数字式电阻测试仪课程设计报告.doc

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1、目 录 一、 摘要 关键字 设计要求.3二、正文 第一章 系统概述 一、设计思路.4 二、设计方案的分析与选择.4 三、系统框图及工作原理.5 第二章 单元电路设计与分析 一、555单脉冲的产生.7 二、555多频震荡的产生.8 三、单频和多频相与.10 四、74160N计数器计数.11 五、数码显示管显示.12 第三章 系统综述、总电路图 一、整体电路图.14 二、系统综述.14 第四章 结束语 一、收获和体会.16 二、缺点和改进.16参考文献.17元器件明细表及附图.17鸣谢.21四、教师评语.22 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。本次课程设计

2、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 74160N 数码显示。设计要求：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。1）

3、 电容量测试仪的量程为1999k；2） 测量的结果用3位数码管显示；3） 根据所测容量范围，可考虑分3个量程来实现；4） 给定测试电压为9V，可用实验室专门电源提供，不需另外设计； 第一章 系统概述一、设计思路 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、译码，由数码管直接显示出阻值。由555触发器产生单脉冲和多频振荡器，再利用74160N计数器对单脉冲个数进行计数，然后再通过译码显示，将阻值直接显示在数码管上。二、设计方案的分析与选择 想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5

4、55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/

5、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，便可实现测量电阻。其电路基本原理如图所示： 方案一原理图方案二 利用555单稳态触发器和74160N实现 原理同方案一基本相同，原理图如图所示： 74160N 计数器 译码、驱动、显示555单稳态电路 方案二原理图 两种方案原理基本相同，但是由于无法找到A/D转换器的相应元件，所 以最终选择了方案二三、 系统框图及工作原理 系统总体框图如图所示 系统框图 工作

6、原理： 555单脉冲产生电路产生的脉冲和555多频振荡器产生的脉冲相与后 74160N计数器计数后，再经过译码、驱动后，通过数码管显示出脉冲 个数。基本原理是将电阻阻值转化为频率，然后测量出转化后的频率， 最后根据一定的关系即可得出待测电阻阻值，设计过程中，设置好相应 元件的参数，使数码显示管显示的数字即为待测电阻阻值。第二章 单元电路设计与分析一、555单脉冲的产生 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为单刀双掷开关，J2为单刀单掷开关C1、 C2、C3、C6、C7为电容，R2为电阻，R1为待测电阻，X1、X3是两个发光二极 管（X1是绿灯

7、，X3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、10mF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大 的电阻，开关打向不同组电容相当于选择不同档位。X1，X3两个指示灯可显示出 单刀双掷开关连接的是哪组电容，即显示选择的测量档，当红灯（X3）亮时，表 明J1打向左边，测小电阻，当绿（X1）亮时，表明开关打向右边，测大电阻。设 计电路时，已经通过相关公式设置好了各元件参数，使得红灯亮时，数码管显示 的数字单位为，绿灯亮时，单位为K。 波形图如图所示 二、555多频震荡的产生 基本原理：与5

8、55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。 电路如图所示 如图，R4、R5、R3、R6、C4及555触发器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C4、C5输出分别为 “1” “0”，放电管T截止，电源通过R5、R4或R3、R6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C4通过R4或R6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C4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

9、时间，可求出矩形波的频率f=1/T=1.44(R4+2R5)*C,当开关打向右边 时，R4、R5换成R6、R3单刀双掷开关的作用是调节档位，选择1000Hz和 10000000Hz两个频率。根据相关公式和档位要求，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。 波形图如图所示 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 相与后波形图如图 四、74160N计数器计数

10、 基本原理：单脉冲产生电路产生的脉冲与多频信号相与后，产生如上图所示信 号，输入到74160N计数器对其脉冲个数进行计数。由于设计要求四 位显示，因而需要4个74160N。 电路如图所 示 五、 数码显示管显示 基本原理：用74160N计数器计数后的信号输入到数码显示管，显示管内的译 码器先译码，然后通过与译码器相连的发光二极管，显示出数字，从 而就实现了数字显示功能。 设计要求给出四个显示管，而每一个74160N只能接一个数码显示管，所 以我们前面选择了四个74160N计数器。 四位显示最大能显示到9999，因此对于大于此量程的数据就不能记录了， 所以需要用一个报警装置来提新用户，当数值超过

11、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的进位位，即RCO端，在与门的另一端接一个发光二极管， 当出现9999时，二极管就亮了，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。 电路连接如图所示 第三章 系统综述、总体电路图一、整体电路图 整体电路图如图所示二、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，一个是多频震荡，两个555把信号输入到7400N相与后，再输入到74160N计数器，74160N计数后，再通过数码显示管显示出来，数码管显示的

12、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。然后多频震荡产生连续的方波，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

13、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，所以我们设置了两个档位，测量范围分别为1009999和10K100K。因为有两个档位，所以电容也选择两组，分别对应档和K档，再分别连接上指示灯，具体前面单脉冲产生部分已经说明。 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

14、完成了本次设计。 电路仿真图如图第四章 结束语一、 收获和体会 两周时间的课程设计，其实还上了好几次课，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

15、，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

16、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、 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。本电路由

17、于标准电阻只选择了100和100k两种（即倍率只选择了2和5两种），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。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。参考文献数字电子技术基础（清华大学出版社）林涛 主编电路与模拟电子技术（科学出版社）林涛 林薇 顾樱华 编 数字式多用电阻测试仪设计原理（河北机电学院） 沙占友 元器件明细表及附图序号名称型号参数数量参数1恒定电流源VCC

18、1个5V2电容C1、C52个10nF3电容C21个10uF4电容C31个1mF5电容C41个1nF6电容C61个10mF7电容C71个1uF8555555-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Key1个C14双掷开关Key2个B15滑动电阻R11个0100K16电阻R21个1K17电阻R31个24018电阻R41个604K19电阻R51个240K20电阻R61个600555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

19、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（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

20、（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，清零信号是非常短暂的，仅是过度状态，不能成为计数的一个状态。清零端是低电平有效。2.同步置数功能当（LD的非）为有效电平时，计数功能被禁止，在CP脉冲上升沿作用下D0D3的数据被置入计数器并呈现在Q0Q3端。若接成七进制计数器，控制置数端的信号是N（7）状态，如在D0D3置入0000，则在Q0Q3端呈现的数据就是0110。74160N的功能表 四脚数码管及译码器 四脚数码管有四个接线脚，将160输出地计数接收，然后译码显示。其中译码器直接集成在

21、一起，不需要在另外接一个译码器，这样就省略了许多实验上的麻烦和器件的选择。译码器的种类很多，但它们的工作原理和分析设计方法大同小异，其中二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器是三种最典型，使用十分广泛的译码电路。译码器是典型的组合数字电路，译码器是将一种编码转换为另一种编码的逻辑电路，学习译码器必须与各种编码打交道。从广义的角度看，译码器有四类：二进制码译码器，也称最小项译码器，N中取一译码器，最小项译码器一般是将二进制码译为十进制码；代码转换译码器，是从一种编码转换为另一种编码；显示译码器，一般是将一种编码译成十进制码或特定的编码，并通过显示器件将译码器的状态显示出来。编码器，一般是将十

22、进制码转换为相应的其它编码，其实质与代码转换译码器一样，编码是译码的反过程。 在数字系统中常见的数码显示器通常有：发光二极管数码管(LED数码管)和液晶显示数码管(LCD数码管)两种。发光二极管数码管是用发光二极管构成显示数码的笔划来显示数字，由于发二极管会发光，故LED数码管适用于各种场合。液晶显示数码管是利用液晶材料在交变电压的作用下晶体材料会吸收光线，而没有交变电场作用下有笔划不会听吸光，这样就可以来显示数码，但由于液晶材料须有光时才能使用，故不能用于无外界光的场合（现在便携式电脑的液晶显示器是用背光灯的作用下可以在夜间使用），但液晶显示器有一个最大的优点就是耗电相当节省，所以广泛使用于小型计算器等小型设备的数码显示。 鸣 谢特别感谢XX老师、XX老师、XX老师为我们指点迷津，解答疑问；感谢帮助我们的各位同学和朋友；最后感谢学院的老师及图书馆给予我们的支持和配合。 评 阅 评阅人： 时 间： .