較器 出為 1 和0，使 ，放電管 T 截止，電源通過 C 充電。 升至 2 時，發(fā)器被復(fù)位，使 ， T 導(dǎo)通，電容 C 通過 地放電， 始下降，當(dāng) 到 時，輸出 翻回到 1 狀態(tài)，放電管 T 截止，電容 C 又開始充電。如此周而復(fù)始，就可在 3 腳輸出矩形波信號。 電容 C 上的充電時間 放電時間 別為： 1+出矩形波的周期為： T=2=1+2 振蕩頻率： f=1/T=( 占空比： q=(2)/(如果 q=1,似為鋸齒波。 其電路圖如下所示： 第 6 頁 5 5 5 _ V I R T U A LT i m e e y = e y = n n D 555 多諧振蕩器的工作原理圖 產(chǎn)生的輸出波形如下所示： 圖 555 多諧振蕩器的輸出波形 諧與 74成的分頻電路 將多諧振蕩器的輸出作為 74觸發(fā)脈沖端，因 74十進制計數(shù)，即每輸入一個觸發(fā)脈沖，計數(shù)器跳轉(zhuǎn)一次。將四個 74行級聯(lián)，當(dāng)?shù)臀黄嫈?shù)十次，十位片計數(shù)一次。以此類推，個位片計數(shù)一百次，百位片計數(shù)一次，低位片計數(shù)一千次，千位片計數(shù)一次。將四個計數(shù)器的 引出，即可實現(xiàn)對輸入信號的四次分頻。 本設(shè)計中，當(dāng)給定多諧的頻率為 2，第一個分頻電路即 輸出頻率為 第 7 頁 1二個分頻電路即 輸出頻率為 100次 輸出頻率為 104 的輸出頻率為 1樣就實現(xiàn)了對輸出信號的四次分頻。 用第一個分頻電路來控制阻值范圍在 100 的電阻，第二個分頻電路用來控制組織在 100電阻，第三個分頻電路用來控制 1電阻，最后一個分頻電路用來控制 10電阻，這樣就將測量電阻進行了細(xì)化，使得測量更加精確。 電路圖如下所示： 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 頻電路圖 穩(wěn)態(tài)與分頻支路相與 將單穩(wěn)態(tài)與分頻電路的某一支分別作為 74輸入端，實現(xiàn)相與的功能，結(jié)果作為 74觸發(fā)脈沖。 如下所示： 第 8 頁 圖 相與后的波形如下圖所示： 圖 4數(shù) 本設(shè)計中的 74片是用于計數(shù)的，因最終結(jié)果要顯示四位，故要用四個74片來實現(xiàn)。單穩(wěn)態(tài)和分頻電路相與后產(chǎn)生的如圖 由其計數(shù)的。 由于 74十進制計數(shù)器，為使她能夠?qū)λ奈皇M制數(shù)進行計數(shù)，需將其拓展，即級聯(lián)。 74級聯(lián)方式很多，本設(shè)計中，我們使用低位片的進位，作為高位片的觸發(fā)脈沖來實現(xiàn)。即低位片每向高位進為一次，高位計數(shù)一次。由此可實現(xiàn) 10000 進制計數(shù)。 計時器的清零可通過開關(guān) 實現(xiàn)。將計數(shù)器的清零端即 時接到開關(guān)上。開關(guān)常開，即接 1。每當(dāng)需要更換電阻時，將開關(guān)閉合后打開，即為 0。以此實現(xiàn)計數(shù)器清零 74聯(lián)圖如下所示： 第 9 頁 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 數(shù)器級聯(lián)圖 鎖存器鎖存電路 本設(shè)計中的鎖存功能是通過 74現(xiàn)的。 D 觸發(fā)器具有鎖存功能，當(dāng) 鐘脈沖未到來時，觸發(fā)器出入端的狀態(tài)不影響輸出狀態(tài)。當(dāng) 沖到來時，觸發(fā)器輸出狀態(tài)與當(dāng)前時刻輸入端的狀態(tài)相同。 一個 74片中包含有兩個 D 觸發(fā)器，故要實現(xiàn)對從四個 74來的 16個二進制數(shù)的鎖存，需要 8 個 74片。為順利實現(xiàn)鎖存功能，考慮再三， 第 10 頁 我們決定，利用單穩(wěn)態(tài)的輸出脈沖來控制 8 個 74片。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生下降沿時，它的非為上升沿。因此，將單穩(wěn)態(tài)的輸出與 1 相與后，即對單穩(wěn)態(tài)的輸出求非后，作為 74觸發(fā)脈沖。每一個 D 觸發(fā)器可以實現(xiàn)一位鎖存，也就是說，對四輸出的 74一個芯片都需要兩個 74實現(xiàn)四位鎖存。因此， 實現(xiàn)對 四個數(shù)的鎖存， 來實現(xiàn)對 的數(shù)的鎖存， 現(xiàn)對 四個數(shù)的鎖存， 來實現(xiàn)對四個數(shù)的鎖存，這樣經(jīng)四個 74數(shù)的 16 個數(shù)就實現(xiàn)了鎖存。 74下圖所示： 0非門 鎖存器的連接圖如下所示： 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 存器連接圖 數(shù)碼管顯示 本設(shè)計所使用的數(shù)碼顯示管是 同時完成譯碼和顯示兩個功能。 用 第 11 頁 74160N 計數(shù)器計數(shù)后的信號輸入到數(shù)碼顯示管，顯示管內(nèi)的譯碼器先譯碼，然后通過與譯碼器相連的發(fā)光二極管，顯示出數(shù)字，從而就實現(xiàn)了數(shù)字顯示功能。 四位顯示最大能顯示到 9999，因此對于大于此量程的數(shù)據(jù)就不能記錄了，需要用一個報警裝置來提新用戶，當(dāng)數(shù)值超過量程時，就必須換擋位或者換別的儀器進行測量。 為了解決這個問題，我們設(shè)計了一個燈來充當(dāng)這個報警裝置，用一個與門連接四個 74160 與門的另一端接一個 555構(gòu)成的報警裝置，當(dāng)出現(xiàn) 9999時，蜂鳴器就發(fā)出報警聲，則表明待測電阻阻值過大，選擇的量程小了，應(yīng)該更換檔位。這同時也就實現(xiàn)了檔位的選擇調(diào)整。 數(shù)碼顯示管與報警裝置的連接圖如下所示： 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 圖 3 系統(tǒng)總述和總體電路圖 第 12 頁 統(tǒng)綜述 這次設(shè)計，我們使用了兩個 555，一個用來產(chǎn)生單脈沖，一個是多諧震蕩，能產(chǎn)生多諧振蕩的 555 電路，經(jīng)四個 74頻后，經(jīng)其中一個支路的輸出與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出信號通過 74現(xiàn)相與，再輸入到 74數(shù)器， 74數(shù)結(jié)果送至 74行鎖存，最后通過數(shù)碼顯示管顯示出來，數(shù)碼管顯示的數(shù)字即為電阻阻值。 至于為什么數(shù)碼管顯示的數(shù)字可以直接作為電阻阻值，其原理是： 555 產(chǎn)生單脈沖，其時間 一個時間長度，即為脈沖寬度。然后多諧振蕩產(chǎn)生連續(xù)的方波，其時間長度遠(yuǎn)小于單脈沖，即其脈沖寬度遠(yuǎn)小于單脈沖，單脈沖的脈沖寬度是多頻的整數(shù)倍。相與后輸出的脈沖個數(shù)就是 間內(nèi)脈沖的個數(shù)。電阻通過 555轉(zhuǎn)化為 輸出的就是 值。 根據(jù) 555 的性質(zhì)由相關(guān)公式 ，要測電阻就必須知道 R 的值，以測 出，而 C 的值我們將其設(shè)置為 1/樣， ，所以我們可以將數(shù)碼管顯示的數(shù)字直接作為電阻值。在單脈沖產(chǎn)生部分，我們之所以選擇兩個電容串聯(lián)作為一組電容而不是使用一個電容一組，是因為沒有以 1/個電容串聯(lián)后的電容 C 與兩個電容 間滿足 1/C=1/，所以我們選擇大小為 1 和 10 的電容串聯(lián)。 這次課程設(shè)計，要求測量的電阻阻值范圍為 100到 100且要求用 4 位數(shù)碼管顯示，為了提高測量精度，我們選用了由多諧振蕩器構(gòu)成的分頻器來把阻值范圍再進行細(xì)化，使得測量更加精確。 總的來說，本設(shè)計的基本思路就是利用 555，將電阻的模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，再用計數(shù)器進行計數(shù)，最后通過數(shù)碼管譯碼、驅(qū)動、顯示出來。對這個基本思路進行一系列細(xì)化、改進，最終就完成了本次設(shè)計。 第 13 頁 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 電路圖 第 14 頁 4 結(jié)束語 獲及體會： 本次課程設(shè)計為期兩周，中間還進行了一次專業(yè)英語的考試，加上本設(shè)計需要尋找大量的資料，時間其實還是比較緊迫的。這次設(shè)計是我們?nèi)齻€人一起完成的，剛開始大家思路很不一致，各有各的想法，最后經(jīng)過商量討論后確定了一個最優(yōu)的設(shè)計方案。 通過這次課程設(shè)計，不僅提高了我們對知識的理解程度，同時也讓我們認(rèn)識到團隊合作的重要性。一個人的知識肯定很有限，有想法提出來，大家一起完善豐富，期間產(chǎn)生了很多非常有創(chuàng)意的想法。所謂一人計短二人計長，也許就是這個道理吧 . 這次課程設(shè)計，我們組抽到的這個題特點是涵蓋面很廣，不僅有數(shù)電方面的知識還包括模電、電路等，因題目只給出了最后需要達到的效果及要求，因而可供思考的余地很寬，這也給了我們充分的發(fā)揮空間。 通過這次課程設(shè)計，我們深刻的認(rèn)識到知識間的融會貫通很重要，學(xué)習(xí)知識就是為了使用，學(xué)得好不算什么，更重要的是要學(xué)以致用，將平時所學(xué)應(yīng)用到日常生活中去，才是我們所要達到的目標(biāo)。今年的課程設(shè)計給的題目都是經(jīng)常使用的，平常都有所接觸。就拿我們這組的題目來說，其實它的本質(zhì)就是設(shè)計一個數(shù)字式的歐姆表。不管是單獨的一個歐姆表還是萬用表的其中一個功能，這都是我們經(jīng)常使用的。這些我們都會使用，但其內(nèi)部構(gòu)造，設(shè)計原 理，設(shè)計理念等恐怕還真沒幾個人留意過。通過這次做課程設(shè)計，不僅加深了對這種測量儀器的了解，使得以后使用起來更加得心應(yīng)手，也教給了我們一些基本的設(shè)計方法及要領(lǐng)，這無疑對我們以后是有很大幫助的。 到的問題及解決方案： 1、 數(shù)模轉(zhuǎn)換 這個問題可以說是整個設(shè)計中最難的部分了。一開始我們想的是用 AD 轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，可是沒有學(xué)過，書本上也只是泛泛的講解了一下，想要靠自學(xué)完全弄清楚，顯然難度系數(shù)比較大，再說了時間也不允許。搜集了一些資料后發(fā)現(xiàn)用 555 也可以實現(xiàn)數(shù)模的轉(zhuǎn)換，正好是剛學(xué)過的，遂轉(zhuǎn)換思路用 555 實現(xiàn)數(shù)模的 轉(zhuǎn)換。 第 15 頁 2、 發(fā)光二極管的擺放位置 本設(shè)計要求用紅綠發(fā)光二極管分別來表示不同的單位，紅燈亮表示單位為 ，綠燈表示 開始想的是將這兩個發(fā)光二極管和數(shù)碼顯示管的千位連接在一起，因為測量范圍為 100可用最高位來控制發(fā)光二極管，為 0 時表示單位為 ，紅燈亮，為 1 時表示單位為 燈亮。但最后發(fā)現(xiàn)這個方法不可行，因為這樣產(chǎn)生的誤差已將近 50%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)定的誤差范圍。經(jīng)商討后覺得可以將這兩個二極管分別與兩組電容連接，在大電容側(cè)表示測量的是小電阻，單位為，紅燈亮；與小電容側(cè)連接表示測量的是大電阻，單位為 燈亮。驗證后發(fā)現(xiàn)該方法切實可行。 3、仿真時發(fā)現(xiàn) 555 芯片燒壞了 進行仿真時發(fā)現(xiàn)在 555 芯片的 出現(xiàn)了被燒壞的現(xiàn)象，多次試驗后現(xiàn)象仍存在，和其他組同學(xué)商量后發(fā)現(xiàn)他們組也存在類似的問題，不過重新?lián)Q一個型號的管子后就可以了，遂果斷決定換另一種型號的芯片，問題得到解決，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是芯片的耐壓值太小造成的。 4、校正部分 剛開始時只是側(cè)重于電路的設(shè)計，忽略了一個很重要的部分 本實驗還特別要求所設(shè)計出來的歐姆表要可以進行校正，意識到還存在這個問題后，又著力于攻克它。因待測電阻值與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖寬度是呈線性關(guān)系的，因此不能在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中做改動，只能在多諧振蕩器中做改動，一開始多諧中的各參數(shù)都是已經(jīng)經(jīng)過計算給定的，將其中的固定電阻換成滑線變阻器，先給定值，發(fā)現(xiàn)待測電阻值與顯示管中的數(shù)值不一致時，進行手動調(diào)節(jié)。其實就相當(dāng)于反饋部分，當(dāng)輸出出現(xiàn)偏差時反饋給輸入，進行調(diào)節(jié)。這樣校正部分也就實現(xiàn)了。 5、測量精度問題 總的電路設(shè)計出來后，仿真時發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重的測量誤差。分析后 發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)該是出在單穩(wěn)態(tài)那一部分，我們當(dāng)時的想法是通過 開與斷來控制單穩(wěn)態(tài)工作，老師告訴我們手動控制開關(guān)無法保證所給負(fù)脈沖的寬度，為 0 時間過長就會產(chǎn)生較大的測量誤差，可換成常斷開關(guān)。改進后發(fā)現(xiàn)誤差有所減小，但還是不夠理想，請教老師后，才發(fā)現(xiàn)是因為電路中阻值躍遷太大，換擋后一下子從 變成了 間有很多數(shù)值都無法測量出來，老師建議我們加一個分頻電路將從多諧振蕩器 第 16 頁 處產(chǎn)生的波進行分頻，這樣就對所測量電阻進行了更加細(xì)致的劃分。剛開始我們只