数字式电阻测试仪电路设计方案1系统概述1.1 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，由数码管宜接将阻值显示出来本设计是通过555芯片与74LS16 0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1.2 设计方案的分析与选择：本次设计要求进行电阻测M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M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：场效应管运算放大器A\D转换电路译码驱动显示电路图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M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：图1.3.方案三原理图方案四：用555多谐振荡器和单稳态触发器，74LS160计数器共同实现现给定多谐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：图1.4.方案四原理图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，具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2单元电路设计2.1 555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=OV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：VDD5VX155%100k QE- V eK R1kQRIX2O1V2 ;ey = A555_VIRTUALTimervccRST OUTDISTHRTRICONGND10mF1 [iFC51mFC3一— 10nFC7C4—10 ；lFC6图2.1.555单稳态触发器的工作原理图其中，Vcc为5V的宜流电压源R为待测电阻，用滑动变阻器实现电阻的调换R为1k的定值电阻C3、C，、C5、C6、C分别为不同电容值的电容， G、G为一组，G、C6 为一组Ji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。
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22单稳态触发器波形图2.2 555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Ci、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：T仁0.7(R1+R2)CT2=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：1k Q Key=G R282%1k Q Key=F R392%VDD 5VVs1nF 丁 10nFVCCRST OUTDISTHRTRICONGND555_VIRTUALTimer图2.3.555多谐振荡器的工作原理图产生的输出波形如下所示:图24 555多谐振荡器的输出波形2.3 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围在100Q的电阻，第二个分频电路用来控制组织在100Q ---1KQ的电阻，第三个分频电路用来控制1KQ — 10KQ的电阻，最后 一个分频电路用来控制10KQ --- 100K Q的电阻，这样就将测M电阻进行了细化，使得测M更加精确电路图如下所示:1kQ Key=G R282%1kQ Key=F R392%—.1nFC1 10nF5VVsRSTDISTHRTRICONVCCGNDOUT5V555 VIRTUALTimerAQABQBCQCDQD7ENPRCOENT£~LOAD工~CLR¥CLK HPU1vcc 474L s260N3 4 5 ABCDb I7c ENP10 ENT~LOAD ~CLR红卜CLKQ ABCRCO141315I nJ14」：卜13 1 卜12D1 Q1574LSyON3_45710A B C DENPENTQA 14QB 13QC1世RCO 15~LOAD ~CLR2> CLK3A QAQBQCQDENP RCO10 ENT9Q ~LOAD1O ~CLR74LS160N图2.5.分频电路图74LS09的输入端，实现相与的功能，结2.4 单稳态与分频支路相与将单稳态与分频电路的莫一支分别作为果作为74LS160的触发脉冲。
如下所示：U10AzD7409N图2.6.与门相与后的波形如下图所示图2.7.与门输出波形图2.5 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2.7.所示的单脉冲的 个数就是由其计数的由于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ROC同时接到开关上以此实现计数器清零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74LS160级联图如下所示:VEEU75V6731CLKGND~LOAD ~CLRENPENTA B C D~LOAD ~CLRENPENT56Op- CLK GND710A B C DAVCCBCQADQBQCENPQDENTRCO~LOAD ~CLR? CLKGND74LS160NU8AVCCBCQADQBQCENPQDENTRCO~LOAD~CLR> CLKGND16111516141215141374LS160NU92—074LS160NU10iI卜71074LS160NVCCQAQB QCQDRCOJ6清零端Key = H1615二与R11kQ图2.8研数器级联图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，触发刻输入端的状态相同CP时钟脉冲未到器输出状态与当前时出来的16个二进制一个74LS74芯片中包含有两个 D触发器，故要实现对从四个 74LS160 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：74LS00D U6A图2.9.与非门锁存器的连接图如下所示74LS00DU6AVEE5V2c5nND-2074LS74NL*/4LS74N1C_K Tpfit1Qi'IQ QNQU12通忙 -xut虱2c图2.10.锁存器连接图klCUf-3CLRk PLA笛MPW俯*2Pft-'IO箱shin-30U114'1CLF?vcc制1 1FR2CLK .1 2-1。
日口74LS74N-1CLRvcc1DHL Ft＞忙LK*--1FR2CLK «|2-2P*!tQ箱GhO-3QU'574LS74N{J1771cLfl!ID -XLI74LS74MCLS1Dvcc-KLR,1日黑-WE2cLK UIDj -10GNQr箝U147dLs74附U16tDvcc-KLRU1&数码管显示本设计所使用的数码显示管是 DCD-HE ,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M程的数据就不能记录了，需要用一个报警装置来提新用尸，当数值超过M程时，就必须换挡位或者换别的仪器 进行测M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M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：U22DCD_HEXI IMDCD_HEX23 V里补EX图2.11.数码显示管联结图3系统总述和总体电路图3.1 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宜接作为电阻阻值，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+1C2, 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M的电阻阻值围为100 Q到100KQ,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3.2 总体电路图VDDXSC74LS06DU19100k QKey 卜:RE 1kQ.RlVCCI-RSTO LVEE5VU7A VC IDISTHRQl enpQ ENT立1RlRCX2CONU5A八 F ~LOADk：~CLRU11-1CL?C1D ~2C1CLK【1PF2C 1Q ~2 ~1Q2( GND~274LS7 'DCD_HEXX3A5CLKGNDU1374LS10N1mF1kQ Key=GR2 P95%?LOAD?CLRDISTHRTRICLK1kQKey=lR3 ['TimerJ3Key = SpaceU8-1CLVC1D 舐 ~2C ,1% CLK[ 1PF2CA||CD_HEXJ4J5Key pCKeyU1CON95%gnd6 ) QlE155H+HENPRCO 5u VRTUA ?n10 n 5imei. -load—'1 ~CLRC1C274US160N7 ENPRC O9|load?CLR2 CLK浒60N矽ENT1 -LOAD-CLR74LS160N74LS71Q~1Q2(GND~2rn-T74LS7 ■ /U21U156帖中74LS1-1CLVC1D ~2C 汹 i1CLK6CU9C21NPQRC,,9~LOAD151 ~CLRCLKGND74LS1U10I r m.勺TANPQ ,-HENT,^u$Q却 Wr；J1Q2( 8_GND~2 Q74LS7 ।U22U171CLD 71CLIrMPF：U1874LS160NR11kQ1Q ~2总374LS74N* J清零端Key = H i'74LS7曰 1CLK2. £/pr 依 目 1Q ~2 . S~1Q 2 - 寸 GND~2匚CD_HEX图3.1.总电路图4 结束语4.1 收获及体会：本次课程设计为期两周， 中间还进行了一次专业英语的考试， 加上本设计需要寻找大量的资料，时间其实还是比较紧迫的。
这次设计是我们三个人一起完成的， 刚开始大家思路很不一致， 各有各的想法， 最后经过商量讨论后确定了一个最优 的设计方案通过这次课程设计， 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 一个人的知识肯定很有限， 有想法提出来，大家一起完善丰富， 期间产生了很多非常有创意的想法 所谓一人计短二人计长， 也许就是这个道理吧.这次课程设计， 我们组抽到的这个题特点是涵盖面很广， 不仅有数电方面的知识 还包括模电、 电路等，因题目只给出了最后需要达到的效果及要求， 因而可供思 考的余地很宽，这也给了我们充分的发挥空间通过这次课程设计， 我们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， 学得好不算什么， 更重要的是要学以致用， 将平时所学应用到日常生 活中去，才是我们所要达到的目标今年的课程设计给的题目都是经常使用的， 平常都有所接触就拿我们这组的题目来说， 其实它的本质就是设计一个数字式 的欧姆表 不管是单独的一个欧姆表还是万用表的其中一个功能， 这都是我们经 常使用的这些我们都会使用，但其部构造，设计原理，设计理念等恐怕还真没 几个人留意过 通过这次做课程设计，不仅加深了对这种测量仪器的了解， 使得 以后使用起来更加得心应手， 也教给了我们一些基本的设计方法及要领， 这无疑 对我们以后是有很大帮助的。
4.2 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 以实现数模的转换，正好是刚学过的，遂转换思路用 555 实现数模的转换2 、 发光二极管的摆放位置本设计要求用红绿发光二极管分别来表示不同的单位，红灯亮表示单位为 Q,绿灯表示KQ 一开始想的是将这两个发光二极管和数码显示管的千位连接在一起，因为测M围为100---100K ,故可用最高位来控制发光二极管，为 0时表示 单位为Q,红灯亮,为1时表示单位为KQ,绿灯亮但最后发现这个方法不可行，因为这样产生的误差已将近 50% ，远远大于规定的误差围经商讨后觉得可 以将这两个二极管分别与两组电容连接，在大电容侧表示测M的是小电阻，单位 为Q,红灯亮；与小电容侧连接表示测M的是大电阻，单位为 KQ,绿灯亮验 证后发现该方法切实可行3 、 仿真时发现555 芯片烧坏了进行仿真时发现在555 芯片的 OUT 端出现了被烧坏的现象，多次试验后现象仍存 在 , 和其他组同学商量后发现他们组也存在类似的问题, 不过重新换一个型号的 管子后就可以了 , 遂果断决定换另一种型号的芯片 , 问题得到解决, 出现这种现象的原因可能是芯片的耐压值太小造成的。
4 、 校正部分刚开始时只是侧重于电路的设计, 忽略了一个很重要的部分--- 校正部分 , 因本 实验还特别要求所设计出来的欧姆表要可以进行校正 , 意识到还存在这个问题 后 , 又着力于攻克它因待测电阻值与单稳态触发器的脉冲宽度是呈线性关系的 , 因此不能在单稳态触发器中做改动 , 只能在多谐振荡器中做改动 , 一开始多谐中 的各参数都是已经经过计算给定的 , 将其中的固定电阻换成滑线变阻器, 先给定 值 , 发现待测电阻值与显示管中的数值不一致时 ,进行手动调节 其实就相当于反馈部分 , 当输出出现偏差时反馈给输入, 进行调节这样校正部分也就实现了5 、 测量精度问题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Q 变成了KQ, 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，Q和KQ,加分频电路后变成了四个档位，100Q, 1KQ, 10 KQ和100 K Q,这样划分的更加细致，测M结果也更加准确了缺点及改进： 电路中存在的一些不足： 本电路设计方案中电阻的输入电路需要外界提供直流恒流源 , 对精度的要求相当高 , 这是本设计实现的一大难题 还存在一个难点就是 测量电阻的精度问题，由于本设计采用的是记录在 Tw 时间，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，误差均在允许围，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,如果输入脉冲宽度大于Tw,可在输入端接一个RC微分电路，是输入负脉冲经 RC 微分变窄后再接到单稳态触 发器上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。
致 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梁老师的细心指导，在此，我要向您表示深深的感参考文献1 林 涛主编 . 数字电子技术基础.: 清华大学 ,20062 林 涛主编 . 模拟电子技术基础. 大学， 20033 自美主编. 电子线路设计?实验 ?测试（ 第三版 ） . ： 华中科技大学 ， 20064 康华光主编 . 电子技术基础（ 第五版 ） .: 高等教育 ,20065 阎 石主编 . 数字电子技术基础（ 第四版 ） . ： 高等教育 ， 19996 福太主编 . 电子电路 511 例 （黄版 ） . ： 科学 ， 2007。