數(shù)字式電阻測試儀論文

1、數(shù)字式電阻測試儀論文目錄摘要21 系統(tǒng)概述3 1.1設計思路3 1.2設計方案的分析與選擇32單元電路設計與分析6 2.1 555單脈沖的產生6 2.2 555多諧振蕩器波形的產生7 2.3 多諧與74LS160組成的分頻電路8 2.4 單穩(wěn)態(tài)與分頻支路相與9 2.5 74LS160計數(shù)和鎖存顯示103 系統(tǒng)總述和總體電路圖14 3.1整體電路圖14 3.2系統(tǒng)綜述154 結束語16 4.1 收獲及體會16 4.2 遇到的問題及解決方案16致謝18參考文獻19摘要：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。數(shù)字化測量儀器較模擬

2、儀器具有使用方便，測量精確等優(yōu)點。本次課程設計是針對數(shù)字式電阻測試儀的設計，介紹了數(shù)字式電阻測試儀的設計方案及其基本原理，并著重介紹了數(shù)字式電阻測試儀各單元電路的設計思路，原理及整體電路的的工作原理，控制器件的工作情況。關鍵字：555 多諧振蕩器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74LS160N 1系統(tǒng)概述1.1設計思路：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。本設計是通過555芯片與74LS160芯片共同協(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)器一個負脈沖，使其工作，產生的脈沖寬度為Tw，兩輸出端相與后接74LS1

3、60計數(shù)器，記錄的就是Tw寬度內多諧產生的高電平個數(shù)。因待測電阻R與單穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度Tw呈線性關系，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，顯示出最終的結果。1.2設計方案的分析與選擇： 本次設計要求進行電阻測量并將結果在數(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)字式歐姆表的設計。如何將模擬信號轉換為數(shù)字信號成為本次設計的一個難點。考慮到555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以實現(xiàn)模數(shù)的轉換，因此我們決定采用555電路來完成。下面給出四種設計方案進行可行性分析：方案一：用場效應管運算放大器和AD轉換實現(xiàn)。 使用場效應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

4、待測電阻Rx反饋到反向輸入端，反向輸入端經一電阻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Rx成正比。如果電流表滿量程則代表Rx=R。這樣待測電阻的阻值可以很容易的根據(jù)R來確定，只需改變R值即可輕易獲得待測電阻值。將獲得的電阻值經AD轉換后與數(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：場效應管運算放大器AD轉換電路譯碼 驅動顯示電路 圖1.1 方案一原理圖方案二：利用橋式電路和AD轉換實現(xiàn)。 待測電阻Rx和R=1000,R1,R2,P1組成一個電阻電橋，其中P1是用來完成校準過程的。運算放大器的輸出電壓與（R-Rx）/（R+Rx）成正比，待測

5、電阻大小可通過電壓表或電流表指示出來。R和Rx可通過驅動指示燈LED1和LED2顯示，當R大于1000時，運算放大器輸出低電平，LED1亮，否則LED2亮。也可以通過電表的正負指示電阻的大小。將測量出的電阻值通過AD轉換電路實現(xiàn)數(shù)制的轉換，并將其連接至數(shù)碼顯示管，最終的測量結果將在數(shù)碼管上顯示出來。其原理圖如下圖所示：譯碼 驅動顯示電路AD轉換電路橋式電路圖1.2. 方案二原理圖方案三：用555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和AD轉換實現(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Tw與電阻R有關系Tw=1.1RC,給定C值，R將與Tw成正，R的值可通過Tw指示出來。將其通過AD轉換后與76LS1

6、60連接，結果將在數(shù)碼顯示管上體現(xiàn)出來。其原理圖如下圖所示：譯碼 驅動顯示電路555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路AD轉換電路 圖1.3.方案三原理圖方案四：用555多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，74LS160計數(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，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，結果作為計數(shù)脈沖，經由74LS160后，最終將在數(shù)碼管上顯示被測電阻值大小。555多諧振蕩器555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器其原理圖如下所示：74LS160計數(shù)器譯碼 驅動 顯示電路 圖1.4. 方案四原理圖綜觀上述各設計方案，各有利弊。 方案一是用場

7、效應管和AD轉換實現(xiàn)的，其優(yōu)點是校準部分易于實現(xiàn)，不足之處在于數(shù)顯部分和AD轉換部分實現(xiàn)起來比較困難。方案二是用橋式電路和AD轉換來完成，同樣的，校準部分容易實現(xiàn)，但數(shù)顯和單位轉換，AD轉換不易實現(xiàn)。方案三用555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和AD轉換，實現(xiàn)起來存在類似的問題，仍是AD轉換時存在困難。 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轉換時帶來的困難。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 的設計方案。2單元電路設計2.1 555單穩(wěn)態(tài)脈沖的產生 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理為：接通電源瞬間，U

8、c=0V,輸出Uo=1,放電三極管T截止。Ucc通過R給C充電。當Uc上升到2Ucc/3時，比較器C1輸出變?yōu)榈碗娖剑藭r基本RS觸發(fā)器置0，輸出Uo=0。同時，放電三極管T導通，電容C放電，電路處于穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時Ui=1。 當輸入負脈沖后，觸發(fā)器發(fā)生旋轉，使Uo=1，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。由于Uo=1，三極管T截止，電源Ucc可通過R給C充電。當電容C充電至Uc=2Ucc/3時，電路又發(fā)生反轉，輸出Uo=0，T導通，電容C放電，電路自動恢復至穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時間由RC電路參數(shù)決定，輸出脈沖寬度Tw=1.1RC。其電路圖如下所示：圖2.1.555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理圖 其中，Vcc為5V的直流電壓源。R

9、為待測電阻，用滑動變阻器實現(xiàn)電阻的調換。R2為1k的定值電阻。C3、C4、C5、C6、C7分別為不同電容值的電容，C3、C4為一組，C5、C6為一組。J1為單刀雙擲開關，用來控制所測阻值單位，與C3、C6連接時表示所測電阻單位為歐姆，X1亮；與C2、C7連接時表示所測電阻單位為千歐姆。J2為單刀單擲開關，用來給觸發(fā)器施加負脈沖。產生的波形如下圖所示：圖2.2.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖2.2 555多諧振蕩器波形的產生： 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。當接通電源Ucc后，電容C上的初始電壓為0V，比較器C1、C2輸出為1和0，使Uo=1，放電管T截止，電源通

10、過R1、R2向C充電。Uc上升至2Ucc/3時，RS觸發(fā)器被復位，使Uo=0，T導通，電容C通過R2到地放電，Uc開始下降，當Uc降到Ucc/3時，輸出Uo又翻回到1狀態(tài)，放電管T截止，電容C又開始充電。如此周而復始，就可在3腳輸出矩形波信號。電容C上的充電時間T1和放電時間T2分別為：T1=0.7(R1+R2)C T2=0.7R2C輸出矩形波的周期為：T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C 振蕩頻率：f=1/T=1.44/(R1+2R2)C 占空比：q=(R1+R2)/(R1+2R2) 如果R1>>R2，則q=1,Uc近似為鋸齒波。其電路圖如下所示：圖2.3.555多諧振蕩器的

11、工作原理圖產生的輸出波形如下所示： 圖2.4. 555多諧振蕩器的輸出波形2.3多諧與74LS160組成的分頻電路 將多諧振蕩器的輸出作為74LS160的觸發(fā)脈沖端，因74LS160為十進制計數(shù)，即每輸入一個觸發(fā)脈沖，計數(shù)器跳轉一次。將四個74LS160進行級聯(lián)，當?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QA端引出，即可實現(xiàn)對輸入信號的四次分頻。 本設計中，當給定多諧的頻率為2MHz時，第一個分頻電路即U1的輸出頻率為1MHz，第二個分頻電路即U2的輸出頻率為100KHz,依次U3的輸出頻率為10KHz，U4的

12、輸出頻率為1KHz,這樣就實現(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100-1K的電阻，第三個分頻電路用來控制1K-10K的電阻，最后一個分頻電路用來控制10K-100K的電阻，這樣就將測量電阻進行了細化，使得測量更加精確。電路圖如下所示：圖2.5.分頻電路圖2.4單穩(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74LS09的輸入端，實現(xiàn)相與的功能，結果作為74LS160的觸發(fā)脈沖。如下所示：圖2.6.與門相與后的波形如下圖所示：圖2.7.與門輸出波形圖2.5 74LS160計數(shù) 本設計中的74LS160芯片是用于計數(shù)的，因

13、最終結果要顯示四位，故要用四個74LS160芯片來實現(xiàn)。單穩(wěn)態(tài)和分頻電路相與后產生的如圖2.7.所示的單脈沖的個數(shù)就是由其計數(shù)的。由于74LS160為十進制計數(shù)器，為使她能夠對四位十進制數(shù)進行計數(shù)，需將其拓展，即級聯(lián)。74LS160得級聯(lián)方式很多，本設計中，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J6來實現(xiàn)。將計數(shù)器的清零端即ROC同時接到開關上。開關常開，即接1。每當需要更換電阻時，將開關閉合后打開，即為0。以此實現(xiàn)計數(shù)器清零74LS160級聯(lián)圖如下所示：圖2.8.計數(shù)器級聯(lián)圖鎖存器鎖存電路

14、 本設計中的鎖存功能是通過74LS74實現(xiàn)的。D觸發(fā)器具有鎖存功能，當CP時鐘脈沖未到來時，觸發(fā)器出入端的狀態(tài)不影響輸出狀態(tài)。當CP脈沖到來時，觸發(fā)器輸出狀態(tài)與當前時刻輸入端的狀態(tài)相同。 一個74LS74芯片中包含有兩個D觸發(fā)器，故要實現(xiàn)對從四個74LS160出來的16個二進制數(shù)的鎖存，需要8個74LS74芯片。為順利實現(xiàn)鎖存功能，考慮再三，我們決定，利用單穩(wěn)態(tài)的輸出脈沖來控制8個74LS74芯片。當單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產生下降沿時，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74LS74的觸發(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74LS160，每

15、一個芯片都需要兩個74LS74來實現(xiàn)四位鎖存。因此，U11和U12來實現(xiàn)對U7中四個數(shù)的鎖存，U13和U14用來實現(xiàn)對U8中的數(shù)的鎖存，U15和U16實現(xiàn)對U9中四個數(shù)的鎖存，U17和U18用來實現(xiàn)對U10中四個數(shù)的鎖存，這樣經四個74LS160計數(shù)的16個數(shù)就實現(xiàn)了鎖存。74LS00可實現(xiàn)與非功能，如下圖所示：圖2.9.與非門鎖存器的連接圖如下所示：圖2.10.鎖存器連接圖數(shù)碼管顯示 本設計所使用的數(shù)碼顯示管是DCD-HEX，可同時完成譯碼和顯示兩個功能。用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

16、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，我們設計了一個燈來充當這個報警裝置，用一個與門連接四個74160N的進位端，即RCO端，在與門的另一端接一個555構成的報警裝置，當出現(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，應該更換檔位。這同時也就實現(xiàn)了檔位的選擇調整。數(shù)碼顯示管與報警裝置的連接圖如下所示：圖2.11.數(shù)碼顯示管聯(lián)結圖3系統(tǒng)總述和總體電路圖3.1系統(tǒng)綜述 這次設計，我們使用了兩個555，一個用來產生單脈沖，一個是多諧

17、震蕩，能產生多諧振蕩的555電路，經四個74LS160分頻后，經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74LS09實現(xiàn)相與，再輸入到74LS160計數(shù)器，74LS160計數(shù)后，計數(shù)結果送至74LS74進行鎖存，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產生單脈沖，其時間Tw為一個時間長度，即為脈沖寬度。然后多諧振蕩產生連續(xù)的方波，其時間長度遠小于單脈沖，即其脈沖寬度遠小于單脈沖，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Tw時間內脈沖的個數(shù)。電阻通過555轉化為Tw，而輸出的就是Tw的值。

18、根據(jù)555的性質由相關公式Tw=1.1RC知，要測電阻就必須知道Tw和R的值，Tw可以測出，而C的值我們將其設置為1/1.1，這樣，Tw=R，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1/1.1為數(shù)值大小的電容。兩個電容串聯(lián)后的電容C與兩個電容C1和C2之間滿足1/C=1/C1+1/C2，所以我們選擇大小為1和10的電容串聯(lián)。 這次課程設計，要求測量的電阻阻值范圍為100到100K，并且要求用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成的分頻器來把阻值范圍再進行細化，使得測量更加精確

19、。 總的來說，本設計的基本思路就是利用555，將電阻的模擬信號轉為數(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、驅動、顯示出來。對這個基本思路進行一系列細化、改進，最終就完成了本次設計。3.2總體電路圖 圖3.1.總電路圖4結束語4.1收獲及體會： 本次課程設計為期兩周，中間還進行了一次專業(yè)英語的考試，加上本設計需要尋找大量的資料，時間其實還是比較緊迫的。這次設計是我們三個人一起完成的，剛開始大家思路很不一致，各有各的想法，最后經過商量討論后確定了一個最優(yōu)的設計方案。 通過這次課程設計，不僅提高了我們對知識的理解程度，同時也讓我們認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

20、，大家一起完善豐富，期間產生了很多非常有創(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。 通過這次課程設計，我們深刻的認識到知識間的融會貫通很重要，學習知識就是為了使用，學得好不算什么，更重要的是要學以致用，將平時所學應用到日常生活中去，才是我們所要達到的目標。今年的課程設計給的題目都是經常使用的，平常都有所接觸。就拿我們這組的題目來說，其實它的本質就是設計一個數(shù)字式的歐姆表。不管是單獨的一個歐姆表還是萬用

21、表的其中一個功能，這都是我們經常使用的。這些我們都會使用，但其內部構造，設計原理，設計理念等恐怕還真沒幾個人留意過。通過這次做課程設計，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手，也教給了我們一些基本的設計方法及要領，這無疑對我們以后是有很大幫助的。4.2遇到的問題及解決方案：1、數(shù)模轉換 這個問題可以說是整個設計中最難的部分了。一開始我們想的是用AD轉換來實現(xiàn)，可是沒有學過，書本上也只是泛泛的講解了一下，想要靠自學完全弄清楚，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)模的轉換，正好是剛學過的，遂轉換思路用555實現(xiàn)數(shù)模的轉換。2、發(fā)光二

22、極管的擺放位置 本設計要求用紅綠發(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K。一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100-100K，故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K，綠燈亮。但最后發(fā)現(xiàn)這個方法不可行，因為這樣產生的誤差已將近50%，遠遠大于規(guī)定的誤差范圍。經商討后覺得可以將這兩個二極管分別與兩組電容連接，在大電容側表示測量的是小電阻，單位為，紅燈亮；與小電容側連接表示測量的是大電阻，單位為K，綠燈亮。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OUT端出現(xiàn)了

23、被燒壞的現(xiàn)象，多次試驗后現(xiàn)象仍存在，和其他組同學商量后發(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 剛開始時只是側重于電路的設計，忽略了一個很重要的部分-校正部分，因本實驗還特別要求所設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)都是已經經過計算給定的，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

24、的數(shù)值不一致時，進行手動調節(jié)。其實就相當于反饋部分，當輸出出現(xiàn)偏差時反饋給輸入，進行調節(jié)。這樣校正部分也就實現(xiàn)了。5、測量精度問題 總的電路設計出來后，仿真時發(fā)現(xiàn)存在嚴重的測量誤差。分析后發(fā)現(xiàn)問題應該是出在單穩(wěn)態(tài)那一部分，我們當時的想法是通過J2的開與斷來控制單穩(wěn)態(tài)工作，老師告訴我們手動控制開關無法保證所給負脈沖的寬度，為0時間過長就會產生較大的測量誤差，可換成常斷開關。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K，中間有很多數(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處產生的波進行分頻，這樣就對所測量電阻進行了更加細致的劃分。剛開始我們只有兩個檔位，和K，加分頻電路后變成了四個檔位，100，1K，10 K和100 K，這樣