电子技术课程设计-数字电阻测量仪的设计.doc

数字电阻测量仪目录摘要31 设计任务与要求31.1 设计任务41.2设计目的41.3设计思路42 方案比较与论证42.1各种方案比较与选择42.2方案论证63 系统硬件设计73.1555单脉冲的产生73.2晶振多频震荡的产生83.3单频和多频相与93.4 总的电路图10 3.5 芯片及电路介绍114 系统仿真144.1 Multisim144.2系统综述154.3 仿真结果分析165 系统的调试组装175.1 protel简介175.2 PCB设计过程186收获与心得体会207 致谢 228参考文献 239附录 24数字式电阻测量仪全套设计加扣3012250582 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包括系统概述和电路的设计思想及各部分功能；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；74LS160N；数码显示1 设计任务与要求： 1.1. 设计任务 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。 1.2设计目的 1.进行简单电阻的直接测量，测量简单，方便精确。 2.便于携带体积小，可以直接进行测量，简单实用。1.3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74LS160N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。2 设计方案 2.1设计方案的比较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：方案一 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555单稳态电路 译码、驱动、显示 A/D转换电路方案一原理图方案二 利用555单稳态触发器和74LS160N实现 原理同方案一基本相同，原理图如图所示：555单稳态电路 译码、驱动、显示 74LS160N 计数器 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 以最终选择了方案二2.1设计方案的总框图和原理图 系统总体框图如图所示 74LS160N 计数器555单脉冲发生电路 译码、驱动、显示晶振多频振荡器 系统框图工作原理： 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 74LS160N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。3 电路设计 3.1555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3.1的图 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，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，红灯亮时，单位为K。 波形图如图所示 3.2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： 图3.2 波形图如图所示 3.3单频和多频相与基本原理：将单稳态与分频电路的某一支分别作为74LS09的输入端，实现相与的功能，结果作为74LS160的触发脉冲。 如图所示 图3.2 相与后波形图如图 3.4 总的电路图 整体电路图如下总电路图3.5.芯片介绍3.5.1 555 555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。始终脉冲发生器如下： 图3.1图3.1为脉冲频率可调的矩形脉冲发生器，改变电容C可获得超长时间的低频脉冲，调节电位器RP可得到任意频率的脉冲如秒脉冲，1KHz,10KHz等标准脉冲。由于电容C的充放电回路时间常数不相等，所以图4.1所示电路的输出波形为矩形脉冲，矩形脉冲的占空比随频率的变化而变化。3.5.2 7400N结构图如下：7400N7400是四2输入与非门14脚双列直插封装可以用于各种数字电路的组成，是比较基本的元器件。3.5.3 74LS160N结构图如下： 74LS160是中规模集成同步十进制加法计数器，具有异步清零和同步预置数的功能。使用74LS160通过置零法或置数法可以实现任意进制的计数器。其引脚图见图4-9-1。先对74LS160的基本功能进行测试。异步清零：当0时，Q 0Q1Q2Q30。同步预置：当0时，在时钟脉冲CP上升沿作用下，Q 0D0，Q1D1，Q2D2，Q3D3。 锁存：当使能端时，计数器禁止计数，为锁存状态。计数：当使能端EPET1时，为计数状态。表一 74LS160的逻辑功能表时钟CP异步清除同步置数EP ET工 作 状 态0 10 110 111 0111 1表二 74LS160真值表输 入输 出注CLRLDENTENPCLKABCDQAn+1QBn+1QCn+1QDn+1CO01111x0111xx10xXx1x0xxxxaxxxxbxxxxcxxxxdxxx0 0 0 0a b c d计 数保 持保 持00清零置数 4 系统仿真 4.1 MultisimMultisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。在本课程中将以教育版为演示软件，结合教学的实际需要，简要地介绍该软件的概况和使用方法，并在“实验讲授”中给出若干个应用实例，其对应msm文件见“实验仿真文件”。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计测试这样一个完整的综合设计流程。该软件包括Multisim概貌、Multisim对元器件的管理、输入并编辑电路、虚拟仪器及其使用等等，这里不再细细讲述其强大的功用了。4.2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74LS160N计数器，74LS160N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。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，最终就完成了本次设计。4.3 仿真结果分析 仿真结果如下图： 图4.3 分析：在仿真调试的时候，却出现这样的问题：每次显示的测试值总是为真实值的一半。此时，我们仔细分析问题所在，最后决定将555定时器的电容值全部改为原始值的2倍，这样实则是将TW变为以前的2倍了，这样，在计数器的工作期间实则是在理论上多计数了一倍的脉冲个数，自然测试值将会是以前显示值的2倍，但测试值却达到我们的理想要求即每次显示的值总是实际值。完成调试。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。5 pcb制作 5.1 protel简介Protel99采用全新的管理方式，即数据库的管理方式。Protel99是在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板设计系统。所有Protel99设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。Protel99SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：可生成30多种格式的电气连接网络表；强大的全局编辑功能；在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）；*方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE3f5）；支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件；*PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；放置汉字功能；可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合；专家导航帮您解决信号完整性问题另外Protel99会自动地在原理图上连线，从菜单上选择Place/Wire后，按空格键切换连线方式，自动连线、任意角度、45连线、90连线，使得设计 者在设计时更加轻松自如。只要简单地定义AutoWire方式。自动连线可以从原理图的任何一点进行，不一定要从管脚到管脚。还可以检查原理图电性能可靠性等等，这里不细细去介绍他的功能了5.2pcb的设计过程 5.2.1 Pcb的电路原理图绘制如下： 先进性pcb原理图的器件制作及其封装，然后根据其总的电路原理图描绘出pcb电路图 Pcb板电路原理图然后根据pcb板电路原理图进行pcb板的设计包括原件和走线的设计如下图： Pcb板图6 收获与心得体会 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。本次课设是由自己单独完成的，当然中间遇到了许多问题也向老师和同学们寻求帮助，最终克服了所有的困难完成了设计。此次方案整体思路及各个单元模块的搭建，是从网上搜索了很多相关资料以及自己的分析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。由于这次的课程设计是大学以来第一次的课程设计，内心都比较兴奋，希望能通过这次的动手实践锻炼自己，将所学知识进行灵活运用。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。我刚开始从发的那本电子技术课程设计指导找到了一个关于数字电阻测量仪设计的课题，当然，看了这个课题的任务和要求，其余什么也没有，脑子一片空白，只能去网上搜索向光资料了，经过两天的资料筛选和分析研究，初步了解了这个课题如何去做。当然电路图的构思和运行还需要multisim软件和protel软件的学习，又打开老师给我们软件视频的学习资料从头开始认真学习，一边学习一边就行电路的搭建。就这样慢慢的就创作出了总的电路图，当然不是一次就画成功的，也是反反复复的画了好多遍才弄出来的。期间有许多的不明白，也是向老师和同学请教才慢慢搞懂，总之这次的电路图的设计收获还是很多的。不仅锻炼了自己的动手能力，也培养了自己钻研问题，学习新的知识和技术的能力，就像前两个软件一样。 经过这次的课程设计，我感