数字电阻测量仪-正文

第1页1前言在二十一世纪的今天，电子行业飞速展。电子行业经历以前的散装到现在的集成的印刷电路板（PCB），成为现在各种电器设备的主要器件。所以PCB的使用和应用有广泛的前景。在电子仪器、仪表的制造以及使用行业，如电视机、计算机等有大量的印刷电路板的电器需要调试、测量与维修，那就需要对电阻的数值进行测试。本设计就是一种数字显示的电阻测量仪，需要设计4又1/2位的数字显示电阻测量仪，并用LED数码管显示，其测量范围在0.01-20MΩ,相对误差需要小于2%它采用以往模拟式的电阻测量仪，进行数据处理，模数转换，译码显示等，实现测量过程的智能化。此数字电阻测量仪具有电路简单、测量范围广、测量精度高，操作简单方便，显示直观等特点，对电路稍加改动，即可完成电容和电感的测量，又可改装成电容、电感、电阻三用测量仪。因而在电子设计、电子维修等行业具有广泛的应用前景。第2页2总体方案设计2.1方案比较方案一电源供应精密恒流源精密电压放大器A/D转换器单片机控制器图2.1数字电阻仪电路框图如上图所示该电路由5部分组成：电源供应、精密恒流源、精密电压放大器、A/D转换器、单片机控制器。其中电源供应为稳定的±5V直流电压，恒流源由精密基准电压源和高性能运放组成，向被测电阻提供精确的测试电流，精密放大器由斩波稳零运放做测试信号的同相放大，在精密放大器的负反馈回路接入三个单片机控制的模拟电子开关，用于量程不同放大倍数的切换。A/D转换器采用4又1/2位的ICL7135芯片。ICL7135用5位BCD码的形式向单片机提供数据，并提供过量程（OV）和欠量程（UN）信号给单片机用于量程自动切换。单片机有数据采集、处理、显示、量程切换、电压监控等。本机显示模块有两片74LS164分别用于LED数码管的位驱动和段驱动，共有5位数码显示。方案二本电路是由测量电路，转换装置，译码驱动器和显示器等组成，设计一个数字显示电阻测量仪。如下图所示其基本工作工作原理如下：利用万用表测电阻的原理，依据欧姆定律进行，采用比例测量法，利用通过被测电阻的电流及其两端的电压来反映被测电阻Rx的大小。被测电阻的电压Ux经AD转换后以动态扫描形式输出，数字量输出端上的数字信号按照时间先后顺序输出，位选信号D1，D2，D3，D4，D5通过位选开关MC1413分别控制着万位，千位，百位，十位，个位上的四只LED数码管的公共阴极。数字信号经七段译码器MC14513译码后，驱动四只数码管的各段阳极。这样就把AD转换器按时间顺序输出的数码以扫描形式在四只数码管上显示出来。第3页D15V0AD转换器译码驱动器LED数码管UrefUxRxRoU+位选开关时钟振荡器图2.2数字电阻仪原理框图2.2方案选择由于精密电流源部分是整个仪器安全性能的薄弱环节，必须考虑各种内部和外部的可能因素对仪器造成的损坏，从而影响安全性。方案二的测量电路简单且比较精确，不需要对电压电源要求很高。所以本次设计将选择方案二设计的总体方案第4页3单元模块设计3.1电阻测量电路原理及介绍数字电阻表采用的是比例测量法，其原理电路见图3.1由稳压管ZD提供测量基准电压，流过标准电阻0R和被测电阻XR的电流基本相等（数字表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计）所以A/D转换器的参考电压RFEU和输入电压INU有如下关系xINREFRRUU0即0RUURREFINxR1100R2900R39kR490kR5900kR69000k6543217R71kD15V0V+RxUxUref图3.1电阻测量电路图3.2A/D转换器ICL7135原理及其应用第5页A/D转换器采用41/2位的ICL7135芯片，IC7135L是高准确度，通用型CMOS单片421位数模转换器，适合制作精密数字电阻表和台式万用表。ICL7135的主要特点是：最大计数值是±1999，满量程为2.0000V，保证在零输入时读数为0。输入阻抗高10^9Ω输入电流仅为1pA（典型值），允许差分输入。能自动判别信号的极性，具有读数保持功能。具有超量程（OR）和欠量程（UR）信号，易于实现自动转换量程。设有6个控制信号端（OR、UR、STR、POL、R/H、BUSY），能与微型计算机相连进行数据处理，构成智能仪器和自动测试系统。采用多路BCD码扫描输出，能降低LED显示器的功耗。构成421位数字电阻测量仪时，需外接段译码驱动器、位驱动器、时钟振荡器、基准电压源。所有输出电平与TTL电路兼容。时钟频率典型值为120KHZ，最大值位200KHZ。能以闪烁的方式指示超量程状态。采用双±5V电源供电，其中+5V电源电流为1.1mA，-5V电源电流为9.8mA。V_V+COMINTCAXBUFCref_Cref+IN+IN_V+D5B1B2B4B3D4D3D2D1BUSYCLKPOLGNDR/HSTRORURICL7135图3.2ICL7135管脚各引脚功能如下：Vcc+：接+5V电源；Vcc-：接-5V电源；GND：数字地；CLK:时钟信号输入端；D1-D5:分别为个、十、百、千、万位选通信号输入端，按照D5（最高位MSD）→D4→D3→D2→D1(最低位LSD)的顺序输出位扫描信号。只要不出现超量程状态，就一直不断的进行扫描。超量程时，从STR选通信号结束一直到D5重新扫描的时间内，全部位选通信号结束，显示器将断续亮灭，用闪烁方式第6页显示超量程状态。OR(OVERRANGE):超量程信号输出端。当Vid≥2.000V时，OR端输出高电平。UR（UNDERRANGE）:低量程的信号输出端，当显示值N≤1800（不考虑小数点）时，UR端输出高电平。STR(STROBE)：数据选通输出端。在每个模数转换周期开始时，STR端产生5个脉冲宽度等于21时钟信号的负脉冲，分别对应5个选通信号的21脉宽处。利用此信号可以把各位BCD码数据传输到外部锁存器或微处理器。BUSY：忙碌输出，用来指示模数转换正在进行。在积分过程中BUSY位高电平，在自动调零阶段为低电平。R/H(RUN/HOLD):运行和保持控制端。此端接高电平或则悬空，能自动完成A/D转换；接低电平时读数保持不变，直到R/H端恢复高电平时才能改变读数，在保持期间A/D转换照常进行。POL(POLARITY):信号极性输出。正信号时输出高电平，负信号时输出低电平。ICL7135属于大规模集成电路，除显示驱动器，基准电压源和时钟信号发生器之外，所有电路都集成在芯片上，芯片内部包括模拟电路和数字电路两部分。模拟电路的框图如下图3.3所示图3.3ICL7135的模拟电路框图第7页ICL7135的数字电路如下图3.5所示，主要由四位计数器，锁存器，位选BCD码，多路扫描电路，极性触发器，过零触发器和控制逻辑所组成。计数器一方面对模数转换结果进行计数，另一方面还对4个阶段的时钟周期计数。在反向积分阶段开始的时刻，计数器从零开始；当积分器输出电压通过零点是将计算结果送至锁存器，直至下一个模数周期过零时，才刷新模数转换电路，如下图3.4所示。多路扫描电路同步输出位选通信号以及该位的模数转换结果（BCD码）。控制逻辑则向各组模拟开关发出控制信号，决定其通断状态超量程欠量程自动调零正向积分反向积分积分输出D5D4D3D2D1正向积分正向积分正向积分正向积分正向积分D5D4D3D2D1(1)(2)(3)数字扫描数字扫描STR反向积分图3.4模数转换的时序波形第8页图3.5ICL7135的数字电路3.3位选开关MC1413驱动器MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成电路的输入信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载。该电路内含有7个集电极开路反相器（也称OC们门）。MC1413电路结构和引脚排列如图所示，它采用16引脚的双列直插式防撞。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的抑制二极管。其功能为控制万位，千位，百位，十位，个位上的四只LED数码管的公共阳极。图3.6MC1413管脚图Vi123456789101112131415161Vo1VccGNDMC1413第9页3.4ICL7555时钟振荡器RTRIGCVOLTQDISTHRVccGND12345768ICL7555图3.7ICL7555管脚该时钟振荡器管脚如上图所示，其主要功能是提供时钟信号输入。3.5MC14513译码器MC14513译码器BCDRBOAabcdefgLERBIBILT171610111213141571263485图3.8MC14513管脚ABCD---BCD码输入端abcdefg----译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。LT---测试输入端BI----消隐输入端RBI----无效零消隐控制端LE-----锁存控制端第10页MC1413是集成了7路的复合管驱动专用集成电路，内有保护钳位二极管，可以直接驱动各种指示灯、继电器、7段LED显示器、小功率的步进电机等；它的放大倍数大，驱动能力强,使用非常方便。使用时还应注意，将MC14513的锁存控制端LE接地，灯测试端LT和消隐控制端BI均接高电平。3.6LED数码管数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，LED数码有共阳和共阴两种，把这些LED发光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个8字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的，相反的，就叫共阴的，那么应用时这个脚就分别的接VCC和GND。本设计提供的为LED数码管（共阳极）管脚如下图3.9所示U4ABCDEFGCK图3.9LED数码管管脚第11页4系统调试按照总体方案原理图接好电路图，经过被测电阻的电压经过AD转换器ICL7135时在时钟振荡器ICL7555发出的时钟信号的控制下进行模数转换，对ICL7135仪器最大特点是实现自动调零和量程转换，省去故障率较高的电位器和量程切换开关。调零的方法是：开机后进行自检，如果系统工作正常就读取A/D转换的结果。当连续读取5个A/D转换结果后，判断它们是否都小于0.2Ω,否则，仪器继续显示调零提示符。如果连续5个值都小于0.2Ω,这时就找出其中最小值作为初始值，以后每次的测量结果都要减去初始值。输入信号经转换后再经译码器MC14513译码，最后通过数码管显示数值，接线过程中应注意检查高地位是否接反，是否接地等。根据A/D转换芯片ICL7135的过量程和欠量程信号，由ICL7135自动进行量程切换。量程切换要完成3项工作：首先是切换其内部精密放大器的放大倍率，再是调整初值的有效位数，最后是通过位选开关MC1413调整小数点的位置.通过上面所述准确调试确保电路正常工作。第12页5设计总结此次课程设计经过几周的不懈努力，目前基本达到了预期的要求，通过对整个系统的调试，可得到如下结论：设计出了一个4又1/2位的数字显示的电阻测量仪，通过运用模拟电路和数字电路的相关知识，电路测量得来的模拟量通过一种大规模的集成芯片转换成显示精确的数字量。本次设计还是有许多的不足之处,比如说本次设计的电阻表的功能并不强大等问题.我们在以后可以设计功能更为强大的数字电阻表,只是由于时间以及个人的能力问题我们暂时还难以设计出这样的电路,这就有待于今后我们在学习中认真领悟、参透.此次设计是本人第一次运用模拟数字电路模拟实际的东西。因而在许多方面都还不熟练,不如说对一些元器件的功能还不完全了解，不能熟练运用，因而不能完全的一次性设计好该电路。不过通过本次的课程设计我学到了学多的知识，学会了Protel的一些基本使用方法，培养了我们独立思考问题解决问题的能力，加深了我们对数电、模电知识的理解，巩固了我们的学习知识，有助于我们今后的学习。第13页6致谢能够完成本次课题，本人感到十分的高兴。在此我必须感谢从开始到最后帮助过我的人。首先我非常感谢胡老师对我的帮助。从开始的对课题的不了解到完成本次课题，胡老师给予了我很大的帮助，通过电话的讲解以及电子邮件的解答，我终于才能完成本次课题。再次我还要学校开设这次课题，这很大程度上培