数字式电阻测试仪(共20页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上电子技术课程设计报告 题 目 数字式电阻测试仪 学院（部） 信息学院 专 业 班 级 学生姓名 学 号 12 月10日至 12 月 20日 共 2 周 指导教师（签字） 前言 随着信息科学和计算机技术的迅速发展，电子技术的理论与应用得到飞跃发展。信息正是一个高度发展的产业，而数字技术是信息的基础，数字技术是目前发展最快的技术领域之一，数字技术在数字集成电路集成度越来越高的情况下，开发数字系统的使用方法和用来实现这些方法的工具已经发生了变化，但大规模集成电路中的基本模块结构仍然需要基本单元电源电路的有关概念，因此用基本逻辑电路来组成大规模或中规模地方法仍然需要我们掌握。

2、与模拟技术相比，数字技术具有很多优点，这也是数字技术取代模拟技术被广泛使用的原因。优点有如下：（1） 数字系统容易设计。数字系统采用开关电路，开关电路中的电压和电流的值不重要，重要的是变化范围。 （2）信息存储方便。 （3）整个系统的准确度及精度容易保持一致。 （4） 数字电路的抗干扰能力强。 （5） 大多数数字电路能制造在集成电路芯片上。 在数字电子技术在数字集成电路集成度越来越高的情况下，课程设计这门课不仅让我们加深了理论的知识，更让我们认识了如何把学到的知识用于实践。 课程设计中的如何测量电阻并数字显示量程又是各种电子电器线路与装置不可缺少的部分。电阻的阻值，直接影响到电子电器线路与装置

3、的工作质量和效率。所以我们选择了这个有意义的课题作为我们课程设计的题目。本报告介绍了测量电阻的各个组成部分，而每个部分的电路又阐述了电路的工作原理，元器件选择及制作方法等。 本次课程设计中的555构成的单脉冲产生单元和555构成的多频震荡产生单元由*负责；显示单元由*负责；档位自动跳转单元及电路的整体调试由*负责。设计过程中参考一些著作中的相关资料，在此向这些著作的原作者表示感谢。由于我们知识水平有限，时间有限，所以在设计过程中难免有许多不足之处，敬请老师谅解并提出宝贵的意见。 目录前言2摘要、关键字、技术要求4第一章 系统概述5一、设计思路和方案分析5二、系统框图7三、工作原理7第二章 单元

4、电路设计与分析8一、555构成的单脉冲产生单元8二、555构成的多频震荡产生单元9三、显示单元10四、档位自动跳转单元及细节11第三章 系统概述13一、总电路图13二、遇到的问题及解决方法13三、存在的缺点及可能的改进思路14第四章 结束语15收获和体会15参考文献16鸣谢16元器件明细表16附表1-117附图18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

5、：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，创新点，并提出本系统需要改进的地方及遇到的困难。 关键词：555单稳态触发器 555多谐振荡器 74LS160N计数器 74LS273N锁存器 档位自动跳转 数码显示 J-K触发器 压控开关 刻度校准 技术要求：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。 第一章 系统综述 该数字式电阻测试仪的基本思路是将待测电阻的阻值通过线性关系转换成我们可以测量的模拟量，然后

6、将该模拟信号转化成数字信号，通过计数、锁存、译码然后用数码管显示输出。由红色和绿色指示灯分别表示欧姆（）档和千欧（K）档，用触发器来控制档位的自动跳转，用555定时器构成的单稳态触发器产生Tw=ln3RC的脉冲宽度再与555定时器构成的高频(f)多谐振荡器相与得到Tw脉冲等宽的高频方波脉冲，再通过74LS160N计数器计算脉冲个数，通过公式Twf=R来计算并设置相应的参数值使计数脉冲个数恰好等于R值，用锁存器和数码管来显示该值。用单刀双掷开关实现短接较零，用红色指示灯来显示超出量程警告。 一、设计思路和方案分析电阻的测量是电子技术基础中最基本的内容，首先我们想到的是要找到一个可以测量的因变量使

7、其与电阻阻值的变化呈线性关系，通过测量这个因变量利用他们之间的关系式计算出电阻阻值。以我们目前的知识水平我们找到了三种测量电阻的基本方法：1、利用公式U=RI来测量电阻的伏安法及其多种衍生方法；2、利用惠斯通电桥平衡原理来测量电阻的电桥法；3、利用时间常数=RC来测量电阻的时间常数法。 1、伏安法：常用的数字万用表是利用U=RI这个原理来测量电阻的，测量时通常会输出一个电流，那么在这个电流两端就会有一个压降，再通过AD转换器采集这个电压，将其转化为数字信号，送单片机于是向设定好的标准进行对比计算，所以数字万用表的电阻档有很多，每个挡的输出电流都不同，通常测量电阻值越大，输出的电流越小，这是为了

8、保证电压既不会太高也不会太低，便于测量。课程设计过程中我们尝试设计出输出稳定的恒流源，但经过多次尝试之后性能仍达不到要求加之AD转换也是一个难点出于时间限制的考虑我们放弃了该方案。图 1-1 设计的简单恒流源电路图 2、电桥平衡法：采用惠斯通电桥平衡原理，R1,R2是固定电阻，成为比率臂，比例系数K=R1/R2可通过量程开关进行调节，R为标准电阻称为标准臂。Rx为被测电阻，G为检流计，接通电源通通过调节K和R使得电桥平衡即检流计指示为零，读出K和R的值，即可求得Rx .图 1-2 电桥法测电阻原理 3、时间常数法：利用时间常数=RC与R的线性关系。利用555构成的单稳态触发器产生一个宽度为Tw

9、=ln3RC的单脉冲，用555构成的多谐振荡器产生高频振荡，将这两个信号相与可以得到与单脉冲等宽的高频振荡信号，设置相关参数并计数出该宽度高频脉冲的个数即可得到单脉冲宽度进而得到阻值。 图 1-3 时间常数法测电阻原理最开始我们尝试用伏安法来测电阻，但是自己动手做出来的恒流源的稳定性不够达不到设计要求且该方法涉及的A/D转换是一大难点，出于时间的考虑我们放弃了该方案。电桥法虽然测量精度高，但是电路复杂而且也需要经过A/D转换过程，电桥这一部分知识我们只是粗略的了解。时间常数法对测量的电阻值的范围宽，不受到电流电压的限制且不需要复杂的模数转换过程，而且应用的只是都是课本上学习过的，相对较熟悉，因

10、此我们最终选择了时间常数法来作为本次课程设计的基本原理。 二、系统框图K档单脉冲产生电路自动判断换挡电路或门数码管显示电路四个74LS160N构成的计数电路两个74LS272构成的锁存电路与门档单脉冲产生电路555多频振荡器电路图1-4 系统框图 三、工作原理 利用555构成的单稳态触发器产生一个宽度为Tw=ln3RC的单脉冲，用555构成的多谐振荡器产生高频振荡，将这两个信号相与可以得到与单脉冲等宽的高频振荡信号，用74LS160计数器计数后经锁存器锁存然后译码、驱动后用数码管显示。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，通过设置相关参数使得数码管显示的频率值等于电阻阻值。

11、第二章 单元电路设计一、555构成的单脉冲产生单元如图2-1是由555及外接元件RC构成的单稳态触发器。其工作原理如下：接通电源瞬间，,输出，放电三极管T截止。通过R给C充电。当上升到时，比较器输出变成低电平，此时基本RS触发器置0，输出。同时，放电三极管T导通，电容C放电，电容C放电，电路牌稳态，稳态时。当开关闭合又断开形成了一个负脉冲，触发器发生翻转，使，电路进入暂稳态。由于，三极管T截止，电源可通过R给C充电。当电容C充至时，电路又发生翻转，输出，T导通，电容C放电，电路自动恢复至稳态。可见，暂稳态时间由RC电路参数决定。若忽略T的饱和压降，由电容C上电压从0上升到的时间，即输出脉冲宽度

12、为： 这种单稳态电路工作波形如图2-2所示 图2-1 555构成的单稳态触发器 图2-2 图3.1的工作波形二、555构成的多频震荡产生单元555定时器构成的多谐振荡器如图2-3所示，图2-4为相与之后的波形。当接通电源后，电容C上的初始电压为0V，比较器C1、C2输出为1和0，使，放电管T截止，电源通过、向C充电。上升至时，RS触发器被复位，使，T导通，电容C通过到地放电，开始下降，当降到时，输出又翻回到1状态，放电管T截止，电容C又开始充电。如此周而复始，就可在输出端输出矩形波信号。振荡频率 图2-3 555多谐振荡器电路图 图2-4 单脉冲和高频波相与之后的波形三、显示单元1、原理：脉冲

13、进入74160N的CLK输入端。当上升沿到来时，74160N从0开始计数，此时LOAD、CLR、ENP、ENT端均接5V的高电平使其正常工作，所以每到一个上升沿，74160N累加。其输出端对应接到74LS273N输入端，74LS273NVCC端、CLR端均接5V高电平，GND端接地使其正常工作。在此74LS273N的CLK端脉冲输入是由555构成的单稳态触发器输出方波的下降沿控制，当下降沿到来时经过一个反相器变成上升沿接入74LS273N的CLK输入端从而触发芯片，使其立即锁存8个输入端的电平状态，并且立即显示在输出端。DOD-HEX是一个带译码功能的译码管，所以74LS273N的输出端直接接

14、入译码管输入端即可显示对应数值。图 2-5 显示模块 2、74160N功能阐述：74160N是十进制加计数器，它有异步清零、同步预置数等功能。图3.1是它的引脚图。CLK脉冲下降沿控制电路计数工作，CLR端为异步清零端，LOAD端为预置数控制端，A、B、C、D是预置数输入端，ENP和ENT是计数使能（控制）端，RCO是进位输出端。 图2-6 74160N引脚图 3、74LS273N功能阐述：74LS273N是8位数据/地址锁存器，它是一种带清除功能的8D触发器。图3.2是其引脚图，CLK是上升沿控制电路锁存工作，CLR是异步清零端，1D-8D是数据输入端，1Q-8Q是数据输出端。 图2-7 7

15、4LS273N引脚图 4、DOD-HEX功能阐述：DOD-HEX是带有译码功能的数码显示管，图3.3是它的引脚图。 图2-8 DOD-HEX引脚图四、 档位自动跳转单元及细节 1、方案论证：档位的自动跳转只是源于自己的一个想法，没有备选方案，所有的都是自己一步步探索出来的，元器件的选择也是经过多次反复试验修改最终选定的。细节方面尝试过使用微分器和机械开关防抖电路但都不成功，曾使用过延时器后发现没必要而删除。关于刻度误差调整，开始是没有思路，后来在老师的指导下加入了短接较零开关。2、原理：该单元是由档单脉冲发生器、K档单脉冲发生器、计数器、JK触发器、电压控制的单刀双掷开关、非门、与门、或门构成

16、控制单元。开始测量时默认是欧姆档，测量开关触发后计数器开始计数，当计数到1000时，第三个计数器产生进位脉冲，该脉冲通过反相器来触发K档产生单脉冲；同时该脉冲的上升沿触发JK触发器，使输出从初始状态的高电平变为低电平，将JK触发器的输出与档的输出相与，消除档对产生换挡信号之后K档信号的干扰；档与K档共用待测电阻，因此用JK输出信号来控制压控单刀双掷开关使其随换挡信号自动跳转；将档与K档的输出相或后作为待测信号输出。此外单位显示指示灯也由JK触发器的输出信号驱动。3、J-K触发器功能阐述：JK触发器是数字电路触发器中的一种电路单元。JK触发器具有置0、置1、保持和翻转功能。该控制单元中利用了JK

17、触发器的翻转功能。将置1端和置0端接高电平，J K输入端悬空，CLK端接进位脉冲，Q端输出，则来一个进位脉冲输出就会翻转一次。图 2-9 触发器管脚图 4、压控开关功能阐述：该开关可以在属性里设置电压阈值，大于某一阈值使开关打到1端，小于某一阈值使开关打到2端，这样可以方便的通过电压控制开关方向。图 2-10压控开关第三章 系统概述一、 总电路图图 3-1系统总电路图二、 遇到的问题及解决方法1、档位的自动转换中档对K档的影响：首先我们分别做了两个档位的单脉冲产生单元，但是当用进位脉冲去触发K档时档的输出并没有停止，这就严重干扰了K档的测量，因此利用JK触发器的翻转功能将档的影响消除。2、待测

18、电阻两档共用问题：实现档位自动跳转后，分别用相同的待测电阻在两档上试验结果正确，但是两档共用同意待测电阻就会出现K档触发后的电流同时对两个档位电容充电的情况，这样两个档位同时工作且都不准确，严重影响测量结果。最后使用了一个压控单刀双掷开关解决了这一问题，用JK触发器输出信号的翻转来同步控制开关的跳转，保持了JK跳转，开关跳转与档位跳转的同步。3、计数器的清零：每次开始计数前计数器都必须清零，最初用档的触发信号对计数器进行清零，而出现档位跳转的话要进行二次清零，因此用两个档位的触发信号相或得到清零信号，同时此清零信号也是锁存器的清零信号。4、锁存器的触发：锁存器的是由上升沿触发的，因此将单脉冲的

19、下降沿通过反相器来作为触发信号，但是最初的档位跳转过程中有两个下降沿的出现，最终得益于JK触发器与压控开关的使用使档位跳转之间实现了几乎无缝连接，使整体脉冲信号只出现一个下降沿，这样锁存器只输出最终结果。5、指示灯的常亮显示：最初的作法是将指示灯接在每个档位电路中，这样的可以显示单位但是单脉冲产生完毕灯就灭了，仅凭最后的显示结果无法知道单位，后将指示灯与JK触发器相连，这样保持了单位指示灯的常亮显示。三、存在的缺点及可能的改进思路1、J-K触发器的初始状态问题：虽然本仿真电路中J-K触发器的初始状态始终为1，但是实际J-K触发器的初始状态时不确定的。设想是否可以用一个类似压控开关的装置来替代J

20、-K触发器，或者用继电器来实现档位的自动转换。2、测量精度问题：虽然有四个数码管，但是最高位并没有得到有效的利用，因此设想可以增加一个小数点，将最高位充分利用且测量精度也有提高，但是这个可能会受到多谐振荡器产生频率限制，需要进一步研究。第四章 结束语 本次课程设计是在相对空闲的时间内完成的，时间相对来说较为充足，前期准备工作也比较充分，由于本课题相对而言较简单，因此实现本次课设的基本要求是不难的，但是简单的东西也可以追求做的更好，因此本次设计过程中花费了相当一部分的时间来研究档位的自动跳转问题及其引起的相关问题的解决方法。在探索的过程中虽然遇到各种困难，但是每一小点的进步都让我觉得付出是值得的

21、。收获与体会： 1、在确定课题后不要第一时间去查找资料，要自己动脑来思考这个课题该怎么做，需要用到哪些东西，如果第一反应就是去找资料的话，你看了资料之后会子你脑子里形成一个思维定式，你会不自觉的朝着这个方法去想，最终自己的思维会被禁锢。我们在做其他设计时也需要注意这个问题。 2、碰到问题自己要勇于探索，不要第一时间想到去问别人，别人的知识经验也是他自己探索出来的，而且以后的工作中不是所有问题都可以依靠别人解决，所以现在就要借这种机会培养自己的独立思考解决问题的能力。 3、要重视团队合作，本次课设与之前的课设不同的是有了固定的课题及要求，设计必须要达到基本要求，我们将设计分成几个模块分别去做，各

22、模块独立运行正常，但是整合起来就会出现各种想不到的问题，这就需要我们几个一起合作来分析解决，这样也加深了每个人对整体电路的理解，而不仅仅是自己设计的部分。 参考文献：1、林涛 数字电子技术基础 清华大学出版社 20062、林涛 林薇 模拟电子技术基础 清华大学出版社 20103、尹勇 李林凌 Multisim电路仿真入门与进阶 科学出版社 20054、段九州 电源电路实用设计手册 辽宁科学技术出版社 20025、陈永甫 常用电子元件及其应用 人民邮电出版社 2005鸣谢：特别感谢*老师的指导感谢设计过程中给我帮助与支持的舍友感谢图书馆 元器件明细表，见附表附表：表1-1元器件明细表序 号名 称

23、 型号参数数量备注1555定时器LM555CN3U1, U2, U122自动弹起开关PB_DPST1S23十进制计数器74160N4U3, U5, U6, U74八位二进制锁存器74LS273N2U18, U195单刀双掷开关SPDT1短接较零6压控单刀双掷开关3V1S17非门NOT3U15，U20,U228与非门7400N1U4A9与门74LS08D2U13, U1710与门74AS21M1U2111或门74ALS32N1U1412数码管DCD_HEX_BLUE4U8，U9，U10，U1113J-K触发器74ALS109AM1U1614指示灯PROBE DIG RED1档，警告15指示灯PROBEDIGGREEN1K档16滑动变阻器100K1R117滑动变阻器1K1R218电阻1001R419电阻4001R520电阻2001R621电阻1k1R322电容0.01uF3C2,C4,C623电容1.44nF1C324电容0.82nF1C525电容0.89nF1C126VCC5V4附图：评 语 评阅人： 日期：专心-专注-专业