数字式电阻测试仪资料

I 摘要 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 关键字关键字 电阻转化电压 555 单稳态触发器 74CD192 数码显示 1 1 1 数字式电阻测试仪系统概述数字式电阻测试仪系统概述 1 1 设计思路设计思路 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 11 2 1 利用利用 555555 单稳态触发器和单稳态触发器和 A DA D 转换器实现转换器实现 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 2 方案一原理图 1 2 2 利用利用 555 单稳态触发器和单稳态触发器和 74CD192 实现实现 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 555 单稳态 电路 74CD192 计数器 译码 驱动 显示 3 1 31 3 系统框图及工作原理系统框图及工作原理 1 3 11 3 1 系统总体框图系统总体框图 系统框图 1 3 21 3 2 工作原理工作原理 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 555 单脉冲产 生电路 晶振多频振荡 器 74CD192 计数器 译码 驱动 显示 4 2 2 单元电路设计与分析单元电路设计与分析 2 12 1 555555 单脉冲的产生单脉冲的产生 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 VCC OUT U1 555 TIMER RATED GND DIS RST THR CON TRI VCC 5V R1 2k J1 Key A 1 C1 10nF 3 C2 1mF C3 100uF C4 1uF C5 10uF J2 Key B 67 R2 1M Key A 50 8 VCC 29 X1 2 5 V X2 2 5 V 4 5 0 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 1 F 10 F 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 5 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 6 2 22 2 晶振多频震荡的产生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 U8A 40106BD 5V U9A 40106BD 5V U17 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 VCC 5V R4 160k 0 U3 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 53 0 J5 Key D 54 55 C8 100pF 50 57 C6 10pF 50 R5 160k 14 VCC X4 HC 49 U 100kHz 1078 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 7 2 32 3 单频和多频相与单频和多频相与 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 8 2 4 74CD192 计数器计数计数器计数 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 U10 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U11 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U12 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 J4 Key Space VCC 5V 50 51 VCC R3 300 12 0 VCC 5V VCC 9 2 52 5 数码显示管显示数码显示管显示 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 U13 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U14 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U15 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 28 30 31 32 VCC 5V 11 15 16 17 18 23 24 25 U18 ABCDEFG CK U19 ABCDEFG CK U20 ABCDEFG CK 0 0 0 R6 300 R7 300 R8 300 R9 300 R10 300 R11 300 R12 300 R13 300 R14 300 R15 300 R16 300 R17 300 R18 300 R19 300 R20 300 R21 300 R22 300 R23 300 R24 300 R25 300 R26 300 19 21 20 22 26 27 33 35 36 37 40 42 43 44 45 46 47 48 49 56 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 39 38 41 0 VCC 10 3 3 系统综述 总体电路图系统综述 总体电路图 3 13 1 整体电路图整体电路图 整体电路图如图所示 VCC OUT U1 555 TIMER RATED GND DIS RST THR CON TRI VCC 5V R1 2k J1 Key A 1 C1 10nF 3 C2 1mF C3 100uF C4 1uF C5 10uF J2 Key B 67 R2 1M Key A 50 8 U8A 40106BD 5V U9A 40106BD 5V U10 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U11 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U12 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 XSC1 Tektronix 1 2 3 4T G P XSC2 Tektronix 1 2 3 4T G P XSC3 Tektronix 1 2 3 4T G P J4 Key Space VCC 5V U13 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U14 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U15 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 28 30 31 32 VCC 5V U17 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 VCC 5V R4 16k 0 11 15 16 17 18 23 24 25 U18 ABCDEFG CK U19 ABCDEFG CK U20 ABCDEFG CK 51 U3 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 53 0 J5 Key D 54 55 C8 10nF 50 57 C6 100pF 50 R5 16k 14 VCC 0 0 0 R6 300 R7 300 R8 300 R9 300 R10 300 R11 300 R12 300 R13 300 R14 300 R15 300 R16 300 R17 300 R18 300 R19 300 R20 300 R21 300 R22 300 R23 300 R24 300 R25 300 R26 300 19 21 20 22 26 27 33 35 36 37 40 42 43 44 45 46 47 48 49 56 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 39 38 41 X4 HC 49 U 100kHz 10 U2A 7400N 78 13 0 VCC R3 300 12 0 VCC 29 0 X1 2 5 V X2 2 5 V VCC 5V VCC VCC 4 5 34 2 9 11 3 2 系统综述系统综述 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 1 到 999K 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 1 999 和 1K 999K 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 12 电路仿真图如图 VCC OUT U1 555 TIMER RATED GND DIS RST THR CON TRI VCC 5V R1 2k J1 Key A 1 C1 10nF 3 C2 1mF C3 100uF C4 1uF C5 10uF J2 Key B 67 R2 1M Key A 50 8 U8A 40106BD 5V U9A 40106BD 5V U10 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U11 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U12 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 XSC1 Tektronix 1 2 3 4T G P XSC2 Tektronix 1 2 3 4T G P XSC3 Tektronix 1 2 3 4T G P J4 Key Space VCC 5V U13 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U14 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U15 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 28 30 31 32 VCC 5V U17 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 VCC 5V R4 160k 0 11 15 16 17 18 23 24 25 U18 ABCDEFG CK U19 ABCDEFG CK U20 ABCDEFG CK 51 U3 74HC192N 6V A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 53 0 J5 Key D 54 55 C8 100pF 50 57 C6 10pF 50 R5 160k 14 VCC 0 0 0 R6 300 R7 300 R8 300 R9 300 R10 300 R11 300 R12 300 R13 300 R14 300 R15 300 R16 300 R17 300 R18 300 R19 300 R20 300 R21 300 R22 300 R23 300 R24 300 R25 300 R26 300 19 21 20 22 26 27 33 35 36 37 40 42 43 44 45 46 47 48 49 56 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 39 38 41 X4 HC 49 U 100kHz 10 U2A 7400N 78 13 0 VCC R3 300 12 0 VCC 29 0 X1 2 5 V X2 2 5 V VCC 5V VCC VCC 34 2 4 5 9 13 4 4 结束语结束语 4 14 1 收获和体会收获和体会 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 14 4 24 2 缺点和改进缺点和改进 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 15 致谢致谢 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 16 参考文献参考文献 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 17 元器件明细表元器件明细表 序号名称型号参数数量参数 1恒定电流源VCC1 个5V 2电容C1 C81 个10nF 3电容C21 个1mF 4电容C31 个0 1mF 5电容C41 个1uF 6电容C51 个10uF 7电容C61 个100pF 8555 555 TIMER RATED 1 个 9与门7400N1 个14 脚 11发光二极管DCD HEX2 个2 脚 1274CD1927