数字式电阻测试仪资料.docx

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数字式电阻测试仪资料

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74CD192数码显示。

1数字式电阻测试仪系统概述

1.1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，由晶振经过分频产生多频脉冲。

再利用74CD192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。

1.2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：

1.2.1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，便可实现测量电阻。

其电路基本原理如图所示

方案一原理图

1.2.2利用555单稳态触发器和74CD192实现

原理同方案一基本相同，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。

1.3系统框图及工作原理

1.3.1系统总体框图

555单脉冲产生电路

晶振多频振荡器

系统框图

1.3.2工作原理

555单脉冲产生电路产生的脉冲和晶振多频振荡器产生的脉冲相与后74CD192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。

2单元电路设计与分析

2.1555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，J2为单刀双掷开关，J1为按钮C1、C2、C3、C4、C5为电容，R1为电阻，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、0.1mF的这组电容串联的时候可测阻值相对小的电阻，与1μF、10μF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，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，当绿灯（X1）亮时，表明J2打向左边，测小电阻，当红灯（X2）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，使得绿灯亮时，数码管显示的数字单位为Ω，红灯亮时，单位为KΩ。

波形图如图所示

2.2晶振多频震荡的产生

基本原理：

通过晶振与电阻、电容的连接产生多频震荡再通过分频产生适合的多频震荡。

电路如图所示

如图，R4、R5、C6、C8、U8、U9、及晶振构成一个基本的多谐产生器。

产生的信号通过两个74CD192进行分频，U17的输出为十分频，U3的输出为百分频。

J15单刀双掷开关用来进行分频的选择。

波形图如图所示

2.3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74CD192中。

如图所示

相与后波形图如图

2.474CD192计数器计数

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74CD192计数器对其脉冲个数进行计数。

由于设计要求三位显示，因而需要3个74CD192。

电路如图所示

2.5数码显示管显示

基本原理：

用74CD192计数器计数后的信号输入到译码器CD4511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。

设计要求给出三个显示管，而每一个74CD192只能接一个数码显示管，所以我们前面选择了三个74CD192计数器。

三位显示最大能显示到999，因此对于大于此量程的数据就不能记录了。

电路连接如图所示

3系统综述、总体电路图

3.1整体电路图

整体电路图如图所示

3.2系统综述

这次设计，我们使用了一个555，用来产生单脉冲，一个晶振用来产生多频震荡，一个555和一个晶振把信号输入到7400N相与后，再输入到74CD192计数器，74CD192计数后，再通过数码显示管显示出来，数码管显示的数字即为电阻阻值。

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1Ω到999KΩ，并且要求用3位数码管显示，所以我们设置了两个档位，测量范围分别为1~999Ω和1KΩ~999KΩ。

因为有两个档位，所以电容也选择两组，分别对应Ω档和KΩ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，最终就完成了本次设计。

电路仿真图如图

4结束语

4.1收获和体会

两周时间的课程设计，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，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！

4.2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。

致谢

在论文完成之际，我的心情万分激动，从论文的选题、资料的收集到论文的撰写编排整个过程中，我得到了许多的热情帮助。

我首先要感谢梁芳老师，她给我提出很多宝贵的意见，使我的课设从刚开始的不懂迷茫到有了方向。

在这近一个月的时间里，梁老师不断对我得到的结论进行总结，并提出新的问题，使得我的课题能够深入地进行下去，也使我接触到了许多理论和实际上的新问题，使我做了许多有益的思考。

她对我进行了悉心的指导和教育，由于第一次进行单片机课程设计，难免遇到许多比较低级的问题，梁老师却都极其耐心地予以解答，使我能够不断地学习提高，在此表示深深的谢意。

同时，梁老师渊博的学识、严谨的治学态度也令我十分敬佩，是我以后学习和工作的榜样。

还要再次感谢梁老师对我的关心和照顾，在此表示最诚挚的谢意！

其次我还要感谢给过我帮助的同学们，在我做课程设计的过程中，会遇到多种问题，比如要找一些相关资料等，有时凭借我一个人很难找的全面，在我搜集查阅资料时给我的帮助和论文写作中提出的意见和建议。

正因为有他们的帮助和配合，我才克服了一个又一个困难，使我的毕业设计更加完善并且顺利地完成。

最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢!

参考文献

康华光.数字电子技术基础（高等教育出版社）

汤勉刚.电气类专业实验指导丛书（西南交通大学出版社）

余发山.单片机原理及应用技术（中国矿业大学出版社）

潘永雄.电子线路CAD实用教程（2版）（西安电子科技大学出版社）

杨凌霄.微型计算机原理及应用（中国矿业大学出版社）

李广弟.单片机基础（北京航空航天大学出版社）

元器件明细表

序号

名称

型号参数

数量

参数

1

恒定电流源

VCC

1个

5V

2

电容

C1、C8

1个

10nF

3

电容

C2

1个

1mF

4

电容

C3

1个

0.1mF

5

电容

C4

1个

1uF

6

电容

C5

1个

10uF

7

电容

C6

1个

100pF

8

555

555-TIMER-RATED

1个

9

与门

7400N

1个

14脚

11

发光二极管

DCD-HEX

2个

2脚

12

74CD192

74160

6个

4脚输出

13

单掷开关

Key

2个

C

14

双掷开关

Key

2个

B

15

滑动电阻

R1

1个

0~1MΩ

16

电阻

R2

1个

2KΩ

17

电阻

R4、R5

2个

160KΩ

18

电阻

R3—R32

22个

300Ω

19

晶振

X4

1个

100KHZ

20

发光二极管

X1、X2

2个

附图

555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率输出级。

功能表如图所示

74CD192管脚图及功能说明74CD192是同步十进制可逆计数器，它具有双时输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：

图5-4 cd74192的引脚排列及逻辑符号

（a）引脚排列（b）逻辑符号

图中：

为置数端，

为加计数端，

为减计数端，

为非同步进位输出端，

为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，

为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

             输入

    输出

MR

P3

P2

P1

P0

Q3

Q2

Q1

Q0

 1

 ×

 ×

 ×

×

×

×

×

0

0

0

0

 0

 0

 ×

 ×

d

c

b

a

d

c

b

a

 0

 1

 1

×

×

×

×

   加计数

 0

 1

 1

×

×

×

×

   减计数

其功能表如下：

八脚数码管有八个接线脚，将192输出经4511译码地计数接收，然后显示。

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。