数字电阻测试仪

数字电阻测试仪

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。本实验电阻值由四位段七位数码管显示，要求设计量程为100Ω~100KΩ，红绿灯显示单位。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 74160 计数锁存数码显示

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。

第一章系统概述

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。本设计根据要求设计一个能用四位七段数码管

显示的电阻测试仪。我们有这样的思路，可把测试系统划分为三个部分，一是测试电路，二是计数电路，三是显示电路。

二、设计方案的分析与选择：

2.1、测试电路方案的分析与选择

目前，电阻R的测量的方法很多，方法各不相同，这些方法都有其优缺点。电阻的测量，最基本的就是根据R的定义来测量，即R=U/I。还有限流法和分压以及电桥法等。在保证精度的前提下，还可以用RC振荡电路来实现电阻大小的测量。

方案一、伏安法测电阻

1．原理：根据部分电路欧姆定律。

2．控制电路的选择

一种是限流电路（如图1.1）；另一种是分压电路（如图1.2）。

图1.1 图1.2

（1）限流电路是将电源和可变电阻串联，通过改变电阻的阻值，以达到改变电路的电流，但电流的改变是有一定范围的。

（2）分压电路是将电源和可变电阻的总值串联起来，再从可变电阻的两个接线柱引出导线。如图2，其输出电压由ap之间的电阻决定，这样其输出电压的范围可以从零开始变化到接近于电源的电动势。

3．测量电路

由于伏特表、安培表存在电阻，所以测量电路有两种：即电流表内接和电流表外接。（1）电流表内接和电流表外接的电路图分别见图1.3、图1.4

图1.3 电流表内接图1.4 电流表外接图1.5

（2）电流表内、外接法的选择，

①、已知R V、R A及待测电阻R X的大致阻值时

若Rx/Rv＞Rv/Rx，选用内接法，Rx/Rv

②不知R V、R A及待测电阻R X，采用尝试法，见图5，当电压表的一端分别接在a、b两点时，如电流表示数有明显变化，用内接法；电压表示数有明显变化，用外接法。

（3）误差分析：

内接时误差是由于电流表分压引起的，其测量值偏大，即R测＞R真；

外接时误差是由于电压表分流引起的，其测量值偏小，即R测＜R真。

4．伏安法测电阻的电路的改进如图1.6、图1.7

图1.6 图1.7

方案二、数字多用表中的电阻测量方法

数字多用表中测量电阻的原理电路图如下图1.8，利用直流电源，输入电阻和运算放大器组成一个多值恒流源，实现多电阻测量。

图1.8 数字万用表中测量电阻的原理电路

方案三、桥式电路测电阻(电桥法)

电桥法又称示零法。它利用指零电路作为测量的指示器，工作频率很宽，能在很大程度上消除或削弱系统误差的影响，精度很高，可达到10-4。

原理：如图1.9的电路称为桥式电路，一般情况下，

图1.9 图1.10

电流计（检流计）中有电流通过，但满足一定的条件时，电流计中会没有电流通过，此时，称为电桥平衡。

处于电桥平衡时，图中A、B两点电势相等，因此电路结构可以看成：R1R2和R3R4分别串联，然后并联；或R1R3和R2R4分别并联，然后再串联。

2 电桥平衡的条件： R1×R4=R2×R3

3．测量方法

如图1.10，连接电路，取R1、R2为定值电阻，R3为可变电阻箱（能够直接读出数值），

Rx为待测电阻。调节R3，使电流计中的读数为零，应用平衡条件，求出Rx。

电桥法的测量误差，主要取决于各桥臂阻抗的误差以及各部分之间的屏蔽效果。另外，为保证电桥的平衡，要求信号源的电压和频率，特别是波形失真要小。

应当指出，在实际应用中，测量电阻采用直流双臂电桥（也称凯尔文电桥）。信号源是直流电源，通常采用大电容蓄电池。

方案四、RC振荡电路法（时间常数法）

基本原理是由555集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路，当稳态触发器

输出电压的脉宽为：。这种电路产生的脉宽可以从几个微秒到数分钟，由以上公式可以看出，通过固定电容C，当改变电阻值RX时，输出脉宽tW跟着改变，由tW 的宽度就可求出电阻的大小。

以上介绍的是电阻测量的方法，可见各种方法都有其优缺点。

第一种为伏安法，原理简单易于理解，但需要同时测出两个模拟量，不易实现自动化。第二种万用表测量，把被测电阻和标准电阻及电池串联，用电流表测出电流，由于被测电阻与电流一一对应，由此就可读出电阻阻值。这种测量方法的精度变化大，若要较高的精度，必须较多的量程，电路较复杂。第三种电桥法，用这种方法测量，参数的值还要通过联立方程求解，电桥平衡的判别也难以用简单的实现，调节和平衡很难实现智能化。很多仪表都是把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。第四种RC振荡电路法，用这种方法测量，可把电阻值转换成频率信号F，这种转换就是把模拟量近似地转换为数字量，易于实现数字化，另一方面也避免了由指针计数引起的误差。因此，选择第四种。

2.2、计数电路方案及选择、

计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能，计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成，计数单元则由一系列具有存储信息功能的各类触发器构成。针对本实验我们决定使用我们学过的非常熟悉的74LS160芯片。

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。由于74LS160为十进制计数器，为使它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。具体电路设计详见后面的解释。

2.3、显示电路方案（如何实现由四位七段数码管显示电阻值）、

1．A/D转换实现：把单稳态触发器的输出电压V0取平均值，由于电容量的不同，tW 的宽度也不同，则V0的平均值也不同，由V0的平均值大小可得到电阻R的大小。如果把平均值送到位A/D 转换器（CC7107），经显示器显示的数据就是电阻值的大小。

2．数字频率计原理实现：由于单稳态触发器的输出脉宽tW与电阻阻值成正比，还可利用数字频率计的知识，把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数-锁存-译码显示系统就可以得到电阻值的数据。

3．单片机实现方法：大致方法为将电阻信号转变为频率信号，并通过单片机对所检测到的频率进行相应处理，再送到数字显示模块进行显示。此方法可以很方便的实现电阻测量的智能化，精度也更高。但由于我们现在还没学习到单片机的相关知识，实现起来难度还是比较大的，特别是在编程部分。所以，在后续的学习中，如果还有相应的设计课程，我会尝试用这种方法来实现相关的设计任务。

综上所述，我选用跟自己在本学期所学课程《数字电子技术基础》知识更密切相关的方法来实现，即通过555构成RC多谐振荡电路和单稳态触发电路以及数字频率计的相关知识来实现数字显示功能。

第二章单元电路设计及系统分析

一系统方案及工作作原理

1 系统方案的原理框图如图2.1所示.

图2.1

2 工作原理

如以上结构图所示，利用单稳态触发器或电容器充放电规律等,可以把被测电阻的大小转换成脉冲的宽窄,即控制脉冲宽度Tw严格与RX成正比. 只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相与,便可得到计数脉冲,把计数脉冲送给计数器计数,然后再送给显示器显示.

若多谐振荡器所产生的时钟脉冲的周期为Ts，即Ts=0.7(R1+2R2)C,设频率为F，则F=1/T。而微分型单稳态触发电路，作为控制电路，其所产生的时钟脉宽Tw=1.1RC。

如下图所示，有Tw=NTs。即1.1RxC=NTs, T s为给定的时钟脉冲信号。

如果时钟脉冲的频率等参数合适,数字显示器显示的数字N 便是电阻RX的大小.

图2.2

二各单元电路设计

（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2.3.单稳态触发器波形图

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。

R2为1k的定值电阻。C3、C4、C5、C6、C7分别为不同电容值的电容，C3、C4为一组，C5、C6为一组。J1为单刀双掷开关，用来控制所测阻值单位，与C3、C4连接时表示所测电阻单位为欧姆，X1亮；与C5、C6连接时表示所测电阻单位为千欧姆。J2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2.4 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：

1kΩ

Key=G

R2

82%

1kΩ

Key=F

R3

92%

图2.5 555多谐振荡器的工作原理图

产生的输出波形如下所示：

图2.6. 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：

1kΩKey=G R282%1kΩKey=F R392%

74LS160N

图2.7 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：

图2.8 与门

相与后的波形如下图所示：

图2.9 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2.9）所示的单脉冲的个数就是由其计数的。

在这里我们要特别注意的是74LS160具有异步清除端。与同步清除端不同的是，它不受时钟脉冲控制，只要来有效电平，就立即清零，无需再等下一个计数脉冲的有效沿到来。具体功能如下：

1.异步清零功能

只要（CR的非）有效电平到来，无论有无CP脉冲，输出为“0”。在图形符号中，CR的非的信号为CT=0，若接成七进制计数器，这里要特别注意，控制清零端的信号不是N-1（6），而是N（7）状态。其实，很容易解释，由于异步清零端信号一旦出现就立即生效，如刚出现0111，就立即送到（CR的非）端，使状态变为0000。所以，清零信号是非常短暂的，仅是过度状态，不能成为计数的一个状态。清零端是低电平有效。

2.同步置数功能

当（LD的非）为有效电平时，计数功能被禁止，在CP脉冲上升沿作用下D0～D3的数据被置入计数器并呈现在Q0～Q3端。若接成七进制计数器，控制置数端的信号是N（7）状态，如在D0～D3置入0000，则在Q0～Q3端呈现的数据就是0110

。

图2.10 计数器级联图

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级联图如上图所示：

（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：

图2.11 与非门

锁存器的连接图如下所示：

图2.12 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2.13 数码显示管联结图

（八）、电路的调试

按照整个电路图接好电路,检查无误后即可通过MULTISIM软件进行仿真运行调试.计数、锁存、译码和显示电路只要连接正确,一般都能正常工作,不用调整。主要调试时钟脉冲发生器和控制器.

首先调试时钟脉冲发生器,使其振荡频率符合设计要求. 用MULTIMSIM软件中的频率计检测电路的输出端,同时用示波器监测波形.调整R1电位器,使输出脉冲频率约为500HZ,占空比为0.6。接着调试控制器. 将一个100μF 的标准电容接到测试端,按一下开关S ,使单稳态电路产生一个控制脉冲,其脉宽Tw = 1. 1RxC ,它控制与门使时钟脉冲通过并开始计时.如果显示器显示的数字不是100 ,则说明时钟脉冲的频率仍不符合要求,可以改变C再重复上述步骤,经多次调整直到符合要求为止.

第三章

系统综述

一、 总电路图及系统综述 1、总电路图

图3.1 总电路图

2、 系统综述

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

2.5 V

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。

二、课设总结

遇到的问题及解决方案

1、数模转换

这个问题可以说是整个设计中最难的部分了。一开始我们想的是用A\D转换来实现，可是没有学过，书本上也只是泛泛的讲解了一下，想要靠自学完全弄清楚，显然难度系数比较大，再说了时间也不允许。搜集了一些资料后发现用555也可以实现数模转换，正好是刚学过的，遂转换思路用555实现数模的转换。

2、测量精度

总的电路设计出来后，仿真时发现存在严重的测量误差。分析后发现问题应该是出在单稳态那一部分，我们当时的想法是通过J2的开与断来控制单稳态工作，老师告诉我们手动控制开关无法保证所给负脉冲的宽度，为0时间过长就会产生较大的测量误差，可换成常断开关。改进后发现误差有所减小，但还是不够理想，请教老师后，才发现是因为电路中阻值跃迁太大，换挡后一下子从Ω变成了KΩ，中间有很多数值都无法测量出来，老

师建议我们加一个分频电路将从多谐振荡器处产生的波进行分频，这样就对所测量电阻进

行了更加细致的划分。刚开始我们只有两个档位，Ω和KΩ，加分频电路后变成了四个档位，100Ω，1KΩ，10 KΩ和100 KΩ，这样划分的更加细致，测量结果也更加准确了。3、误差处理

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。

参考资料及文献

【1】林涛主编.数字电子技术基础.北京:清华大学出版社,2006

【2】林涛主编.模拟电子技术基础.重庆大学出版社，2003

【3】谢自美主编.电子线路设计·实验·测试(第三版).武汉:华中科技大学出版社,2006 【4】康华光主编.电子技术基础(第五版).北京:高等教育出版社,2006

【5】阎石主编.数字电子技术基础(第四版).北京:高等教育出版社,1999

【6】百度和谷歌

【7】从宏寿主编. Multisim 8 仿真与应用实例开发.北京.清华大学出版社，2007

鸣谢

我们小组在本次课程设计中遇到了很多困难，非常感谢指导老师和同学的热情帮助。他们给了我们很多有建设性的思路。特别是及时指出了我们犯的错误，对我们的整个设计帮助很大。老师的悉心指导和同学的鼓励真的让我们非常感动。

在这里我们要特别感谢我们敬爱的邓老师，她教给我们基础知识，并不断鼓励我们积极思考，启发我们不断创造，对我们今后的学习和发展帮助很大，影响深远。我们再一次向邓老师表示深深的感谢。最后感谢学院的老师及图书馆给予我们的支持和配合。

体会

在本次课设中，我遇到了不少困难。从开始搜集资料到后来的方案确定过程，特别是在确定方案的时候，一开始甚至不知从何着手。我充分的认识到，课程设计对一名大学生来说是多么的重要，它可以帮助我们及时地将自己所学的理论知识与实践相结合的，并提高

自己的动手及解决问题的能力。

在遇到问题的时，我学会了从哪些角度来思考并寻找解决问题的办法，比如上网或图书馆搜集资料、或请教老师以及和同学讨论等，这些过程对自己的学习与进步十分重要，在这些过程中，我学会了合作、学会了找出问题的所在并着手解决问题，总之受益匪浅。

元器件明细表