模电课程设计报告-电阻测试仪

1、 课程设计报告书题目：模拟电子技术课程设计电阻测量仪 学 院 电子与信息学院 专业班级 14级电类联合班 学生姓名 # 学生学号 2014# 指导教师 吕念玲 课程编号 135115 课程学分 1 起始日期 2015.03.21 教师评语教师签名：日期：成绩评定备注目录目录3模拟电子技术课程设计电阻测量仪4一、选题背景4二、方案论证42.1设计题目要求42.2总体设计方案52.3 方案论证与比较6三、单元电路设计73.1 V直流电源电路73.2 NE555多谐振荡电路133.3 单片机最小系统153.4数字显示电路163.5 LED电阻单位指示电路17四、整机电路174.1 整机电路图174.

2、2 元件清单184.3 电路实现的功能和系统使用说明18五、性能指标的测量与分析185.1 电路测试18六 课程设计总结20参考文献21 模拟电子技术课程设计电阻测量仪1、 选题背景 现代电子产品正以前所未有的速度，向着多功能化、体积最小化、功耗最低化的方向发展。本次设计出具有两档量程的简易自动电阻测试仪，单位分别为和。本设计的难点在于电阻的测量精度和足够大的测量范围。在本设计中我们着重介绍一种把电子元件的参数R转换成频率信号f，然后采用单片机控制后，再通过程序处理运算求出R，最后应用4位数码管显示的方法。量程自动转换原理分别是RC振荡电路和NE555多谐振荡器，这样就能够把待测电阻转换为频率

3、，而频率f是单片机很容易处理的数字量。目前市面上测量电子元器件参数R的仪表种类较多，方法和优缺点也各有不同。一般的测量方法都存在计算复杂，不易实现自动测量而且很难实现智能化等缺点。将电阻参数转化为频率，这样处理一方面使测量精度提高了，另一方面也便于使仪表实现智能化，并能很好的实现各个要求。二、方案论证 2.1设计题目要求设计并制作一台数字显示的电阻参数测试仪，示意框图如下：测 试 仪电 阻数 字 显 示 外供15V（500mA）电源 图1 电阻测试仪框图 2.1.1基本要求： （1）测量范围： （2）测量精度：5% （3）制作4位数码显示管，显示测量数值，并用发光二极管指示所测元件的单位 2.

4、1.2发挥部分： （1）扩大测量范围 （2）提高测量精度 （3）测量量程自动转换 2.2总体设计方案 2.2.1 设计思路 根据题目要求，我们需要设计制作一台电阻测量仪，它包含了电阻测试电路和阻值显示电路，为使测量仪工作，我们还需要设计正负15V直流电源，最大电流不小于500mA。 本次设计考虑到时间限制，力求在保证测量电路有足够的精确度和一定的测量范围的条件下，尽量采用原理相对简单，电路结构简单的电路，从而保证精确可靠，简单可行。在此基础上，可以考虑拓展电阻的自动量程选择功能，便于提高精确度和扩大量程。2.2.2 设计方案经过搜索网上资料和查阅相关书籍，我们得到了以下四个电阻测量方案： 2.

5、2.2.1方案一：恒流源测量法 此方法用恒流源供电，测元件电压，经AD转换成数字量后，用数码管显示。原理框图如图2所示：电压采集电路数字显示AD转换恒流源电阻 外供15V（500mA）电源 图2 恒流源测量法 2.2.2.2方案二：直流电桥法 直流电桥法是测量电阻最为普遍的方法，它根据电桥平衡条件及一些电路参数就可以求出被测电阻的阻值，原理框图如图3所示：平衡调节 AD转换和运算数字显示电压采集电阻电桥 外供15V（500mA）电源电桥平衡判别电路 图3 直流电桥法 2.2.2.3方案三：分压法 利用已知阻值的电阻电压与被测电阻的电压之比来求被测电阻，原理简单，易于实现。电阻分压电路电压采集电

6、路数字显示AD转换 外供15V（500mA）电源 图4 分压法 2.2.2.4方案四：电阻转换成频率信号测量 很多仪表都将较难测量的量转换为精度较高且容易测量的量。基于此思路，我们把电阻的参数转换为频率信号，然后用单片机计数后再运算求出R的值并送去显示，转换原理是NE555多谐振荡电路。频率是单片机容易处理的数字量，且处理精度较高。同时，单片机也可以控制数码管的显示。数字显示电阻频率测量与转换电路NE555多谐振荡电路 外供15V（500mA）电源 图5 电阻转换成频率信号法2.3 方案论证与比较 方案一原理简单，但实际上很难实现理想的恒流源，而接近理想电流源的电路又过于复杂，所以它的实际测量

7、效果较差，范围很窄。方案二虽然普遍，但此方法要运用电路参数联立方程求解，而且电桥平衡调节档位一般只能手动。电桥是否平衡也很难用简单电路判别。方案三对已知阻值的电阻的精确度要求很高，而且测量范围也不能与已知阻值的电阻相差太多。相比较而言，方案四原理虽然相对复杂，但精度高，测量范围较大，电路也不复杂，容易实现。综合考虑以上方案的优缺点以及任务要求，我们决定采用方案四。进一步完善得到系统原理框图如图6所示：电阻LED电阻单位指示单片机NE555多谐振荡电路数码管显示5V直流电源 图6 系统原理框图3、 单元电路设计 3.1 V直流电源电路. V直流电源电路及其工作原理变压器负载稳压电路滤波电路整流电

8、路220V交流电图7直流电源电路原理框图电源对本设计的系统来说是比较重要的一部分，电源电压的稳定性与整个系统运行的稳定有密切关系，因此设计稳定的电源是必不可少的。如图7所示，直流稳压电源一般由变压器、整流器、滤波器和稳压器四部分组成。变压器把220V交流电（市电）变为稳压所需的低压交流电；整流器把低压交流电变为直流电；整流后的直流电中仍会含有交流成分，可以通过滤波电路将交流成分滤除；经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。3.1.2电源电路的方案论证 方案一：采用分立式元件 优点：分立元件结构简单，可用常用分立元器件，容易实现，技术成熟，完全能够达到技术参数的要求，造价成本

9、低。 缺点：设计、调试难度太大，周期太长，精确度不是太高    图8 分立元件电电源 方案二：采用集成稳压器 优点：集成稳压器件稳压部分需采用一块三端稳压器其他分立元器件，比较放大部分均采用对称性好、温漂小的差动放大电路，以利于提高其质量。元器件先进，技术成熟，完全能达到题目要求，性能较方案一优越一些。 缺点：成本较高。   图9 集成稳压电源 综上分析，采用分立元件设计电路成本低，易于购置。但是设计、调试难度太大，周期太长，尤其是短时间内手工制作难以保证可以实现，且难得达到设计要求，由于课程设计对成本没有过高的要求，故采用集成稳压器件设计电路，即采用方案二。3.

10、1.3 V直流电源电路元件的选取与计算 3.1.3.1变压器 设变压器原边电压为，副边电压为，副边电流为，集成稳压器输入电压为，输出电压为，输出电流为，均取有效值。一般情况下，为保证集成稳压器可以输出=15V电压，输入电压 应比大3V，故取=18V，根据桥式整流和滤波电容滤波作用特点，当时， 故=15V，考虑电网电压波动范围为，则 =1.115V=16.5V所以选变压器副边电压为17V即可。 令 取最大值500mA，由于，取=1.5,=0.75A，每组副边输出功率为 变压器采用的是双绕组，输出功率为 小型变压器功率在时，效率，所以变压器的功率为 选用40W的变压器即可满足要求。所以可以选用副边

11、电压为17V，功率为40W，输出电流为750mA的变压器。3.1.3.2整流二极管二极管承受最大反向电压为 二极管流过的平均电流为 考虑电网电压波动范围为，则 考虑负载最小值为，则平均电流最大值为 选用，的IN4001即可满足要求。3.1.3.3滤波电容 滤波电容应满足，这里考虑负载=100，取5倍工频半周期，则 考虑电网电压波动范围为，则 ，可取，耐压值为30V的电解电容。 此外，为进一步消除皱纹，在稳压器的输入端接入取值较小的电容，取值为。输出端的电容，起到了频率补偿的作用，能防止自激振荡，容量较小，取值为。输出端电容，为电解电容，以减小稳压电源输出端由输入端引入的低频干扰，取值为10。3

12、.1.3.4集成稳压器稳压电路的类型有：稳压二极管电路、串联稳压电路、串联集成稳压电路等。一般采用集成稳压器设计稳压电源，它具有电压性能稳定、结构简单、外围元件少等优点。集成稳压器有三端固定式稳压器和三端可调式集成稳压器，本设计要求的是直流电源，因此采用固定式稳压器。由于题目要求直流电源可以输出，可以选用常见的LM7815CT和LM7915CT，它们均输出15V直流稳压。通过以上运算，我们得到下面的电路图： 图10 直流电源电路图3.1.4 直流电源的仿真 3.1.4.1整流电路 图11 整流电路仿真 图12整流后的波形3.1.4整流滤波仿真电路 图13 整流滤波仿真电路 图14整流滤波后的波

13、形3.1.4.2 稳压电路 图15 完整电源电路 图16 稳压后的波形从以上仿真结果可以看出，各个模块波形符合要求，最终输出电压稍大于14.8V，在误差允许范围内是符合题目要求的。这说明电源电路设计合理，理论可行。3.2 NE555多谐振荡电路 321 NE555多谐振荡电路及其工作原理 图7 NE555多谐振荡电路 采用555多谐振荡电路，将电阻量转换为相应的频率信号值。考虑到单片机对频率的灵敏度，具体的讲就是单片机对10HZ-10KHZ的频率计数精度最高。所以要选用合理的电阻和电容大小，同时又要考虑到不能使电阻 的功率过大。所以首先要确定对应档位时适合的频率，然后在确定电阻或电容值，从而算

14、出电阻和电容的值以及对应频率范围。电阻的测量采用“脉冲计数法”，如上图17所示由555电路构成的多谐振荡电路，管脚3会输出频率一定的矩形波，通过计算管脚3输出的频率来计算被测电阻的大小。555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为 对应频率为 把、和代入公式(12)便可以计算的值。322 NE555多谐振荡电路元件的选取与计算 本设计考虑量程范围为，于是为了让电路测量准确，取中间量级，考虑到在单片机合适的测量范围内，频率越高，测得的值相对误差会越小。尽可能让值在1kHZ左右。取为1kHZ，为10，则由公式（2）得=0.048。查阅实验室元件类型发现只有104型号电容比较接近该值，于是选用0.01。

15、实验时尝试了其它值的电容，发现接入0.01电容的振荡电路输出矩形波形比较稳定，确定选用该值。 NE555的5脚端是参考电平端，通常接电容，用于消除参考端的干扰，这里取0.01。3.3 单片机最小系统 图8 单片机最小系统 对于51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、复位电路、时钟电路。 3.3.1 复位电路 复位电路由电容串联电阻构成,由图18并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以

16、保证可靠的复位，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。 在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。在电路图中，电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k。所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K*10UF=0.1S。  也就是说在电脑启动的0.1S内，电容两端的电压时在03.5V增加。这个时候10K电阻两端的电压为从51.5V减少（串联电路各处电压之和为总电

17、压）。所以在0.1S内，RST引脚所接收到的电压是5V1.5V。在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。所以在开机0.1S内，单片机系统自动复位。3.3.2时钟电路单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。单片机的时钟信号通常有两种产生方式：内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式的原理电路如图18所示。在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。晶振的取值范围一般为024MHz，常用的晶

18、振频率有6MHz、12 MHz、11.0592 MHz、24 MHz等。外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用2030pF的瓷片电容，这里选用22pF。外部时钟方式则是在单片机XTAL1引脚上外接一个稳定的时钟信号源，它一般适用于多片单片机同时工作的情况，使用同一时钟信号可以保证单片机的工作同步。3.4数字显示电路 图19 数字显示电路 单片机通过控制IO口的高低电平输出二进制数，经CD4511锁存和7段译码后，可以在数码管上显示相应的数值。 CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，用于驱动共阴极 LED （

19、数码管）显示器的 BCD 码-七段码译码器。是具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路，能提供较大的拉电流，可直接驱动共阴数码管。实验时所用数码管为红色数码管，正向导通时的工作电压为=1.8V,正常工作电流应在5mA到10mA，所以限流电阻应满足 因此限流电阻可取500。3.5 LED电阻单位指示电路 图20 LED电阻单位指示电路 Led正极接P10管脚，负极接限流电阻再接地，通过程序控制，LED不亮时，表示待测电阻的阻值小于，在4位数码管显示的数即为电阻值，单位为。LED亮时，表示待测电阻的阻值大于或等于，此时程序自动判断并略去阻值的低三位，即数码管显示的数字单位为

20、。 限流电阻的取值过程与数码管限流电阻类似，故取500。四、整机电路 4.1 整机电路图 图1 整机电路4.2 元件清单 表1：元件清单元件名称型号/规格数量单片机多谐振荡器锁存译码器共阴数码管晶振按键开关脚发光二极管红色电解电容瓷片电容瓷片电容电阻电阻4.3 电路实现的功能和系统使用说明本设计可以较为精确地测量到范围内的电阻阻值，并有自动量程转换功能。将本设计电路接通电源后，在位置插入待测电阻，按下复位按键，位数码管就可以显示电阻阻值。当红色指示灯亮时，表示显示数值单位为，不亮则为。五、性能指标的测量与分析 5.1 电路测试 5.1.1 测试使用的仪器函数信号发生器、示波器、直流稳压电源、数

21、字万用表5.1.2指标测试步骤、测量数据与分析测试步骤： 步骤一：搭接多谐振荡电路并测试波形，对比预期波形步骤二：搭接数字显示电路和显示单位电路，并测试其能否正常工作步骤三：制作最小系统步骤四：编写简单测试程序，观察数码管是否可以正常显示 ，确定单片机最小系统可以正常工作步骤五：利用信号发生器测试方波，测试单片机能否正常计算频率步骤六：各个模块确认可正常工作后，连接整机电路，测试不同电阻阻值并记录，得到电路的测量误差和测量范围 测量数据： 表2：实际测量数据及误差统计实际值测量值测量值测量值平均相对误差.分析：以上数据表明，在待测电阻阻值为至的范围内，电路均能较为准确地测量出电阻值,并且多次测

22、量数值也比较稳定。除了第一组数据误差稍稍超过外，其它组数据误差均在以内，实现了测量范围较大，测量精度较高的预期目标。不过，本设计电路仍然有些不足，比如电阻比较精确的测量范围还可以拓宽，电路成本还可以减小，电阻测量精度可以更高等等，有待进一步改进和优化。现提出改进方案如下：一、多设几组参数不同的电阻电容，搭接不同的振荡电路，供不同大小待测电阻选择。二、多测几组数据，分析电路的误差规律，计算出误差系数，修正程序里的计算公式，进一步减小误差。5.1.3 故障分析及处理 故障一：搭接多谐振荡电路测量号管脚输出波形时，示波器没有显示出方波。原因分析：开始电容和电阻的取值光凭公式推算，实则有多种取值的可能

23、。电容取值太大或太小，电容的充放电速率都不一样，都会影响波形的稳定。通过搜索网上资料，重新推算，我最终选用了本设计报告所用的电容，最终示波器显示出比较理想的矩形波。故障二：数字显示电路未能正确显示数字 原因分析：先预定让数码管显示某个数字，然后推算应该输入的二进制数，然后将的二进制输入管脚接相应的高低电平。看看能否正常显示。最后发现是数码管引脚电路图有误，导致管和管接反了。修正电路后，数码管可以正常显示单片机程序要显示的数值了。 图22实际调试电路 六 课程设计总结 本次设计用了整整五天时间，从开题到查找资料，从设计电路到不断调试修正。这五天时间里，遇到了不少困难，犯了不少错误，比如设计时候用

24、单片机直接驱动继电器，后来才发现单片机高电平驱动能力很差，电流大小无法满足驱动继电器的要求，只能用三极管作开关，可是这样又改变了电路的电阻，使问题更复杂，只好果断放弃，采取较为简单易行的方案。这让我懂得了设计过程每一步都必须有理有据，严谨认真，不能想当然，不能随意照搬，否则哪一个环节出错了整个设计都可能毁于一旦，所有工作都得重头再来。保证设计过程准确无误，在调试过程中才能有信心去发现问题，解决问题，坚持到底，而不是怀疑自己，丧失信心。本次课程设计光设计就花了两天时间，不过也因为设计比较严谨，最后的调试没有大的错误，只需一个模块一个模块的解决问题就可以了。调试过程中多谐振荡电路本来是很简单的电路

25、，却花了一个上午才调出了波形。只能说我事先对这部分的电路设计不到位，元件取值不够合理，导致波形起初一直很不稳定，没有确定的形状。多次重接电路、更换元件才解决了问题。数字显示电路部分也折腾了很久。起初调试时单片机、译码器和数码管都接在了一起。数码管毫无反应，也不知道是单片机程序、译码器还是数码管出了问题，用万用表测各个管脚电压也没弄明白。后来撤去单片机，直接用电源的正负极作为译码器二进制数的输入，数码管才亮起来了，最后也是用这样的方法修正了数码管接错线的问题。这让我明白了调试得一步一步来，解决了一个模块才到另一个。这以后，我渐渐掌握了门道，每个模块都逐渐搭接调试完成了。最后验收时，电阻测量范围和

26、精度都比较理想，还成功拓展了一个量程自动转换功能。五天努力总算有所收获，功夫不负有心人。不过本次课程设计也有不少的问题，比如测量范围还不够大，可以尝试搭接另一组振荡电路与连接，从而在扩大测量范围的同时保证精度；搭接的电路由于使用较多的杜邦线，不够美观。这些未能做及时的改进主要还是由于时间的限制。不过能做到这一步，也算是一次不小的进步。希望以后有更多的机会可以锻炼自己，把自己所学的知识应用的实践中去，从而达到融会贯通的目的。参考文献1四川托普信息技术职业学院简易电阻测试仪2陈新简易自动电阻测试仪郭天祥. 新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展. 北京：电子工业出版社，20094正负1

27、5v直流稳压电源设计5童诗白.华成英.模拟电子技术基础第四版.M.北京.高等教育出版社.20066阎石.数字电子技术基础第五版.M.北京.高等教育出版社.2006附程序代码：（）#include"STC12C5A.h"#include"delay.h"#include"trans.h"#define uint unsigned intuint f,R; /频率,电阻uint T0count=0; /计时器T0中断次数，即计数溢出次数uint flag=0; /t1中断次数，即溢出次数uint R1;sbit led_H=P10;voi

28、d dis(void);/计算频率void show_R(void);/显示电阻void main() led_H=0; TMOD=0x15; /t0计数，t1定时 TH0=0;TL0=0; /初始化t0定时器 TH1=(65536-50000)/256; /初始化t1定时器 TL1=(65536-50000)%256; /对于12M晶振，定时20*50ms TR1=1;TR0=1; /开启两个定时器 ET0=1;ET1=1; /开启定时器中断 EA=1; /开启总中断 while(1) if(flag=20) /定时1s后 TR0=0;TR1=0; /关闭两个定时器 dis(); R1=(1

29、4427000/f-10000)/2; if(R1>9999) R=R1/1000; show_R(); led_H=1; else if(R1<=9999) R=R1; show_R(); led_H=0; delay_ms(3000);/维持数码管静态显示3s TH0=0;TL0=0;/初始化t0计数器 T0count=0;/重置T0count flag=0; f=0; TR0=1;TR1=1;/开启两个定时器 void dis(void) f=T0count*65536+TH0*256+TL0;void show_R(void) uint dd,dc,db,da; /个十百千 dd=R%10; dc=(R-dd)%100)/10; db=(R-dc*10-db)%1000)/100; da=R/1000; trans_a(da); trans_b(db); trans_c(dc); trans_d(dd); void t0(void) interrupt 1 using 1/计数 T0count +; void t1(void) interrupt 3 using 2 /计时 TH1=(65536-50000)/256; TL1=(6553