數(shù)字式電阻測試儀11319

.z."電子技術(shù)"課程設(shè)計報告題目數(shù)字式電阻測試儀學院〔部〕信息學院專業(yè)班級學生**學號12月10日至12月2指導教師〔簽字〕前言隨著信息科學和計算機技術(shù)的迅速開展，電子技術(shù)的理論與應(yīng)用得到飛躍開展。信息正是一個高度開展的產(chǎn)業(yè)，而數(shù)字技術(shù)是信息的根底，數(shù)字技術(shù)是目前開展最快的技術(shù)領(lǐng)域之一，數(shù)字技術(shù)在數(shù)字集成電路集成度越來越高的情況下，開發(fā)數(shù)字系統(tǒng)的使用方法和用來實現(xiàn)這些方法的工具已經(jīng)發(fā)生了變化，但大規(guī)模集成電路中的根本模塊構(gòu)造仍然需要根本單元電源電路的有關(guān)概念，因此用根本邏輯電路來組成大規(guī)?；蛑幸?guī)模地方法仍然需要我們掌握。與模擬技術(shù)相比，數(shù)字技術(shù)具有很多優(yōu)點，這也是數(shù)字技術(shù)取代模擬技術(shù)被廣泛使用的原因。優(yōu)點有如下：〔1〕數(shù)字系統(tǒng)容易設(shè)計。數(shù)字系統(tǒng)采用開關(guān)電路，開關(guān)電路中的電壓和電流的值不重要，重要的是變化范圍?！?〕信息存儲方便。〔3〕整個系統(tǒng)的準確度及精度容易保持一致?！?〕數(shù)字電路的抗干擾能力強?！?〕大多數(shù)數(shù)字電路能制造在集成電路芯片上。在數(shù)字電子技術(shù)在數(shù)字集成電路集成度越來越高的情況下，課程設(shè)計這門課不僅讓我們加深了理論的知識，更讓我們認識了如何把學到的知識用于實踐。課程設(shè)計中的如何測量電阻并數(shù)字顯示量程又是各種電子電器線路與裝置不可缺少的局部。電阻的阻值，直接影響到電子電器線路與裝置的工作質(zhì)量和效率。所以我們選擇了這個有意義的課題作為我們課程設(shè)計的題目。本報告介紹了測量電阻的各個組成局部，而每個局部的電路又闡述了電路的工作原理，元器件選擇及制作方法等。本次課程設(shè)計中的555構(gòu)成的單脈沖產(chǎn)生單元和555構(gòu)成的多頻震蕩產(chǎn)生單元由***負責；顯示單元由***負責；檔位自動跳轉(zhuǎn)單元及電路的整體調(diào)試由***負責。設(shè)計過程中參考一些著作中的相關(guān)資料，在此向這些著作的原作者表示感謝。由于我們知識水平有限，時間有限，所以在設(shè)計過程中難免有許多缺乏之處，敬請教師諒解并提出珍貴的意見。目錄前言………………2摘要、關(guān)鍵字、技術(shù)要求………4第一章系統(tǒng)概述………………5一、設(shè)計思路和方案分析………………………5二、系統(tǒng)框圖……………………7三、工作原理……………………7第二章單元電路設(shè)計與分析…………………8一、555構(gòu)成的單脈沖產(chǎn)生單元………………8二、555構(gòu)成的多頻震蕩產(chǎn)生單元……………9三、顯示單元…………………10四、檔位自動跳轉(zhuǎn)單元及細節(jié)………………11第三章系統(tǒng)概述………………13一、總電路圖……………………13二、遇到的問題及解決方法……………………13三、存在的缺點及可能的改良思路……………14第四章完畢語…………………15收獲和體會……………………15參考文獻………………………16鳴謝……………16元器件明細表…………………16附表1-1………………………17附圖……………18數(shù)字式電阻測試儀摘要:數(shù)字化測量儀器較模擬儀器具有使用方便，測量準確等優(yōu)點。本次課程設(shè)計是針對數(shù)字式電阻測試儀的設(shè)計，介紹了數(shù)字式電阻測試儀的設(shè)計方案及其根本原理，并著重介紹了數(shù)字式電阻測試儀各單元電路的設(shè)計思路，原理及整體電路的的工作原理，控制器件的工作情況。設(shè)計共有三大組成局部：一是系統(tǒng)概述，本局部概括講解了電路的設(shè)計思想和各局部功能；二是各單元所用器件、其性能和在電路中的功能。三是設(shè)計小結(jié)，這局部包括設(shè)計的完成情況，創(chuàng)新點，并提出本系統(tǒng)需要改良的地方及遇到的困難。關(guān)鍵詞：555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器555多諧振蕩器74LS160N計數(shù)器74LS273N鎖存器檔位自動跳轉(zhuǎn)數(shù)碼顯示J-K觸發(fā)器壓控開關(guān)刻度校準技術(shù)要求：1、被測電阻值范圍100Ω～100kΩ；2、四位數(shù)碼管顯示被測電阻值；3、分別用紅、綠色發(fā)光二極管表示單位；4、具有測量刻度校準功能。第一章系統(tǒng)綜述該數(shù)字式電阻測試儀的根本思路是將待測電阻的阻值通過線性關(guān)系轉(zhuǎn)換成我們可以測量的模擬量，然后將該模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，通過計數(shù)、鎖存、譯碼然后用數(shù)碼管顯示輸出。由紅色和綠色指示燈分別表示歐姆〔Ω〕檔和千歐〔KΩ〕檔，用ＪＫ觸發(fā)器來控制檔位的自動跳轉(zhuǎn)，用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生Tw=ln3RC的脈沖寬度再與555定時器構(gòu)成的高頻(f)多諧振蕩器相與得到Tw脈沖等寬的高頻方波脈沖，再通過74LS160N計數(shù)器計算脈沖個數(shù)，通過公式Tw·f=R來計算并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)值使計數(shù)脈沖個數(shù)恰好等于R值，用鎖存器和數(shù)碼管來顯示該值。用單刀雙擲開關(guān)實現(xiàn)短接較零，用紅色指示燈來顯示超出量程警告。一、設(shè)計思路和方案分析電阻的測量是電子技術(shù)根底中最根本的內(nèi)容，首先我們想到的是要找到一個可以測量的因變量使其與電阻阻值的變化呈線性關(guān)系，通過測量這個因變量利用他們之間的關(guān)系式計算出電阻阻值。以我們目前的知識水平我們找到了三種測量電阻的根本方法：1、利用公式U=RI來測量電阻的伏安法及其多種衍生方法；2、利用惠斯通電橋平衡原理來測量電阻的電橋法；3、利用時間常數(shù)τ=RC來測量電阻的時間常數(shù)法。1、伏安法：常用的數(shù)字萬用表是利用U=RI這個原理來測量電阻的，測量時通常會輸出一個電流，則在這個電流兩端就會有一個壓降，再通過AD轉(zhuǎn)換器采集這個電壓，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，送單片機于是向設(shè)定好的標準進展比照計算，所以數(shù)字萬用表的電阻檔有很多，每個擋的輸出電流都不同，通常測量電阻值越大，輸出的電流越小，這是為了保證電壓既不會太高也不會太低，便于測量。課程設(shè)計過程中我們嘗試設(shè)計出輸出穩(wěn)定的恒流源，但經(jīng)過屢次嘗試之后性能仍達不到要求加之AD轉(zhuǎn)換也是一個難點出于時間限制的考慮我們放棄了該方案。圖1-1設(shè)計的簡單恒流源電路圖2、電橋平衡法：采用惠斯通電橋平衡原理，R1,R2是固定電阻，成為比率臂，比例系數(shù)K=R1/R2可通過量程開關(guān)進展調(diào)節(jié)，R為標準電阻稱為標準臂。R*為被測電阻，G為檢流計，接通電源通通過調(diào)節(jié)K和R使得電橋平衡即檢流計指示為零，讀出K和R的值，即可求得R*.圖1-2電橋法測電阻原理3、時間常數(shù)法：利用時間常數(shù)τ=RC與R的線性關(guān)系。利用555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生一個寬度為Tw=ln3RC的單脈沖，用555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩，將這兩個信號相與可以得到與單脈沖等寬的高頻振蕩信號，設(shè)置相關(guān)參數(shù)并計數(shù)出該寬度高頻脈沖的個數(shù)即可得到單脈沖寬度進而得到阻值。圖1-3時間常數(shù)法測電阻原理最開場我們嘗試用伏安法來測電阻，但是自己動手做出來的恒流源的穩(wěn)定性不夠達不到設(shè)計要求且該方法涉及的A/D轉(zhuǎn)換是一大難點，出于時間的考慮我們放棄了該方案。電橋法雖然測量精度高，但是電路復(fù)雜而且也需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換過程，電橋這一局部知識我們只是粗略的了解。時間常數(shù)法對測量的電阻值的范圍寬，不受到電流電壓的限制且不需要復(fù)雜的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程，而且應(yīng)用的只是都是課本上學習過的，相對較熟悉，因此我們最終選擇了時間常數(shù)法來作為本次課程設(shè)計的根本原理。二、系統(tǒng)框圖KΩ檔KΩ檔單脈沖產(chǎn)生電路自動判斷換擋電路或門或門數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路四個74LS160N構(gòu)成的計數(shù)電路兩個74LS272構(gòu)成的鎖存電路與門四個74LS160N構(gòu)成的計數(shù)電路兩個74LS272構(gòu)成的鎖存電路與門Ω檔單脈沖產(chǎn)生電路Ω檔單脈沖產(chǎn)生電路555多頻振蕩器電路555多頻振蕩器電路圖1-4系統(tǒng)框圖三、工作原理利用555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生一個寬度為Tw=ln3RC的單脈沖，用555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩，將這兩個信號相與可以得到與單脈沖等寬的高頻振蕩信號，用74LS160計數(shù)器計數(shù)后經(jīng)鎖存器鎖存然后譯碼、驅(qū)動后用數(shù)碼管顯示。根本原理是將電阻阻值轉(zhuǎn)化為頻率，然后測量出轉(zhuǎn)化后的頻率，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)使得數(shù)碼管顯示的頻率值等于電阻阻值。第二章單元電路設(shè)計一、555構(gòu)成的單脈沖產(chǎn)生單元如圖2-1是由555及外接元件RC構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其工作原理如下：接通電源瞬間，,輸出，放電三極管T截止。通過R給C充電。當上升到時，比擬器輸出變成低電平，此時根本RS觸發(fā)器置0，輸出。同時，放電三極管T導通，電容C放電，電容C放電，電路牌穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時。當開關(guān)閉合又斷開形成了一個負脈沖，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。由于，三極管T截止，電源可通過R給C充電。當電容C充至時，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出，T導通，電容C放電，電路自動恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)?？梢?，暫穩(wěn)態(tài)時間由RC電路參數(shù)決定。假設(shè)忽略T的飽和壓降，由電容C上電壓從0上升到的時間，即輸出脈沖寬度為：這種單穩(wěn)態(tài)電路工作波形如圖2-2所示圖2-1555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖2-2圖3.1的工作波形二、555構(gòu)成的多頻震蕩產(chǎn)生單元555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖2-3所示，圖2-4為相與之后的波形。當接通電源后，電容C上的初始電壓為0V，比擬器C1、C2輸出為1和0，使，放電管T截止，電源通過、向C充電。上升至時，RS觸發(fā)器被復(fù)位，使，T導通，電容C通過到地放電，開場下降，當降到時，輸出又翻回到1狀態(tài)，放電管T截止，電容C又開場充電。如此周而復(fù)始，就可在輸出端輸出矩形波信號。振蕩頻率圖2-3555多諧振蕩器電路圖圖2-4單脈沖和高頻波相與之后的波形三、顯示單元1、原理：脈沖進入74160N的CLK輸入端。當上升沿到來時，74160N從0開場計數(shù)，此時LOAD、CLR、ENP、ENT端均接5V的高電平使其正常工作，所以每到一個上升沿，74160N累加。其輸出端對應(yīng)接到74LS273N輸入端，74LS273NVCC端、CLR端均接5V高電平，GND端接地使其正常工作。在此74LS273N的CLK端脈沖輸入是由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出方波的下降沿控制，當下降沿到來時經(jīng)過一個反相器變成上升沿接入74LS273N的CLK輸入端從而觸發(fā)芯片，使其立即鎖存8個輸入端的電平狀態(tài)，并且立即顯示在輸出端。DOD-HE*是一個帶譯碼功能的譯碼管，所以74LS273N的輸出端直接接入譯碼管輸入端即可顯示對應(yīng)數(shù)值。圖2-5顯示模塊2、74160N功能闡述：74160N是十進制加計數(shù)器，它有異步清零、同步預(yù)置數(shù)等功能。圖3.1是它的引腳圖。CLK脈沖下降沿控制電路計數(shù)工作，CLR端為異步清零端，LOAD端為預(yù)置數(shù)控制端，A、B、C、D是預(yù)置數(shù)輸入端，ENP和ENT是計數(shù)使能〔控制〕端，RCO是進位輸出端。圖2-674160N引腳圖3、74LS273N功能闡述：74LS273N是8位數(shù)據(jù)/地址鎖存器，它是一種帶去除功能的8D觸發(fā)器。圖3.2是其引腳圖，CLK是上升沿控制電路鎖存工作，CLR是異步清零端，1D--8D是數(shù)據(jù)輸入端，1Q--8Q是數(shù)據(jù)輸出端。圖2-774LS273N引腳圖4、DOD-HE*功能闡述：DOD-HE*是帶有譯碼功能的數(shù)碼顯示管，圖3.3是它的引腳圖。圖2-8DOD-HE*引腳圖檔位自動跳轉(zhuǎn)單元及細節(jié)1、方案論證：檔位的自動跳轉(zhuǎn)只是源于自己的一個想法，沒有備選方案，所有的都是自己一步步探索出來的，元器件的選擇也是經(jīng)過屢次反復(fù)試驗修改最終選定的。細節(jié)方面嘗試過使用微分器和機械開關(guān)防抖電路但都不成功，曾使用過延時器后發(fā)現(xiàn)沒必要而刪除。關(guān)于刻度誤差調(diào)整，開場是沒有思路，后來在教師的指導下參加了短接較零開關(guān)。2、原理：該單元是由Ω檔單脈沖發(fā)生器、KΩ檔單脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、JK觸發(fā)器、電壓控制的單刀雙擲開關(guān)、非門、與門、或門構(gòu)成控制單元。開場測量時默認是歐姆檔，測量開關(guān)觸發(fā)后計數(shù)器開場計數(shù)，當計數(shù)到1000Ω時，第三個計數(shù)器產(chǎn)生進位脈沖，該脈沖通過反相器來觸發(fā)KΩ檔產(chǎn)生單脈沖；同時該脈沖的上升沿觸發(fā)JK觸發(fā)器，使輸出從初始狀態(tài)的高電平變?yōu)榈碗娖剑瑢K觸發(fā)器的輸出與Ω檔的輸出相與，消除Ω檔對產(chǎn)生換擋信號之后KΩ檔信號的干擾；Ω檔與KΩ檔共用待測電阻，因此用JK輸出信號來控制壓控單刀雙擲開關(guān)使其隨換擋信號自動跳轉(zhuǎn)；將Ω檔與KΩ檔的輸出相或后作為待測信號輸出。此外單位顯示指示燈也由JK觸發(fā)器的輸出信號驅(qū)動。3、J-K觸發(fā)器功能闡述：JK觸發(fā)器是數(shù)字電路觸發(fā)器中的一種電路單元。JK觸發(fā)器具有置0、置1、保持和翻轉(zhuǎn)功能。該控制單元中利用了JK觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)功能。將置1端和置0端接高電平，JK輸入端懸空，CLK端接進位脈沖，Q端輸出，則來一個進位脈沖輸出就會翻轉(zhuǎn)一次。圖2-9Ｊ－Ｋ觸發(fā)器管腳圖4、壓控開關(guān)功能闡述：該開關(guān)可以在屬性里設(shè)置電壓閾值，大于*一閾值使開關(guān)打到1端，小于*一閾值使開關(guān)打到2端，這樣可以方便的通過電壓控制開關(guān)方向。圖2-10壓控開關(guān)系統(tǒng)概述總電路圖圖3-1系統(tǒng)總電路圖遇到的問題及解決方法1、檔位的自動轉(zhuǎn)換中Ω檔對KΩ檔的影響：首先我們分別做了兩個檔位的單脈沖產(chǎn)生單元，但是當用進位脈沖去觸發(fā)KΩ檔時Ω檔的輸出并沒有停頓，這就嚴重干擾了KΩ檔的測量，因此利用JK觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)功能將Ω檔的影響消除。2、待測電阻兩檔共用問題：實現(xiàn)檔位自動跳轉(zhuǎn)后，分別用一樣的待測電阻在兩檔上試驗結(jié)果正確，但是兩檔共用同意待測電阻就會出現(xiàn)KΩ檔觸發(fā)后的電流同時對兩個檔位電容充電的情況，這樣兩個檔位同時工作且都不準確，嚴重影響測量結(jié)果。最后使用了一個壓控單刀雙擲開關(guān)解決了這一問題，用JK觸發(fā)器輸出信號的翻轉(zhuǎn)來同步控制開關(guān)的跳轉(zhuǎn)，保持了JK跳轉(zhuǎn)，開關(guān)跳轉(zhuǎn)與檔位跳轉(zhuǎn)的同步。3、計數(shù)器的清零：每次開場計數(shù)前計數(shù)器都必須清零，最初用Ω檔的觸發(fā)信號對計數(shù)器進展清零，而出現(xiàn)檔位跳轉(zhuǎn)的話要進展二次清零，因此用兩個檔位的觸發(fā)信號相或得到清零信號，同時此清零信號也是鎖存器的清零信號。4、鎖存器的觸發(fā)：鎖存器的是由上升沿觸發(fā)的，因此將單脈沖的下降沿通過反相器來作為觸發(fā)信號，但是最初的檔位跳轉(zhuǎn)過程中有兩個下降沿的出現(xiàn)，最終得益于JK觸發(fā)器與壓控開關(guān)的使用使檔位跳轉(zhuǎn)之間實現(xiàn)了幾乎無縫連接，使整體脈沖信號只出現(xiàn)一個下降沿，這樣鎖存器只輸出最終結(jié)果。5、指示燈的常亮顯示：最初的作法是將指示燈接在每個檔位電路中，這樣的可以顯示單位但是單脈沖產(chǎn)生完畢燈就滅了，僅憑最后的顯示結(jié)果無法知道單位，后將指示燈與JK觸發(fā)器相連，這樣保持了單位指示燈的常亮顯示。三、存在的缺點及可能的改良思路1、J-K觸發(fā)器的初始狀態(tài)問題：雖然本仿真電路中J-K觸發(fā)器的初始狀態(tài)始終為1，但是實際J-K觸發(fā)器的初始狀態(tài)時不確定的。設(shè)想是否可以用一個類似壓控開關(guān)的裝置來替代J-K觸發(fā)器，或者用繼電器來實現(xiàn)檔位的自動轉(zhuǎn)換。2、測量精度問題：雖然有四個數(shù)碼管，但是最高位并沒有得到有效的利用，因此設(shè)想可以增加一個小數(shù)點，將最高位充分利用且測量精度也有提高，但是這個可能會受到多諧振蕩器產(chǎn)生頻率限制，需要進一步研究。第四章完畢語本次課程設(shè)計是在相對空閑的時間內(nèi)完成的，時間相對來說較為充足，前期準備工作也比擬充分，由于本課題相對而言較簡單，因此實現(xiàn)本次課設(shè)的根本要求是不難的，但是簡單的東西也可以追求做的更好，因此本次設(shè)計過程中花費了相當一局部的時間來研究檔位的自動跳轉(zhuǎn)問題及其引起的相關(guān)問題的解決方法。在探索的過程中雖然遇到各種困難，但是每一小點的進步都讓我覺得付出是值得的。收獲與體會：1、在確定課題后不要第一時間去查找資料，要自己動腦來思考這個課題該怎么做，需要用到哪些東西，如果第一反響就是去找資料的話，你看了資料之后會子你腦子里形成一個思維定式，你會不自覺的朝著這個方法去想，最終自己的思維會被禁錮。我們在做其他設(shè)計時也需要注意這個問題。2、碰到問題自己要勇于探索，不要第一時間想到去問別人，別人的知識經(jīng)歷也是他自己探索出來的，而且以后的工作中不是所有問題都可以依靠別人解決，所以現(xiàn)在就要借這種時機培養(yǎng)自己的獨立思考解決問題的能力。3、要重視團隊合作，本次課設(shè)與之前的課設(shè)不同的是有了固定的課題及要求，設(shè)計必須要到達根本要求