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：