数字电子设计简易电阻的测量设计.docx
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数字电子设计简易电阻的测量设计
《电子技术》课程设计报告
题目数字式电阻测试仪
学院(部)信息工程学院
专业通信工程
班级24040902
学生姓名白小慧
学号2404090226
12月19日至12月30日共2周
指导教师(签字)
前言
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,机电产品广泛应用于家电、通信、一般工业乃至航空航天和军事领域。
无论是日常生活还是高端科技领域,电子技术的应用均日益深入。
掌握必备的电子技术基础设计制作基础知识和基本技能,能够满足我国目前产业结构对广大技术工人、工程技术人员基本素质的要求,而且能为从事高端电子系统开发培养能力和素质,适应信息时代的需要。
随着电子工业的发展,电子元器件急剧增加,电子元器件的适应范围也逐渐广泛起来,在应用中我们常常需要测量电阻的大小。
因此,设计可靠,安全,便捷的电阻测量仪具有极大的现实必要性。
目前市面上测量电子元器件参数R、C和L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,不易实现自动测量等缺点。
通常情况下,电路参数的数字化测量是把被测量参数转化成直流电压或频率后进行测量。
由于测量电阻方法多并且具有一定的复杂性。
所以本次设计是参考555振荡电路基础上拟定一套自己的设计方案。
是尝试用555振荡电路将被测参数转化成频率这里我们把测量电路产生的频率送入计数端口,通过定时并且计数可以计算出被测频率再通过频率计算出电阻值。
1、摘要………………..,,,,,,...............................................4
二、系统概述……………………………………………...4
1、设计思路...............................................................4
2、设计方案的分析及框图原理...............................5
三、单元电路设计与分析……………………………….6
1、555单脉冲的产生................................................6
2、555多频震荡的产生............................................7
3、74LS160计数器计数部分…………...................9
1)74LS160特点及工作原理....………………..9
2)74LS160级联电路图………………………..10
4、报警器设计部分………………………………...11
四、系统总电路图……………………….………………13
五、收获体会……………………………………………15
参考文献...............................................................................16
元器件明细表及附图...........................................................17
鸣谢.......................................................................................18
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。
本文先对设计功能及要求进行了阐述,然后提出针对数字式电阻测试仪的设计方案,介绍了数字式电阻测试仪的设计方案及其基本原理及整体电路的的工作原理,控制器件的工作情况,最后会对电阻的测试进行设计.本系统利用555多谐振荡电路将电阻,参数转化为频率,这样就能够把模拟量近似的转换为数字量。
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。
关键词:
555单稳态触发器555多谐振荡器74LS160N数码显示
技术要求:
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。
系统综述:
A)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触发器产生单脉冲和多
频振荡器,再利用74160N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。
B)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。
方案一利用555单稳态触发器和A/D转换器实现
其电路基本原理如图所示:
方案一原理图
方案二利用555单稳态触发器和74160N实现
原理同方案一基本相同,原理图如图所示:
方案二原理图
通过比较,由于第二种方案换算和电路都比较简单,并且测量精确,本实验选取第二种方案。
C).系统框图及工作原理:
工作原理:
555单脉冲产生电路产生的脉冲和555多频振荡器产生的脉冲相与后74160N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
555多频振荡器
图3系统框图
二、单元电路设计分析:
电阻转换为频率设计部分:
1、555单脉冲的产生
测试的图形如下:
设计的关系式如下:
Tw=1.1R*C=10^(-6)*R
从图中可以看出,输入40K的电阻时,输出的高电平时间为40ms,与原计算结果一致,可见电路正确。
2、555多频震荡的产生
基本原理:
与555单脉冲产生的原理相似,也是利用电阻和电容的谐振来产生,电容对R1和R2不断进行充放电,从而实现多频震荡。
在另一外同学做出555电路之后,我测试了下性能,发现如果在多谐振荡中用同一组电阻来给两个档位进行充放电,才两路电路放电时间不同,回到各自的频率用时差别很大,于是我用开关分别控制了两路电路,在不同档下用不同的电路来测量,同时我加了指示灯,然后测试了一下性能.
关系如下:
S1在上面一档时,产生一个1MHz的矩形波,测得是小电阻,即是100到100K,S2档在下面一档时,产生一个1KHz的矩形波,测得是大电阻,即是100到9999。
电路如图所示
:
可见在两种情况下它都能正常工作。
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。
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。
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,设置了两个档位,测量范围分别为100~9999Ω和10KΩ~100KΩ。
因为有两个档位,所以电容也选择两组,分别对应Ω档和KΩ档,再分别连接上指示灯。
在另一同学人做555的时候,遇到问题无法做出,为了保险起见,我做了下面电路,用积分和迟滞电压比较器构成,积分电路使输出频率和输入电压成比率,而迟滞电压比较器使输出频率为矩形波,但是在设计完之后测试,发现它的测量精度十分不好,只是小范围内可以使用,不适合此次课设要求,在此提出和大家交流一下。
计数器设计部分:
1.计时器的特点及应用
随着社会文明的进步和科学技术的发展,先进的电子技术在各个近代学科门类和技术领域占有不可或缺的核心地位。
数字电子技术在国民经济和科学研究各个领域的应用越来越广泛,计时器恰恰是数字电子技术的一个重要组成部分,计时器是一个用来实现计数功能的时序部分,它不仅可以用来计脉冲个数,还常用来做数字系统的定时、分频,执行数字运算,以及其他特定的逻辑功能等等。
计数器的种类很多。
按构成计数器的各触发器是否使用同一个时钟脉冲源来分,可以分为同步计时器和异步计时器。
根据计时制的不同,可以分为二进制、十进制和任意进制计数器。
根据计时器的增减趋势,又可以分为加法、减法和可以计时器。
还有可预置数和可编程功能计时器等等。
使用者借助于手册提供的功能表和工作波形图及管脚图排列,正确地使用这些器件。
2、74LS160电路工作原理:
图174160引脚图
引出端符号:
LOAD:
清零控制端ENP/ENT:
芯片工作控制端
RCO:
进位输出端CLK:
计数控制端
QA-QD:
输出端
74161的功能表如表1所示。
可知,74161具有以下功能:
表174161的功能表
输入
输出
CP
PTD0D1D2D3
Q0Q1Q2Q3
×0×××××××
0000
↑10××abcd
abcd
×1101××××
保持
×11×0××××
保持(C=0)
↑1111××××
计数
(1)异步清零
当
(CLR’)=0时,不管其他输入端的状态如何(包括时钟信号CP),计数器输出将被直接置零,称为异步清零。
当清除端/MR 为低电平时,不管时钟端CP 状态如何,即可完成清除功能。
(2)同步并行预置数
在
=1的条件下,当
(LOAD’)=0、且有时钟脉冲CP的上升沿作用时,A、B、C、D输入端的数据将分别被QA-QD接收。
由于这个置数操作要与CP上升沿同步,且A、B、C、D的数据同时置入计数器。
(3)保持
在
=
=1的条件下,当ENT=ENP=0,即两个计数使能端中有0时,不管有无CP脉冲作用,计数器都将保持原有状态不变(停止计数)。
当ENP=0,ENT=1时,进位输出C也保持不变;而当ENT=0时,不管ENP状态如何,进位输出RCO=0。
(4)计数
当
=
=ENP=ENT=1时,可以利用RCO端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。
十进制BCD码计数器74LS160在CLR,LOAD,EP,ET均接高电平时,时钟CP端每来一个上升沿,计数器在原来的基数上加1,并从QA,QB,QC,QD,输出相应的十进制BCD码, QA-QD 同时变化,消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
74LS160的ENP、ENT 跳变与 CP 无关。
74LS160 有超前进位功能。
当计数溢出时,进位输出端输出一个高电平脉冲,其宽度为 Q0 的高电平部分。
在不外加门电路的情况下,可级联成 N 位同步计数器。
在 CP 出现前,即使 ENP、ENT、 发生变化,电路的功能也不受影响。
3.实验分析及电路图:
计数器有很多种,如74LS160,74LS161,74LS290,74LS193,74LS293,
74LS190等等,但是要本实验中,计数档位为10进的,所以选用74LS160就方便,直接产生进位,不用置位和清零,量程也正好,所以在选芯片的时候我选了74LS160。
4个74LS160级联,可计算范围为10000.
在本实验中,单稳态和多谐产生的波形输入到74LS160N计数器对其脉冲个数进行计数。
由于设计要求四位显示,因而需要4个74LS160N。
用74LS160N计数器计数后的信号输入到数码显示,设计要求给出四个显示管,而每一个74160N只能接一个数码显示管,所以我们前面选择了四个74LS160N计数器。
对于数字显示,使用了DCD-HEX,它可以直接将四位二制变为十进制显示出来。
本实验设计如下,第一个的EPN和EPT接单稳态输出,即把单稳态输出做为计算器的工作电压,将第一个74LS160的输出进位端接到下一个74LS160的EPT和EPN端,然后将第二个的RCO接到第三个的EPT和EPN端,第三个的RCO接到第四个EPT和EPN。
四个74LS160用同一个CP脉冲触发,同时将四个74LS160的清零端和置位端接高电平,电路图如下所示,加了信号源测试电路是否正确,可看出显示管上有示数,观察之后发现所建电路是正确的,可以实现计数功能。
报警器设计部分:
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,所以需要用一个报警装置来提醒用户,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,我开始设计了一个报警器,用555构成,当RCO为一时,灯亮,同时响铃。
后来设计好了之后,觉得没有必要设计这个电路,可以用灯和一个响铃来当这个报警装置,用一个与门连接个74LS160N的进位端,即RCO端,在与门的另一端接一个指示灯,当出现9999时,二极管就亮了,则表明待测电阻阻值过大,选择的量程小了,应该更换档位。
两个电路图各如下,同时加了电源测试电路是否正确,从结果可知道电路图是正确的。
测试的波形如下:
直接接报警设备电路图,如下:
系统总体电路图如下:
将单稳态的输出电平接到多谐电路的电源端,只有输出高电平时它才工作,实现了与的功能。
同时在测试的时候发现实际计算出来测试好的电阻在联到一块之后并不能很好的工作,必须小范围修改各电阻值,使它们的计误数差尽可能的小。
最后采用的各元件及电路图如下:
每部分的电路作用已在上面讲明,从实验结果可看出此电路可以工作。
同时可以知道,这个电路其实可以测的范围是1至10K
和1K
至1000K
。
实验结果:
10
时为7,
20
时,为75,
100
时,为94,
500
时为504,
1100的时候为1107
4000
时为4044,
15K
时为16,
35K
时为37,
75K
时为67,
100K
时为104
可以看出每次计数都有一些误差,但是差的不多,可能是产生频率的电路中电阻设计的问题,我试着改过许多电阻值,但是效果不理想,可能还有其它方面的原因,比如产生稳定频率时的脉冲有一段过渡时间等等。
收获及体会:
本次课程设计为期两周,中间还进行了两次考试,加上本设计需要寻找资料,时间其实还是比较紧迫的。
这次设计是我和另外一位同学一起完成的,刚开始大家思路都比较局限,后来在查了一些资料之后,有了最初的设计思路,经过商量讨论后确定了一个设计方案。
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两个人共同协作的成果。
这种合作方式既有缺点又有优点。
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。
我们二人相互讨论,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,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。
通过这次课程设计,不仅提高了我们对知识的理解程度,同时也让我们认识到团队合作的重要性。
每个人将自已的想法提出来,大家一起完善丰富,期间大家不仅对知识理解更深了,而且有了许多不同的想法,思路得到了扩展。
我也深刻的认识到知识间的融会贯通很重要,学习知识就是为了使用,学以致用才是我们所要达到的目标。
这次课设教给了我们一些基本的设计方法及要领,对我们以后是有很大帮助的。
缺点及改进:
电路中存在的一些不足:
存在一个难点是测量电阻的精度问题,由于本设计采用的是记录在Tw时间内,多谐的高电平的个数,有可能计数时不是一个整的高电平,这样也会引起测量误差。
不过经过我们多次仿真,误差均在允许范围内,故设计是合理的。
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。
对电路的一些改进:
由555构成的单稳态触发器要求触发脉冲宽度要小于Tw,并且输入Ui的周期要大于Tw,在需要手动操作,使产生下沿降之后回到高电平。
最初设计的时候单稳态的输出和多谐振荡的输出经过一个与门作为计数时钟的,后来我改为将单稳态的输出电压作为了多谐振荡器的输入电压,这样就可以很方便的控制多谐波形的产生,实现了与的功能,也节省了器件。
将最后用于提醒用户的警示灯可改接成用555构成的报警装置,为保险起见,可将其设置为扬声器发出声响的同时,警示灯亮,这样就避免了因个人原因造成的测量误差,对用户也是一个警示作用。
为了方便节省我在图中只用了报警器和指示灯。
元件清单:
Quantity
Description
RefDes
1
TIMER,
LM555CM
U1
1
SWITCH,
SPST
J2
4
74LS_IC,
74LS160N
U2,
U3,
U4,
U9
1
74LS,
74LS11N
U10
1
BUZZER,
BUZZER
200kHz
U11
参考文献:
1.林涛主编.模拟电子技术基础.第二版.重庆大学出版社.2004
2.孙梅生主编.电子技术基础课程设计.清华大学出版社.1989
3.梁宗善主编电子技术基础课程设计—中大规模集成电路应用.国防工业出版社.1995
4.王成华,王友仁,胡志忠编.现代电子技术基础.第一版.北京航空航天大学出版社.2005
5.高吉祥主编电子技术基础与课程设计机械工业出版社.2002
6.林涛主编.数字电子技术基础.清华大学出版社.2006
7.姚福安编.电子电路设计与实践.山东科学技术出版社.2001
8.数字式多用电阻测试仪设计原理沙占友河北机电学院
9.沈小丰主编.数字线路实验-数字电路实验.清华大学出版社.2007
鸣谢
本次课程设计在设计过程中得到指导老师的悉心指导,她们为我们指点迷津,精心点拨、热忱鼓励,同时教会了我许多的关于以后的学习、工作和科研方面应该如何去做。
感谢梁美娟,邓秋霞老师等教授我们基础知识,她们细心指导我的学习与设计,在此,我要向诸位老师表示深深的感谢.
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