电阻分检仪

1引言

随着科技的发展，一些仪器设备在制造时所要求的元件精度更高，才能满足生产生活的需要，比如说卫星发射设备，通讯设备，电脑，手机，汽车电子等行业，所要求的器件精确度越来越高，只有这样才会减少故障的发生，为国家减少经济的损失，尤其是科研单位的仪器设备要求精度更高，否则很容易得出错误的研究结论，造成科研经费的浪费。而电阻这种现实生活中最经常用到的元件往往由于各种原因造成电阻阻值的不精确，于是一级电阻分检仪便应运而生。它主要是通过比较被测电阻和标准电阻的阻值，最后通过LED灯发光显示比较大小，下图为一级电阻分检仪设计框图：

图1.1 一级电阻分检仪设计框图

交流变压电路整流电路滤波电路稳压电路显示电路 比较器电压跟随器该电路分为七大部分，交流变压电路是利用220V变15V带中心抽头的变压器实现，然后经过整流桥完成交流电的整流，然后经过电解电容和瓷片电容组成的滤波电路，得到正负15V的直流电压，正负15V电压分别进入W7805和W7905稳压块，输出得到正负5V直流电压，为系统各部分提供稳定、可靠的直流电。检测电路：把被测电阻与标准电阻串联进行比较，并对于检测的信号进行比较，中间经过一个起到电路缓冲作用的电压跟随器，将被测电阻和标准电阻比较后的信号送入两个电压比较器，比较所产生的高低电平来驱动发光显示电路，该发光显示电路有红绿黄三个led组成。

2工作原理

2.1电路原理图

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R110KU178051GND+5VVout3RNC50.1uC71u34D31N400710U2C89R40.05KD5红VinLEDR70.05kU3AD62D1J1321CON3BRIDGE1324211141+5VC11000uC30.33uD21N4007U2A1绿RXC21000uC40.33uGNDLM3241R61K32R8Q176R?RES2NPN1K-10KR50.05KD41N4007C60.1uC81u1LED+5vU2BVout3D41N400757D7黄2VinU47905LED10KR3 图2.1 电路原理图

2.2直流电源电路

直流电源由电源变压器、桥式整流电路、滤波器、稳压电路四个部分组成。

U178051+5VD1J1321CON3BRIDGE142C21000uC40.33u2C11000uGNDVinVout3C30.33uC50.1uD21N4007C71u1D41N4007C60.1uC81u32GND1VinU47905Vout3 图2.2 直流电源电路

本系统所需的是±5V的直流电，因此要利用变压器将220V的市电先降至合适的交流电压（本电路需先降至15V交流电压），然后再将变压器次级输出电压去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。

桥式整流电路作用是利用具有单方向导电性能的整流元件将正负交替的正弦交流电压整流成为单向脉动电压。

滤波电路由电容元件组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电压中交流成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。

稳压电路的作用使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。电源稳压常采用三端集成稳压器，本设计可以采用三端集成稳压器W7805和W7905，它具有体积小、可靠性高以及温度特性好等优点，而且使用灵活、价格低廉，只有三个引出端子，分别接输入端、输出端和公共端，基本上不需外接元件，而且内部有限流保护、

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过热保护和过压保护电路，使用方便、安全。 2.3检测电路

RX23114RND41N4007D31N4007LM324U2A1本电路主要用LM324作为电压跟随器和窗口比较器，74LS86作为异或门。电源给出±5V直流电压送到检测电路，为了防止四运放芯片LM324因电源接反时两电源相互串通或所接信号过高损坏芯片，这里特加了D1、D2（利用二极管的单向导电性）加以保护。

选择器部分，应用四运放LM324作为跟随器和窗口比较器。A1电压跟随器实现阻抗变换，A2、A3组成窗口比较器。

检测原理：由门限电压与阻值的关系，求出上下门限电压。经电压比较器输出两个不同电平，即高电平和低电平。当待测电阻与标准电阻相串联比较送入跟随器，两个不同电平经窗口比较器送出电信号使相应发光二极管导通发光。

当标准电阻改变时或当电源电压改变时，也不影响电阻选择的精度。

电路工作原理如下：A1的输出电压Ux随Rx阻值的增大而增大（电压跟随器）。当Ux大于UR1时，必定也大于UR3，此时A3和A2的输出电压均为UOH，因此D5导通发光，而D6和D7截止不亮，反之当Rx较小使Ux小于UR1时，必定也小于UR3 ，此时A3和A2输出电压均为UOL，因此D5和D6截止，D7导通发光。当 UR3Rx=1.05Rn, Ux=UR1 Rx=0.95Rn, Ux=UR2

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10KR3675U2BR110K图2.3检测电路

1KR610U2C89

就能利用发光二极管正确指示被测电阻 是否符合选择要求。按电路图可得式：

1.05RnR2R32Us2UsRn1.05RnR1R2R30.95RnR32Us.2UsRn0.95RnR1R2R3R2R31.05R1R2R32.05R30.95R1R2R31.95只要在R1，R2，R3中选定一个电阻值，便可由上列式求出另两个电阻值。例如：

取R1=10KΩ，则R3=10KΩ，R2=510Ω。

不论Rn取何值，Rx的选择范围都是(0.95—1.05)Rn，因此，同一选择器可以用来选择任意标准值的电阻，只要改变Rn即可。 2.4显示电路

该电路主要有由异或门74LS86、9013、三个发光二极管组成。

D5R40.05KLEDR70.05kU3A132R8Q11K-10KR50.05KR?RES2NPNLEDLED+5vD6红14+5V绿7D7黄 图2.4 显示电路

异或门电路有两个输入端，一个输出端。当两个输入端中只有一个是高电平时，输出端则为高电平；当输入都是低电平或都是高电平时，输出端才是低电平。逻辑关系式为： YABABAB。9013在本电路中起到反相器（非门）的作用。

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当Rx＞（1＋0.05）Rn时，LM324的8脚和7脚都输出高电平（3V左右），红灯会亮，异或门输出低电平（0V），绿灯不会亮，而LM324的7脚高电平经反相后变为低电平，所以黄灯不会亮。此种情况只有红灯亮。

当（1－0.05）Rn≤Rx≤（1+0.05）Rn时，LM324的8脚和7脚分别输出低电平（-0.93V）和高电平，红灯不亮，异或门输出高电平，绿灯会亮，而LM324的7脚高电平经反相后仍为低电平，所以黄灯不会亮。此种情况只有绿灯亮。

当Rx＜（1－0.05）Rn时，LM324的8脚和7脚都输出低电平，红灯不会亮，异或门输出低电平，绿灯不会亮，而LM324的7脚低电平经反相器后变为高电平，所以黄灯会亮。此种情况只有黄灯亮。

3集成电路

3.1三端集成稳压器

稳压器是模拟集成电路的一个重要组成部分，具有体积小、可靠性高一级温度特性好等优点，而且使用灵活方便、价格低廉，别广泛应用于仪器、仪器及其他各种电子设备中。特别是三端集成稳压器，芯片只引出三个端子，分别接输入端、输出端和公共端，基本上不需要外界元件。芯片内却集成了各种保护电路，使用更加安全、可靠。三端集成稳压器又分为固定输出和可调输出两种不同的类型。其中固定输出集成稳压器又分为正输出和负输出两大类.本设计所采用的W7805和W7905即分别是固定正输出和负输出集成三端集成稳压器。 3.2电压跟随器电路

如图3.1、3.2所示电路为电压跟随器，它是同相放大电路的特殊情况，输入信号

是从集成运放的同相端引入，反馈电阻为零，负反馈极强，运放工作非常稳定，输入阻抗很大。输出电阻却很小，因而这种电路具有阻抗变换作用。所谓阻抗变换作用是指经电压跟随器放大后，其输出电压近似等于信号源的电动势而其输出电阻却很小。该电路常用作输入级、中间缓冲级和输出级。

该电路的基本关系如下 Vi+Vis=Vo Vo=-AVis

式中：A——运放开环电压放大倍数； Vis——运放的纯输入电压； 对该电路，当输入信号的电压振幅增大到接近运放的正电源电压时，将可能发生死锁现象，即信号将不能正常输出，这是由于运放内部的正反馈产生了寄生

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振荡。为了防止该现象产生，可采用图6。

图3.1 电压跟随器之一 图3.2 电压跟随器之二 3.3比较器

如图3.3为加限幅电路的过零比较器，DZ为限幅稳压管。信号从运放的反相输入端输入，参考电压为零,从同相端输入。

图3.3过零比较器电路图 图3.4 电压传输特性图 当Ui＞0时，输出UO＝-(UZ+UD)，当Ui＜0时，UO＝+(UZ+UD)。其电压传输特性如图3.4所示。过零比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差。

如图3.5所示，从输出端引一个电阻分压正反馈支路到同相输入端，若uo改变状态，∑点也随着改变电位，使过零点离开原来位置。当uo为图3.3为加限幅电路的过零比较器，DZ为限幅稳压管。信号从运放的反相输入端正（记作U+） ，则当ui＞U∑后，uo即由正变负（记作U-），此时U∑变为－U∑。故只有当ui下降到－U∑以下，才能使uo再度回升到U+，于是出现图3.6中所示的滞回特性。－U∑与U∑的差称为回差。改变R2的数值可以改变回差的大小

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图3.5滞回比较器

3.4异或门 图3.6滞回比较器的传输特性 集成电路74LS86是一片四2输入异或门电路，其引脚图3.7如下所示。

异或门电路有两个输入端，1个输出端。当两个输入端中只有1个是高电平时，输出端则为高电平；当输入都是低电平或都是高电平时，输出端才是低电平。逻辑关系式为

图3.7集成74LS86引脚图

YABABAB3.5安装调试

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图3.8电阻分检仪的pcb

该pcb的大小为76mm×50mm的单面板，电源线和地线40mil-50mil,其它线为30mil，其中电阻RN和RX用两个排针插座代替，三极管采用9013，三个LED的颜色自上而下依次是红、绿、黄。以下是所用到元器件清单： 类型 0.1u 0.1u

流水号

C5 C6 R5 R4 R7 C3 C4 R8 R6 D2 D1

封装

RAD0.1 RAD0.1 AXIAL0.3 AXIAL0.3 AXIAL0.3 RAD0.1 RAD0.1 AXIAL0.3 VR5

0.05K 0.05K 0.05k 0.33u 0.33u

1K-10K 1K

1N4007 1N4007

DIODE0.4 DIODE0.4

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1N4007 1N4007 1u 1u 10K 10K

D3 D4 C7 C8 R1 R3 U3 C2 C1 U1 U4

DIODE0.4 DIODE0.4 RAD0.1 RAD0.1 AXIAL0.3 AXIAL0.3 DIP14 RB.2/.4 RB.2/.4 TO-126 TO-126

74LS86 1000u 1000u 7805 7905

BRIDGE1 BRIDGE1 D-38 CON3 LED LED LED

J1 D5 D6 D7 U2 Q1 R9

SIP3 SIP2 SIP2 SIP2

LM324 NPN

DIP14 TO-126 AXIAL0.3

RES2

3.5.1调试方法和所用仪表

1、将220V/双15V变压器输出电压加到电路中，通过用数字万用表交流电压档测得变压器的两个次级输出电压有效值大小为15V左右，说明该变压器工作正常，并用示波器观察变压器输出电压经过整流桥和滤波电容后的波形，波形接近直线，说明滤波电路工作正常。

2、用数字万用表测量7805和7905的管脚3输出端对地电压。经测量7805和7905分别输出+5V、-5V，说明稳压电路部分正常工作。

3、用数字万用表测量LM324的4脚和11脚的对地电压。经测量4脚电压+4.3V，11脚电压-4.3V，说明对LM324的供电正常。

4、用数字万用表测量74LS86的14脚对地电压、7脚对地电压。经测量14脚电压

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+5V，7脚电压0V。说明对74LS86的供电正常。

常见故障：两个稳压块7805和7905的输出电压接近于0V。这是由于稳压块输出端的两个用来稳压的二极管接反所致，二极管的导通电压0.7V，使输出端接近短路，所以输出电压远远达不到+5V或-5V。以致后面整个电路瘫痪，不能完成本电路所能实现的功能。 3.5.2功能测试

设计要求：

若Rx＞（1＋0.05）Rn时， LED1红灯发光；

若（1－0.05）Rn≤Rx≤（1+0.05）Rn时，LED2绿灯发光；

若Rx＜（1－0.05）Rn时， LED3黄灯发光。

选取3K的精确电阻作为标准电阻，另外分别选取3.3K，接近3K和2.7K三个电阻作为被测电阻。测试结果如下：

当Rx﹦3.3K时，红灯亮； 当Rx≈3K时，绿灯亮； 当Rx﹦2.7K时，黄灯亮。

满足电路设计要求。

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小结

在这次设计中，我们遇到了很多难题，老师给予了我们很多理论知道你和实际操作，学到了很多书本上没有的东西，并了解很多当今信息产业在社会发展中举足轻重的作用。此次设计主要围绕电子分检仪的检测与显示电路，熟悉制图到调制全过程，了解主要器件的作用功能，实现理论与实践紧密结合。同时也为自己今后学习指明了方向。通过电子产品制作这门课的学习，让我对电子产品制作的工艺过程有了比较清晰的认识，同时提供给我一个将PCB制作运用到实践中的机会，让我对PCB制作的学习更加深入，更加全面。电子产品制作过程，制版，焊接，调试，所有的事情都需要我们亲自动手，这也大大提高了我的动手能力。经过一个学期的学习，让我受益匪浅，在这里感谢蔡艳艳，司小平两位老师的教导。

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