1、數(shù)字式電阻測試儀摘要數(shù)字化測量儀器較模擬儀器具有使用方便，測量精確等優(yōu)點(diǎn)。本次課程設(shè)計(jì)是針對數(shù)字式電阻測試儀的設(shè)計(jì)，介紹了數(shù)字式電阻測試儀的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)思路，原理及整體電路的的工作原理，控制器件的工作情況。設(shè)計(jì)共有三大組成部分：一是系統(tǒng)概述，概括講解了電路的設(shè)計(jì)思想和各部分功能；二是各單元所用器件的性能和在電路中的功能。三是設(shè)計(jì)小結(jié)，這部分包括設(shè)計(jì)的完成情況，并提出本系統(tǒng)需要改進(jìn)的地方及遇到的困難。關(guān)鍵字：555 多諧振蕩器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74LS160N 設(shè)計(jì)要求：1. 被測電阻值范圍100100k；2. 四位數(shù)碼管顯示被測電阻值；3.

2、分別用紅、綠色發(fā)光二極管表示單位；4. 具有測量刻度校準(zhǔn)功能。第一部分 系統(tǒng)概述一、設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)、譯碼，由數(shù)碼管直接將阻值顯示出來。本設(shè)計(jì)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(shí)給555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一個(gè)負(fù)脈沖，使其工作，產(chǎn)生的脈沖寬度為Tw，兩輸出端相與后接74LS160計(jì)數(shù)器，記錄的就是Tw寬度內(nèi)多諧產(chǎn)生的高電平個(gè)數(shù)。因待測電阻R與單穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度Tw呈線性關(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。二、設(shè)計(jì)方案的分析與選擇：本次設(shè)計(jì)要求進(jìn)

3、行電阻測量并將結(jié)果在數(shù)碼管上顯示出來，期間要進(jìn)行單位的選擇，其實(shí)就是進(jìn)行數(shù)字式歐姆表的設(shè)計(jì)。如何將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號成為本次設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)?？紤]到555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以實(shí)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(jì)方案進(jìn)行可行性分析：方案一：用場效應(yīng)管運(yùn)算放大器和AD轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。 使用場效應(yīng)管運(yùn)算放大器組成線性歐姆表電路。運(yùn)算放大器的同向端接穩(wěn)壓二極管，輸出經(jīng)待測電阻Rx反饋到反向輸入端，反向輸入端經(jīng)一電阻R接地。由于電流表的一端接在運(yùn)算放大器的同向端，因此運(yùn)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

4、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(yùn)算放大器AD轉(zhuǎn)換電路譯碼 驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。待測電阻Rx和R=1000,R1,R2,P1組成一個(gè)電阻電橋，其中P1是用來完成校準(zhǔn)過程的。運(yùn)算放大器的輸出電壓與（R-Rx）/（R+Rx）成正比，待測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(qū)動(dòng)指示燈LED1和LED2顯示，當(dāng)R大于1000時(shí)，運(yùn)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(fù)指示電阻的大小。將測量出的電阻值通過AD轉(zhuǎn)換

5、電路實(shí)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：橋式電路譯碼 驅(qū)動(dòng)顯示電路AD轉(zhuǎn)換電路圖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(zhuǎn)換實(shí)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(guān)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(zhuǎn)換后與76LS160連接，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：譯碼 驅(qū)動(dòng)顯示電路AD轉(zhuǎn)換電路555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路 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(jì)數(shù)器共同實(shí)現(xiàn)。555單穩(wěn)態(tài)觸

6、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(jì)數(shù)脈沖，經(jīng)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(jì)數(shù)器譯碼 驅(qū)動(dòng) 顯示電路 圖1.4. 方案四原理圖綜觀上述各設(shè)計(jì)方案，各有利弊。方案一是用場效應(yīng)管和AD轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的，其優(yōu)點(diǎn)是校準(zhǔn)部分易于實(shí)現(xiàn)，不足之處在于數(shù)顯部分和AD轉(zhuǎn)換部分實(shí)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(shí)現(xiàn)，但數(shù)顯和單位轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換不易實(shí)現(xiàn)。方案三用555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

7、和AD轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)起來存在類似的問題，仍是AD轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)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(shí)帶來的困難。綜合考慮各個(gè)因素我們最終確定了將方案四作為我們最終 的設(shè)計(jì)方案。第二部分 單元電路設(shè)計(jì)一、555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，Uc=0V,輸出Uo=1,放電三極管T截止。Ucc通過R給C充電。當(dāng)Uc上升到2Ucc/3時(shí)，比較器C1輸出變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)基本RS觸發(fā)器置0，輸出Uo=0。同時(shí)，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(shí)Ui=1。當(dāng)輸

8、入負(fù)脈沖后，觸發(fā)器發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使Uo=1，電路進(jìn)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(dāng)電容C充電至Uc=2Ucc/3時(shí)，電路又發(fā)生反轉(zhuǎn)，輸出Uo=0，T導(dǎo)通，電容C放電，電路自動(dòng)恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)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為待測電阻，用滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)電阻的調(diào)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(guān)，用來控制所測阻值單位，與C3、C6連接時(shí)表示所測電阻單位為歐

9、姆，X1亮；與C2、C7連接時(shí)表示所測電阻單位為千歐姆。J2為單刀單擲開關(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2.2.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖二、555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，電源通過R1、R2向C充電。Uc上升至2Ucc/3時(shí)，RS觸發(fā)器被復(fù)位，使Uo=0，T導(dǎo)通，電容C通過R2到地放電，Uc開始下降，當(dāng)Uc降到Ucc/3時(shí)，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(fù)始，就可在3腳輸出矩形

10、波信號。電容C上的充電時(shí)間T1和放電時(shí)間T2分別為：T1=0.7(R1+R2)CT2=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R1R2，則q=1,Uc近似為鋸齒波。其電路圖如下所示：圖2.3.555多諧振蕩器的工作原理圖產(chǎn)生的輸出波形如下所示： 圖2.4. 555多諧振蕩器的輸出波形三、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(jìn)制計(jì)數(shù)，即每輸入一個(gè)觸發(fā)脈沖，計(jì)數(shù)器跳轉(zhuǎn)一次。將四個(gè)74LS160進(jìn)行級

11、聯(lián)，當(dāng)?shù)臀黄?jì)數(shù)十次，十位片計(jì)數(shù)一次。以此類推，個(gè)位片計(jì)數(shù)一百次，百位片計(jì)數(shù)一次，低位片計(jì)數(shù)一千次，千位片計(jì)數(shù)一次。將四個(gè)計(jì)數(shù)器的QA端引出，即可實(shí)現(xiàn)對輸入信號的四次分頻。本設(shè)計(jì)中，當(dāng)給定多諧的頻率為2MHz時(shí)，第一個(gè)分頻電路即U1的輸出頻率為1MHz，第二個(gè)分頻電路即U2的輸出頻率為100KHz,依次U3的輸出頻率為10KHz，U4的輸出頻率為1KHz,這樣就實(shí)現(xiàn)了對輸出信號的四次分頻。用第一個(gè)分頻電路來控制阻值范圍在100的電阻，第二個(gè)分頻電路用來控制組織在100-1K的電阻，第三個(gè)分頻電路用來控制1K-10K的電阻，最后一個(gè)分頻電路用來控制10K-100K的電阻，這樣就將測量電阻進(jìn)行了細(xì)

12、化，使得測量更加精確。電路圖如下所示：圖2.5.分頻電路圖四、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(shí)現(xiàn)相與的功能，結(jié)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.與門輸出波形圖五、74LS160計(jì)數(shù)本設(shè)計(jì)中的74LS160芯片是用于計(jì)數(shù)的，因最終結(jié)果要顯示四位，故要用四個(gè)74LS160芯片來實(shí)現(xiàn)。單穩(wěn)態(tài)和分頻電路相與后產(chǎn)生的如圖2.7.所示的單脈沖的個(gè)數(shù)就是由其計(jì)數(shù)的。由于74LS160為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，為使她能夠?qū)λ奈皇M(jìn)制數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，需將其拓展，即級聯(lián)。74LS160得級聯(lián)方式很多，本設(shè)計(jì)中，我們使用低位片的

13、進(jìn)位，作為高位片的觸發(fā)脈沖來實(shí)現(xiàn)。即低位片每向高位進(jìn)為一次，高位計(jì)數(shù)一次。由此可實(shí)現(xiàn)10000進(jìn)制計(jì)數(shù)。計(jì)時(shí)器的清零可通過開關(guān)J6來實(shí)現(xiàn)。將計(jì)數(shù)器的清零端即ROC同時(shí)接到開關(guān)上。開關(guān)常開，即接1。每當(dāng)需要更換電阻時(shí)，將開關(guān)閉合后打開，即為0。以此實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器清零74LS160級聯(lián)圖如下所示：圖2.8.計(jì)數(shù)器級聯(lián)圖六、鎖存器鎖存電路本設(shè)計(jì)中的鎖存功能是通過74LS74實(shí)現(xiàn)的。D觸發(fā)器具有鎖存功能，當(dāng)CP時(shí)鐘脈沖未到來時(shí)，觸發(fā)器出入端的狀態(tài)不影響輸出狀態(tài)。當(dāng)CP脈沖到來時(shí)，觸發(fā)器輸出狀態(tài)與當(dāng)前時(shí)刻輸入端的狀態(tài)相同。一個(gè)74LS74芯片中包含有兩個(gè)D觸發(fā)器，故要實(shí)現(xiàn)對從四個(gè)74LS160出來的16個(gè)二

14、進(jìn)制數(shù)的鎖存，需要8個(gè)74LS74芯片。為順利實(shí)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(gè)74LS74芯片。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生下降沿時(shí)，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(gè)D觸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)一位鎖存，也就是說，對四輸出的74LS160，每一個(gè)芯片都需要兩個(gè)74LS74來實(shí)現(xiàn)四位鎖存。因此，U11和U12來實(shí)現(xiàn)對U7中四個(gè)數(shù)的鎖存，U13和U14用來實(shí)現(xiàn)對U8中的數(shù)的鎖存，U15和U16實(shí)現(xiàn)對U9中四個(gè)數(shù)的鎖存，U17和U18用來實(shí)現(xiàn)對U10中四個(gè)數(shù)的鎖存，這樣經(jīng)四個(gè)74LS160計(jì)數(shù)的16個(gè)數(shù)就實(shí)現(xiàn)了鎖存。

15、 74LS00可實(shí)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.鎖存器連接圖七、數(shù)碼管顯示本設(shè)計(jì)所使用的數(shù)碼顯示管是DCD-HEX，可同時(shí)完成譯碼和顯示兩個(gè)功能。用74160N計(jì)數(shù)器計(jì)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(shí)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(gè)報(bào)警裝置來提新用戶，當(dāng)數(shù)值超過量程時(shí)，就必須換擋位或者換別的儀器進(jìn)行測量。為了解決這個(gè)問題，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)燈來充當(dāng)這個(gè)報(bào)警裝置，用一個(gè)與門連接四個(gè)74160N的進(jìn)位端，即RCO端，在與

16、門的另一端接一個(gè)555構(gòu)成的報(bào)警裝置，當(dāng)出現(xiàn)9999時(shí)，蜂鳴器就發(fā)出報(bào)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(shí)也就實(shí)現(xiàn)了檔位的選擇調(diào)整。數(shù)碼顯示管與報(bào)警裝置的連接圖如下所示：圖2.11.數(shù)碼顯示管聯(lián)結(jié)圖第三部分 系統(tǒng)綜述 總體電路圖這次設(shè)計(jì)，我們使用了兩個(gè)555，一個(gè)用來產(chǎn)生單脈沖，一個(gè)是多諧震蕩，能產(chǎn)生多諧振蕩的555電路，經(jīng)四個(gè)74LS160分頻后，經(jīng)其中一個(gè)支路的輸出與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出信號通過74LS09實(shí)現(xiàn)相與，再輸入到74LS160計(jì)數(shù)器，74LS160計(jì)數(shù)后，計(jì)數(shù)結(jié)果送至74LS74進(jìn)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

17、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(shí)間Tw為一個(gè)時(shí)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(shí)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(gè)數(shù)就是Tw時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)。電阻通過555轉(zhuǎn)化為Tw，而輸出的就是Tw的值。根據(jù)555的性質(zhì)由相關(guān)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(shè)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(chǎn)生部分，我們之所以選擇兩個(gè)電容串聯(lián)作為一組電容而不是使用一個(gè)電容一組，是因?yàn)闆]有以1/1.1