数字电子技术课程设计 数字式电阻测量仪.docx
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数字电子技术课程设计数字式电阻测量仪
电子技术课程设计
数字式电阻测试仪
专业:
电子科学与技术
班级:
32050902
学号:
********
*****
指导教师:
楚岩
日期:
2011年12月29日
preface
前言
随着信息科学和计算机技术的迅速发展,电子技术的理论与应用得到飞跃发展。
信息正是一个高度发展的产业,而数字技术是信息的基础,数字技术是目前发展最快的技术领域之一,数字技术在数字集成电路集成度越来越高的情况下,开发数字系统的使用方法和用来实现这些方法的工具已经发生了变化,但大规模集成电路中的基本模块结构仍然需要基本单元电源电路的有关概念,因此用基本逻辑电路来组成大规模或中规模地方法仍然需要我们掌握。
与模拟技术相比,数字技术具有很多优点,这也是数字技术取代模拟技术被广泛使用的原因。
优点有如下:
(1)数字系统容易设计。
数字系统采用开关电路,开关电路中的电压和电流得值不重要,重要的是变化范围。
(2)信息存储方便。
(3)整个系统的准确度及精度容易保持一致。
(4)数字电路的抗干扰能力强。
(5)大多数数字电路能制造在集成电路芯片上。
在数字电子技术在数字集成电路集成度越来越高的情况下,课程设计这门课不仅让我们加深了理论的知识,更让我们认识了如何把学到的知识用于实践。
课程设计中的如何测量电阻并数字显示量程又是各种电子电器线路与装置不可缺少的部分。
电阻的阻值,直接影响到电子电器线路与装置的工作质量和效率。
所以我们选择了这个有意义的课题作为我们课程设计的题目。
本报告介绍了测量电阻的各个组成部分。
而每个部分的电路又阐述了电路的工作原理,元器件选择及制作方法等,具有电路新颖,实用性强,易于制作等特点。
在数字式电阻测试仪的设计中,各个部件将用到不同的数字基本逻辑单元和组合逻辑器件,集成芯片也会出现在电路中。
本课程设计过程中参考或引用了国内外各种书刊中的相关资料,在此向这些技术资料的原作者表示感谢。
由于我们知识水平有限,时间有限,精力有限,所以在设计过程中难免有许多不足之处,敬请老师谅解并提出宝贵的意见。
contents
前言。
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题目及摘要。
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第一章系统概述。
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第一节总体思想。
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第二节各部分功能简介。
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第三节设计方案的分析与选择。
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第二章主要单元电路设计及分析论证。
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第一节555单稳态触发器。
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第二节555多谐振荡器。
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第三节74LS290D计数器。
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第四节74LS75N四位锁存器。
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第五节带译码器数码管显示器以及预警功能模块。
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第六节简单调试要点。
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第三章补充说明。
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第四章课设的收获。
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附:
设计总电路图。
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元器件明细表。
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鸣谢。
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设计题目:
初始条件:
本设计可以使用在数模电理论课上学过或没学过的集成器件和必要的门电路,用数码管显示被测电阻的数值。
要求完成的主要任务:
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。
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,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。
关键字:
电阻转化电压555单稳态触发器555多谐振荡器74LS290D74LS75N数码显示
chapter1
第一章系统概述
第一节总体思想
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、锁存、译码,由数码管直接显示出阻值。
由555触发器产生高电平单脉冲和cp脉冲,再利用74ls290d计数器对Tw内部脉冲个数进行计数,然后再通过译码显示,将阻值直接显示在数码管。
其框图如下:
→→→
74S04D非门
第二节各部分功能简要介绍
(1):
555多谐振荡器产生1000HZ的方波。
(2):
555单稳态触发器在外加触发信号的触发下产生高电平单脉冲,其时间长度为TW=1.1RC,将此信号和
(1)产生的1KHZ方波相与借以产生时间长度为TW的一段方波,同时又将此输出信号求反后作为四位锁存器74LS75N的使能控制信号。
(3):
74S08D将高电平的单脉冲和方波信号相与送入最低位计数器的INA端。
(4):
74LS290D用以计数出TW时间长度内的脉冲个数,间接测量电阻值。
(5):
74LS75N将计数器不断变化的中间结果锁存起来,等待计数结束,等待使能信号有效。
(6):
将由锁存器输出的信号接收显示电阻测量结果。
第三节设计方案的分析与选择
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。
我们利用的是555单稳态触发器来实现这点。
知道555单稳态触发器能实现数模转换后,最关键的就是将待测电阻阻值的模拟信号以何种方式输入到555单稳态触发器中。
根据测量原理的不同,其输入方法有很多,如直接法、电桥法和充放电法。
各种办法都有相应的优缺点,例如充放电法及直接法均需求得被测样两端的电压与通过被测样的电流,利用欧姆定律从而得出被样的电阻,电桥法则是利用电桥两端电位的平衡来得出被测样的电阻。
其中利用直接法测得的电阻(如“摇表”)存在读数不精确等明显的人为因素忧,在读数较大的情况下尤其如此;利用充放电法测得的电阻阻值偏大;而利用电桥法测量,则存在电桥调节费时费力等不利因素。
下面列出两种方案进行分析:
方案一利用555单稳态触发器和A/D转换器实现
利用单稳或电容充放电规律等,可以把被测电阻量的大小转换成脉冲的宽窄,即脉冲的宽度Tx与Rx成正比。
只要把此脉冲和频率固定不变的方(以下称为时钟脉冲)相与,便可以得到计数脉冲,将它送给数字显示器。
如果时钟脉冲的频率等参数合适,便可实现测量电阻。
其电路基本原理如图所示:
方案二利用555单稳态触发器和74LS290D实现
原理同方案一基本相同,原理图如图所示:
图2方案二原理图
方案三本设计方案图如下,结合模数转换芯片MC14433本身的特性,为其提供电阻比较电路,如右图所示,两恒流源提供相等电流,两个标准电阻通过双掷开关选择,若模数转换器的标准电压和输入电压用Vo和Vi表示,标准电阻和被测电阻分别用RnRx表示,则其显示值满足下式:
N=1999*Vi/Vo=1999*Rx/Rn
这表明显示值N仅取决于Rx和Rn的比例,故称之为比例法。
式中Rx的单位根据n的值选定。
接入不同阻值的标准电阻,并利用单刀双掷开关选择Rn的值,可得到想要的量程。
标准电阻与量程的对应关系如下:
图5方案4原理图
表1标准电阻与量程对应关系
量程(欧)
20
200
2k
20k
200k
2M
倍率n
1
2
3
4
5
6
标准电阻(欧)
19.99
199.9
1999
19990
199900
1999000
方案四:
把三角波输入给微分电路〔把被测电阻作为微分电阻),在电路参数合适的条件下,微分电路的输出幅度与Rx成正比,再经过峰值检测电路或精密整流及滤波电路,可以得到与Rx成正比的直流电压Vx、然后再进行A/D转换,送给数字显示器,便可通过测电压来测电阻。
这种设想如图l—1所示,图中的A/D转换器可采用数字仪表中常用的MC14433.图中压控振荡器输出矩形波,它的频率fx与Vx成正比,而Vx与被测电阻Rx成正比,因此fx与Vx成正比。
在计数控制时间To等参数合适的条件下,数码显示器所显示的数字N就是Rx的大小。
方案比较:
方案一:
用555构成的单稳态电路在正常工作条件下输出脉冲的宽度Tx与Rx的函数关系是:
Tx=R*Cx*ln3
所产生的时间误差可能达到百分之五,再加上其他原因产生的误差,测量是的时间延迟太大。
方案二:
方案二中的计数器通过计数TW时间长度内的脉冲个数来达到测量R值的方法,优点是直观简洁,缺点是计数耗时较久。
方案三:
本方案原理较易理解,实现也方便简单。
测量精确,而且利用标准电阻的更换让测量更具有灵活性。
本电路还有一个好处是,可以测量两个未知电阻的阻值。
此时将一个被测电阻仍作为Rx接入,另外一个作为Rn接入,则有:
N=1999*Vi/Vo=1999*Rx1/Rx2
对于标称值相同的两个电阻,其相对误差的表达式为E=Rx1-Rx2*100%=(Rx1/Rx2-1)*100%因此,将测量电阻比时的显示值减去1,并用百分数表示,就是Rx1Rx2的相对误差,其值一般再0.1%~10%之间。
方案四:
利用微分电路和整流、滤波、峰值检测电路将电阻转换成电压,回路复杂,而且不易换算。
四种方案原理根本思想没有多大差别,但考虑到:
(1):
是由于无法找到熟悉的A/D转换元件,并且我们对计数器的应用很简单熟悉;
(2):
并且用相应的灯颜色表示单位,K欧姆档亮绿灯,欧姆档亮红灯;
(3):
原理思想很容易理解。
电路设计联结简单易行。
最终选择了方案二。
chapter2
第二章主要单元电路设计及分析论证
第一节555单稳态触发器
555定时器电路结构
555定时器功能表
Rd
u16
u12
u0
T状态
0
X
X
0
导通
1
>2Ucc/3
>Ucc/3
0
导通
1
<2Ucc/3
>Ucc/3
不变
不变
1
<2Ucc/3
1 截至 基本原理: 利用电阻和电容的谐振来产生单频信号电路如图所示 其中,VCC为5V电源,J1为触电开关,J2为单刀双掷开关,C2、C3、C4、C5、C6、为电容,R2为待测电阻,X1、X2是两个发光二极管(X1是绿灯,X2是红灯)。 待测电阻通过单刀双掷开关可分别与两组电容串联,与不同组电容串联可测不同大小的电阻,与1mF、10mF的这组电容串联的时候可测阻值相对小的电阻,与1μF、10μF这组电容串联的时候可测阻值相对的电阻,开关打向不同组电容相当于选择不同档位。 X1,X2两个指示灯可显示出单刀双掷开关连接的是哪组电容,即显示选择的测量档,X2亮时,表明J3打向左边,测小电阻(单位为欧),X1亮时,表明开关打向右边,测大电阻(单位为千欧)。 波形图如下 第二节555多谐振荡器(1KHZ方波) 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。 电路如下图所示 如图,R3、R4、C7、C8及555触发器构成一个基本的多谐产生器。 电源VCC接通后,电容上的初始电压为0V,比较器C7、C8输出分别为“1”“0”,放电管T截止,电源通过R3、R5向电容充电。 Uc增大到2VCC/3时,RS触发器被复位,使Uo=0,T导通,电容C7通过R5放电,Uc开始下降,当Uc降低到VCC/3时,输出Uo又返回到“1”状态,放电管T截止,电容C7又开始充电。 如此不断循环,就可以在OUT输出矩形信号。 根据充放电时间,可求出矩形波的频率f=1/T=1.44[(R3+2R5)*C7],这样既可得到1KHz的方波脉冲信号。 根据相关公式和档位要求,计算出需要选择的电阻阻值为1440Ω和1440000Ω,用两个电阻串联构成所需要的电阻,占空比q=(R1+R2)/(R1+2R2),当占空比为1时,输出的是锯齿波,所以应注意选择两个电阻的阻值。 波形如下: 第三节74LS290D计数器 我们采用熟悉的功能强大的芯片74LS290D作为计数器主要是考虑到以后的拓展和更新,由于74LS290D芯片功能强大,结构复杂,所以其方便更新,功能拓展等多方面的优点。 74LS290D芯片符号图如下: 74LS290功能表如下: (74LS290DINAINB对应于CP0CP1,其余QAQBQCQD依次对应于Q1Q2Q3Q4,R01R02R91R92依次对应于74LS290的R01R02S91S92) 74LS290的一些基本用法如下(74LS290D引脚相对应): 由于本课程设计我们采用十进制计数的方式,故我们采用图(c)所示连接方方式即: (1): 每一片的Q0(对应上图中QA)均送至其INB; (2): 由555单稳态触发器以及555多谐振荡器产生的波形相与后即芯片74S08D的输出信号送到74LS290D的INA(对应于图中的QB)端; (3): 考虑到正常工作时74LS290D芯片的置九端和置零端应分别相与为零,此时我们索性就将芯片74LS290D的所有置九端均接地,使其无效; (4): 对于74LS290D芯片的级联时候,我们将上一级芯片的最高位端QD送入下一级芯片的INA,相当于作为进位端使用; (5): VCC端顺次接电源,GND端顺次接地即可完成计数器联结工作。 (6): 将四个74LS290D芯片的清零端接到手动清零输入端,每次即将开始测量时候,手动将开关J2拨至高电平端。 总之: 这样我们的计数器即可完成将计数脉冲个数不断实现计数,同时不断将数据所存到74LS75N芯片数据输出端(在技术过程中,74LS75N芯片的输出使能端无效,即锁存器中的信号无法输出到带译码器的七段数码显示管上,此间我们看不到数码管上的数码为“0000”。 下图给出初始两级芯片的连接,另外两级遵循相同的联结方式。 整体电路图将在附图中展示。 第四节74LS75N四位锁存器 目的: 我们系统的设计之所以考虑用锁存器主要是直接将计数器输出端接到带译码器的七段数码显示管输入端,数码管上的数码将会不停变化直至测出最后结果。 74LS75N的引脚图如下: 引脚介绍: 1D11D22D12D2依次为带锁存数据输入端;VCC,GND端为电源端和接地端;2LE和1LE为输出使能端,高电平有效;1Q11Q22Q12Q2为在输出使能端有效时的数据输出端;其余端口~1Q1~1Q2~2Q1~2Q2为数据输出端对应的反向输出端。 功能表如下: LE端 D Q Qbar L L * * L H * * H L L H H H H L 注解: L: 电平低;H;电平高;LE端: 使能端;Q: 数据输出端;Qbar为Q的反相输出端;*: 无效 由功能表知道要使输出端输出有效必须使得使能端为高电平。 为达到此目的,我们经过仔细分析,考虑到555单稳态触发器的稳态为低电平,而其单脉冲为高电平,其脉冲宽度为TW=1.1RC,这个单脉冲和555多谐振荡器的脉与后得到TW时间的脉冲波,在这段时间内由于其脉冲个数就是待测电阻的数值,而且计数器刚好在这段时间将脉冲个数数完,需要输出计数结果,鉴于这样一种情况,我们将555单稳态触发器作为一个控制器,控制74LS75N芯片使能的控制器,其输出作为控制信号。 测量过程如下: (1): 手动清零后,我们将单脉冲波求反后送给芯片74LS75N的输出使能端这样在触发信号产生那一刻起,由于单稳态输出信号为高电平,经过芯片74S04D变为低电平,使能信号即为低电平,使能无效,74LS75无输出,数码管无数码显示。 (2): 与此同时,计数器不断计数,并不断将变化的中间计数结果锁存与74LS75N芯片中储存好。 当555单稳态触发器产生的单脉冲结束,计数器数完所有脉冲,单稳态输出为低电平,经过非门芯片74S04D求反后为高电平,使能有效,使能芯片将计数最终结果输出到带译码器的数码管上显示出结果。 (3)完成测量,需要进行下一次测量时候,我们手动清零。 第五节带译码器数码管显示器以及预警电路 将受使能控制信号控制的锁存器输出信号的高低位顺次联结到带译码器的四输入到七段数码显示管上,即可在单稳态除触发器产生完单脉冲后恰好将锁存器的最终锁存结果输入到数码显示管上直观显示出来。 连接图如下图所示: 如上图连接方式。 采取从上往下,依次为个位,十位,百位,千位的读数方式。 这主要是在连接计数器的时候,我们所采取的级联方式决定的。 所以也可以实现低位在下高位在上即从下往上,依次为个位,十位,百位,千位的读数方式。 此外,我们有专门的报警电路,用以告诉我们四个数码显示管上的显示值是否达到了最大值,当灯X3亮时候,我们知道达到测试最大值,这个时候主要用于我们对系统的量程进行更新换代时候所用。 第六节简单调试要点 按照上述思路我们做了电路设计,联结后,在仿真调试的时候,却出现这样的问题: 每次显示的测试值总是为真实值的一半。 此时,我们仔细分析问题所在,最后决定将555定时器的电容值全部改为原始值的2倍,这样实则是将TW变为以前的2倍了,这样,在计数器的工作期间实则是在理论上多计数了一倍的脉冲个数,自然测试值将会是以前显示值的2倍,但测试值却达到我们的理想要求即每次显示的值总是实际值。 完成调试。 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。 chapter3 第三章补充说明 以下几点需要补充: 1: 我们的电路运行时间相对较久,可能需要几秒钟才能显示出测量值,鉴于我们现在的专业知识有限,对电路运行速度改进上,我们还有很多不足的地方,希望以后在学习到更多的专业只是后我们能够达成我们的愿望。 2: 我们在电路设计的时候,有诸多不足的地方,比如说电路的排版以及器件选择上尚未有丰富的经验,比如说真正在做成成品的时候我们其实还需要考虑到很多的因素,比如说性价比,功耗等等。 在此设计中我们采用的芯片是74LS290D计数芯片,其主要原因是290内部结构复杂,具有功能强大,方便拓展,产品更新换代等多方面因素 3: 我们本想采用数模转换器的方法实现测量,但由于我们不能在Multisim元件库中找寻到需要的元器件,这对我们的设计无疑是一块硬伤,为此我们只能另寻出路,不能坚持以前的思路,这是一大遗憾。 4: 本电路由于标准电阻只选择了100和100k两种,故量程不够大,精度也不够高(例如只不能提供小数点后的一位数),但足可以满足设计要求。 若想增大量程或者提高精度,电路的改建也十分简单,只需更换标准电阻即可。 chapter4 第四章课设中的收获 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几个人共同协作的成果。 这种合作方式既有缺点又有优点。 优点是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。 我们三人相互讨论,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,三个人的工作分配、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。 第二方面,这次课设较其他几门课设的另一个很大的区别是题目很宽,只告诉要求达到的功能,设计思路完全自由,没有提供模板或者其他线索。 特别是我们这一组的题目,很难找到相似程度很大的资料,我们只能靠自己所学的基础知识自己解决问题。 刚开始完全不知道从哪下手,但是只有自己真正面对问题,不怕困难,才能一步一步地理清楚思路,弄清楚眉目。 正是由于分配给我们的难题,一来锻炼了我们自主学习的能力,而来培养了我们迎难而上的精神。 我们找到了一些关于电压表设计的资料,所以我们所面临的问题的关键在于怎么将测电压的知识搬移到测电阻上面。 经过了思考和讨论,最终找到了我们能力范围之内的可行方案。 第三方面,正如其他的课设一样,本次课设提供了我们一个对所学理论知识融会贯通的机会。 虽然以前接触过计数器,接触过译码器和LED,但从来没有亲自利用它们组装一个有目的的电路,所以这一过程中的芯片选用、电路原理、搭建方式,是超出课本上的理论知识范围的。 对于一个新接触的芯片,由完全不了解,到了解它的功能、结构、接入方式,是一个有难度但更有喜悦和收获的过程,收获的是知识,喜悦的是我们收获知识的能力! 附录 图10总电路图 表4 元器件明细表 序号 名称 型号参数 数量 备注 01 计数器 74LS290D 4 02 锁存器 74LE75N 4 03 555定时器 LM555CM 2 04 数码显示器 DCD-HEX 4 05 与门 7409N/74S08D 若干 06 非门 74S04D 若干 07 发光二极管 3 08 电阻 240K 1 金属膜电阻器 09 电
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