数字式电阻测试仪

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：一是系统概述，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的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：555 多谐振荡器单稳态触发器 74LS160N

设计要求：1. 被测电阻值范围100Ω～100kΩ；

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。

第一部分系统概述

一、设计思路：

数字式电阻测试仪的基本工作原理是将待测的数字信号转化为模拟信号，在通过计数、译码，由数码管直接将阻值显示出来。本设计是通过555芯片与74LS160芯片共同协作来完成的。接通电源后多谐振荡器开始工作，此时给555单稳态触发器一个负脉冲，使其工作，产生的脉冲宽度为Tw，两输出端相与后接74LS160计数器，记录的就是Tw宽度内多谐产生的高电平个数。因待测电阻R与单稳态的脉冲宽度Tw呈线性关系，给定参数后，高电平数即为待测电阻值。最后通过译码显示，显示出最终的结果。

二、设计方案的分析与选择：

本次设计要求进行电阻测量并将结果在数码管上显示出来，期间要进行单位的选择，其实就是进行数字式欧姆表的设计。如何将模拟信号转换为数字信号成为本次设计的一个难点。考虑到555单稳态触发器可以实现模数的转换，因此我们决定采用555电路来完成。

下面给出四种设计方案进行可行性分析：

方案一：用场效应管运算放大器和A\D转换实现。

使用场效应管运算放大器组成线性欧姆表电路。运算放大器的同向端接稳压二极管，输出经待测电阻Rx反馈到反向输入端，反向输入端经一电阻R 接地。由于电流表的一端接在运算放大器的同向端，因此运算放大器输出与待测电阻Rx成正比。如果电流表满量程则代表Rx=R。这样待测电阻的阻值可以很容易的根据R来确定，只需改变R值即可轻易获得待测电阻值。将获得的电阻值经A\D转换后与数码管连接，则数码管显示电阻值。

其电路基本原理图如下图所示：

图1.1 方案一原理图

方案二：利用桥式电路和A\D 转换实现。

待测电阻Rx 和R=1000,R1,R2,P1组成一个电阻电桥，其中P1是用来完成校准过程的。运算放大器的输出电压与（R-Rx ）/（R+Rx ）成正比，待测电阻大小可通过电压表或电流表指示出来。R 和Rx 可通过驱动指示灯LED1和LED2显示，当R 大于1000时，运算放大器输出低电平，LED1亮，否则LED2亮。也可以通过电表的正负指示电阻的大小。将测量出的电阻值通过A\D 转换电路实现数制的转换，并将其连接至数码显示管，最终的测量结果将在数码管上显示出来。其原理图如下图所示：

图1.2. 方案二原理图

方案三：用555单稳态触发器和A\D 转换实现。

根据555单稳态触发器的基本工作原理可知，输出脉冲宽度Tw 与电阻R 有关系Tw=1.1RC,给定C 值，R 将与Tw 成正，R 的值可通过Tw 指示出来。将其通过A\D 转换后与76LS160连接，结果将在数码显示管上体现出来。 其原理图如下图所示：

方案四：用555多谐振荡器和单稳态触发器，74LS160计数器共同实现。

555单稳态触发器的脉冲宽度与电阻呈正相关，故阻值大小可通过脉冲宽度体现。给定多谐振荡器的振荡频率。将多谐振荡器的振荡周期与单稳态触发器的脉冲宽度相与，结果作为计数脉冲，经由74LS160后，最终将在数码管上显示被测电阻值大小。

其原理图如下所示：

综观上述各设计方案，各有利弊。

方案一是用场效应管和A\D转换实现的，其优点是校准部分易于实现，不足之处在于数显部分和A\D转换部分实现起来比较困难。

方案二是用桥式电路和A\D转换来完成，同样的，校准部分容易实现，但数显和单位转换，A\D转换不易实现。

方案三用555单稳态触发器和A\D转换，实现起来存在类似的问题，仍是A\D转换时存在困难。

方案四采用的是555单稳态触发器和多谐振荡器，74160共同实现的，将电阻信号转化为方波信号。即由0和1组成的数字信号。这样就解决了A\D转换时带来的困难。综合考虑各个因素我们最终确定了将方案四作为我们最终的设计方案。

第二部分单元电路设计

一、555单稳态脉冲的产生

555单稳态触发器的工作原理为：接通电源瞬间，Uc=0V,输出Uo=1,放电三极管T截止。Ucc通过R给C充电。当Uc上升到2Ucc/3时，比较器C1输出变为低电平，此时基本RS触发器置0，输出Uo=0。同时，放电三极管T 导通，电容C放电，电路处于稳态，稳态时Ui=1。

当输入负脉冲后，触发器发生旋转，使Uo=1，电路进入暂稳态。由于Uo=1，三极管T截止，电源Ucc可通过R给C充电。当电容C充电至Uc=2Ucc/3时，电路又发生反转，输出Uo=0，T导通，电容C放电，电路自动恢复至稳态。

暂稳态时间由RC电路参数决定，输出脉冲宽度Tw=1.1RC。

其电路图如下所示：

VDD

5V

图2.1.555单稳态触发器的工作原理图

其中，Vcc为5V的直流电压源。R为待测电阻，用滑动变阻器实现电阻

的调换。R

2为1k的定值电阻。C

3

、C

4

、C

5

、C

6

、C

7

分别为不同电容值的电容，

C 3、C

4

为一组，C

5

、C

6

为一组。J

1

为单刀双掷开关，用来控制所测阻值单位，

与C3、C6连接时表示所测电阻单位为欧姆，X1亮；与C2、C7连接时表示所测电阻单位为千欧姆。J

2

为单刀单掷开关，用来给触发器施加负脉冲。

产生的波形如下图所示：

图2.2.单稳态触发器波形图

二、555多谐振荡器波形的产生：

多谐振荡器与单稳态触发器的工作原理很相似，都是通过电阻电容的充放电完成的。

当接通电源Ucc后，电容C上的初始电压为0V，比较器C1、C2输出为1和0，使Uo=1，放电管T截止，电源通过R1、R2向C充电。Uc上升至2Ucc/3时，RS触发器被复位，使Uo=0，T导通，电容C通过R2到地放电，Uc开始下降，当Uc降到Ucc/3时，输出Uo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3脚输出矩形波信号。

电容C上的充电时间T1和放电时间T2分别为：

T1=0.7(R1+R2)C

T2=0.7R2C

输出矩形波的周期为：T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C

振荡频率：f=1/T=1.44/[(R1+2R2)C]

占空比：q=(R1+R2)/(R1+2R2)

如果R1>>R2，则q=1,Uc近似为锯齿波。

其电路图如下所示：

555_VIRTUAL

Timer

GND

DIS

OUT

RST

VCC

THR

CON

TRI

1kΩ

Key=G

R2

82%

1kΩ

Key=F

R3

92%

1nF

C1

10nF

C2

Vs

图2.3.555多谐振荡器的工作原理图

产生的输出波形如下所示：

图2.4. 555多谐振荡器的输出波形

三、多谐与74LS160组成的分频电路

将多谐振荡器的输出作为74LS160的触发脉冲端，因74LS160为十进制

计数，即每输入一个触发脉冲，计数器跳转一次。将四个74LS160进行级联，当低位片计数十次，十位片计数一次。以此类推，个位片计数一百次，百位

片计数一次，低位片计数一千次，千位片计数一次。将四个计数器的Q

A

端引出，即可实现对输入信号的四次分频。

本设计中，当给定多谐的频率为2MHz时，第一个分频电路即U1的输出

频率为1MHz，第二个分频电路即U2的输出频率为100KHz,依次U3的输出频率为10KHz，U4的输出频率为1KHz,这样就实现了对输出信号的四次分频。

用第一个分频电路来控制阻值范围在100Ω的电阻，第二个分频电路用来控制组织在100Ω---1KΩ的电阻，第三个分频电路用来控制1KΩ---10KΩ的电阻，最后一个分频电路用来控制10KΩ---100KΩ的电阻，这样就将测量电阻进行了细化，使得测量更加精确。

电路图如下所示：

1kΩ

Key=G

R2

82%

1kΩ

Key=F

R3

92%

74LS160N

图2.5.分频电路图

四、单稳态与分频支路相与

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。

如下所示：

U10A

7409N

图2.6.与门

相与后的波形如下图所示：

图2.7.与门输出波形图

五、74LS160计数

本设计中的74LS160芯片是用于计数的，因最终结果要显示四位，故要用四个74LS160芯片来实现。单稳态和分频电路相与后产生的如图2.7.所示的单脉冲的个数就是由其计数的。

由于74LS160为十进制计数器，为使她能够对四位十进制数进行计数，需将其拓展，即级联。74LS160得级联方式很多，本设计中，我们使用低位片的进位，作为高位片的触发脉冲来实现。即低位片每向高位进为一次，高位计数一次。由此可实现10000进制计数。

计时器的清零可通过开关J6来实现。将计数器的清零端即ROC同时接到开关上。开关常开，即接1。每当需要更换电阻时，将开关闭合后打开，即为0。以此实现计数器清零

74LS160级联图如下所示：

图2.8.计数器级联图

六、锁存器锁存电路

本设计中的锁存功能是通过74LS74实现的。D触发器具有锁存功能，当CP时钟脉冲未到来时，触发器出入端的状态不影响输出状态。当CP脉冲到来时，触发器输出状态与当前时刻输入端的状态相同。

一个74LS74芯片中包含有两个D触发器，故要实现对从四个74LS160出来的16个二进制数的锁存，需要8个74LS74芯片。

为顺利实现锁存功能，考虑再三，我们决定，利用单稳态的输出脉冲来控制8个74LS74芯片。当单稳态触发器产生下降沿时，它的非为上升沿。

因此，将单稳态的输出与1相与后，即对单稳态的输出求非后，作为74LS74的触发脉冲。

每一个D触发器可以实现一位锁存，也就是说，对四输出的74LS160，每一个芯片都需要两个74LS74来实现四位锁存。因此，U11和U12来实现对U7中四个数的锁存，U13和U14用来实现对U8中的数的锁存，U15和U16实现对U9中四个数的锁存，U17和U18用来实现对U10中四个数的锁存，这样经四个74LS160计数的16个数就实现了锁存。

74LS00可实现与非功能，如下图所示：

74LS00D

U6A

图2.9.与非门

锁存器的连接图如下所示：

图2.10.锁存器连接图

七、数码管显示

本设计所使用的数码显示管是DCD-HEX，可同时完成译码和显示两个功能。用74160N计数器计数后的信号输入到数码显示管，显示管内的译码器先译码，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。

四位显示最大能显示到9999，因此对于大于此量程的数据就不能记录了，需要用一个报警装置来提新用户，当数值超过量程时，就必须换挡位或者换别的仪器进行测量。

为了解决这个问题，我们设计了一个灯来充当这个报警装置，用一个与门连接四个74160N的进位端，即RCO端，在与门的另一端接一个555构成的报警装置，当出现9999时，蜂鸣器就发出报警声，则表明待测电阻阻值过大，选择的量程小了，应该更换档位。这同时也就实现了档位的选择调整。数码显示管与报警装置的连接图如下所示：

2.5 V

图2.11.数码显示管联结图

第三部分系统综述总体电路图

这次设计，我们使用了两个555，一个用来产生单脉冲，一个是多谐震荡，能产生多谐振荡的555电路，经四个74LS160分频后，经其中一个支路的输出与单稳态触发器的输出信号通过74LS09实现相与，再输入到74LS160计数器，74LS160计数后，计数结果送至74LS74进行锁存，最后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。然后多谐振荡产生连续的方波，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100Ω到100KΩ，并且要求用4位数码管显示，为了提高测量精度，我们选用了由多谐振荡器构成的分频器来把阻值范围再进行细化，使得测量更加精确。

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。

电路仿真图如图所示：