简易数字万用表的555芯片实现方法

随着科技的发展，芯片技术的发展，芯片在各个领域内被广泛使用。在我们搭建电路排查故障时，经常需要测量两端点之间的电压电阻和电容数值，经过对不同芯片的了解和对比，本文给出了一种简易的电压电阻电容值显示方案。

1 设计方案及论证

1.1 系统方案设计与比较（电压）

方案一：以数字电压表为核心，将电容和电阻都转化为电压进行测量。优点：共用一个测量电路，使用统一时钟，测量时间短，出现报错的可能性低，便于组合及功能切换部分的设计。缺点：电容转换的恒压充电法和电阻转换的方法精度低，测量难度高，且要使用恒流源，难以实现数字化。

方案二：电压、电容、电阻表功能分别实现，通过按键切换电路调整各时钟的工作顺序，共用一个计数电路进行显示。优点：各测量功能分别实现互不影响，便于设计，可选测量方案很多，容易实现精度要求。缺点：进行组合时比较困难，各部分时钟不统一，容易出错。

经过多方面考虑我们选择了方案二，考虑到直流电压表本身对于转换速率没有较大的要求，为了控制其成本，选用双斜积分式ADC。

1.2 系统方案设计与比较（电阻电容）

方案一简单物理测量法：使用场效应管运放组成线性电阻表电路，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。这样就可以通过电流表的示数来表示电阻。恒压充电法测量，用一个电阻和电容串联，用恒压源对电容充电，然后根据电容充电的曲线超过某个固定电压所需要的时间，利用曲线拟合的方法测量。这种方法主要缺点为精度低，并且难以实现数字化。

方案二555 测量法：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电容值呈正比，故可将电容转化为振荡信号的脉冲宽度进行测量。再设计一个555 多频振荡器，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，进行计数，这样，适当调整秒冲宽度与电阻值的比例和振荡器产生脉冲的频率即可通过对相遇之后信号脉冲的个数计数并显示来确定待测电阻阻值，由于可以通过芯片对输出脉冲计数，故实现数字化较为容易，因此选择方案二。

2 具体电路设计

2.1 电压表设计

74LS160 的电路状态为

根据电路状态则可设计如图1 的三次一循环的转换电路。

图1

积分器运放选择为：OP2227

比较器选择为：LM393

译码器选择为：74HC138

模拟开关选择为：MC74HC4066

继电器选择为：EMR011B06

A：连接74LS273 的CLR 与CLK

B：连接74LS160 的CLR

C：连接74LS160 的CLK

D：连接转换电路

E：连接测量电压

对于满量程为9.99V 的电压表，最大电压积分后很容易造成积分饱和，所以首先对测量电压进行分压，理论上选择9950Ω 与50Ω 的电阻组成分压电路，将0-9.99V 的电压分压为0-49.95mV，但是在实际操作中，这样的组合误差较大，为了减小误差，通过实践，最终分压电路选择为串联9949Ω与51Ω，并增加0.01V 的电压偏置。

对于参考电压，我们选择为-4.995mV。当测量电压位于满量程时，测量分压电压积分10ms 的值与参考电压积分100ms 的值相加为0，所以当时钟选择为10kHz 的时候，这样的积分电路是可以完美实现其功能的，并且测量时间t ≤0.11s。

对于置零-第一次积分-第二次积分的功能转换可以通过两个时钟电路译码来实现，时钟A 为5H在，占空比为10%，时钟B 为5Hz，占空比为5%。A时钟接在74HC138 的A 口，B 时钟接在74HC138 的B 口，C 时钟接地，在0-0.01s 中Y3 口输出低电平，在0.01-0.02s 中Y1 口输出低电平，在0.02-0.2s中Y0 口输出低电平。将Y0 与Y1 输出取反，使其在接下来的电路为高电平使能，则可将Y3 输出作为控制置零信号，Y1 输出作为控制测量电压积分信号，Y0 口作为控制参考电压积分信号。

在模拟开关中，1 口输入为参考电压，2 口输入为测量电压的分压，4 口输入为9V 高电压，其目的为控制继电器开合，以使积分电容两端放电。

控制积分电容充放电的继电器。

A 口为Y0 输出的非和比较器的非相与，当积分未完成时，比较器的非为低电平，此时与门输出为低电平，则74LS273 置零端使能，CLK 也无上升沿脉冲。当积分器数值为零时，第二次积分完成，比较器输出低电平，取非为高电平，此时与门输出为高电平，有上升沿，则74LS273 接受输入端数据，并从输出端输出，这个元件实现了在积分过程中，显示管不显示数字的功能。

B 口与74HC138 的Y3 口相连，控制74LS160 的置零功能，方便电路进行多次测量。

C 口为74HC138 的Y1 口的非、比较器输出和时钟信号三者相与，其功能为只在第二次积分开始后才进行计数，防止其他信号干扰计数器的脉冲。

D 口为选中信号端，对其取反并和74HC138 的Y3 口相或，当不选中该电路时，或门输出为高电平，控制继电器使积分电容两端短路，则此时电压表不行使其功能。选中该电路时，或门的一个输入为低电平，当Y3 口输出为高电平时，积分电容两端断开，电压表行使其功能。

E 口为测量电压输入端。

2.2 电阻电容表的设计

由555 定时器构成的单稳态触发器产生的脉冲宽度Tw 与构成的待测电阻成正比，通过调整参数就可以把Cx 转换为脉冲的宽度。只要把宽度为Tw的脉冲与固定频率的脉冲相与便可以得到计数脉冲，计数后显示的N 就是待测电阻阻值。

555 产生单脉冲，其时间Tw 为一个时间长度，即为脉冲宽度。555 平时vi ≥1/3vcc，接通瞬间，电路有一个稳定的过程，即电源通过电阻r 向c 充电，当vc 上升到2/3vcc 时，基本rs 触发器复位，vo 为低电平，放电管t 导通，电容放电，电路进入稳定状态，如图t1 前所示。若触发器输入端施加触发信号(v1＜1/3vcc)，触发器发生翻转，电路进入暂稳态，vo 输出高电平，且管t 截止，此后电容c 充电至vc=2/3vcc 时，电路又发生翻转，vo为低电平，t 导通，电容c 放电，电路恢复至稳态。

电阻：其中Tw=1.1RC，要测电阻就必须知道Tw 和R 的值，Tw 可以测出，所以只要c 的值设置为1/1.1 即可使得Tw=R，所以我们可以将数码管显示的数字直接作为电阻值。由于串联电容1/C=1/C1+1/C2，再考虑到要尽量提高计数频率，我选择1mf 和0.1mf 电容串联这样999 欧姆的技术时间大概时973ms，可以用10hz 的信号来清零。

输出矩形波的周期为充电时间加放电时间：T=T1+T2=0.7(R3+2R2)C。

振荡频率：f=1/T=1.4286/[(R3+2R2)C] 占空比：q=(R3+R2)/(R3+2R2)为降低误差要使q 尽量远离1。这里我的电容选择0.1nf，电阻r3+2r2 的值就需要为1428.6k 欧姆，但是经过实际器件仿真，我们发现实际完成技术脉冲的周期并不为1，经过误差修正以及阻值计算，我们最后选择232k572k。

图2

电容：5 脚接10nf 电容防止引入干扰，设定Tw=100ms，设计1-999nf，Cmax ≈1000nf，，R 的理论值取91kΩ。

图3

电容C 的充电时间和放电时间各为T1=CIn2(R1+R2) T2=CIn2R2，因为时钟周期是在忽略了555 定时器6 脚的输入电流条件下得到的，而实际上6 脚有电流流入。因此，为了减小该电流的影响，应使C2=0.01uF。故振荡波型的周期为：T=T1+T1=0.7C(R1+2R2)。

因为要求Cx=999nf 时，Tx=100ms，所以需要时钟发生器在改时间内产生999 个脉冲，T 应为0.1ms，R1+2R2=T/0.7C2=1429Ω 取占空比为60%，即=60%，R1 取2 450Ω，R2 取5 720Ω。

3 计数器和锁存显示电路

由于各表都要求三位显示，所以计数电路选择三片74LS160 级联，低位芯片的时钟输入端直接与计数脉冲相连，进位输出端通过反相器与高位芯片的时钟相连，每当低位计数满后产生一个上升脉冲使高位芯片计数加一。

各测量电路的输出脉冲经过逻辑门连接后与锁存器的时钟相连，只在测量周期的下降沿输出数据使数码管只显示计数结果。

译码芯片与数码管之间接300Ω 电阻作为限流保护。

4 测试

4.1 测试方法

将待测电压电容电阻分别调至不同大小，并接通电路观察数码管显示的实际数据将其与待测电压电阻电容的原本数值进行对比即可得出误差大小。

4.2 测试数据

表1

表2

表3

4.3 数据分析和结论

参数的理论计算值和实际取值存在较大差距的原因是许多原件的性能并非理想，实际器件的取用要考虑很多因素，如通态电流电压等。尤其是允许通过的最大电流，在使用实际器件经常报错的原因就是某个支路超负载导致电路故障。由于确定参数用到的公式有些不是理想的线性，需要用示波器进行实际测试再修改。测量周期时钟的频率和占空比都对误差有一定影响，这也是量化误差的一大来源。

5 结语

随着科技的发展，芯片技术的发展，我们在电路修理与设计时经常会需要测量电压电阻电容，这种比较简易的电压电阻电容值显示方案，由于原料常见，可以在没有现成万用表的时候用此方法搭建一个临时的万用表来完成实验。