汽車儀表綜合測試儀的研制

范 麗，焦 然，尹傳華

（泰安航天特種車有限公司，山東 泰安 271000）

汽車儀表是駕駛員和汽車的交互界面，它能為駕駛員提供所需的汽車運(yùn)行參數(shù)、故障、里程等信息，是每一輛汽車必不可少的部件，儀表的故障直接影響車輛的正常使用。目前對(duì)儀表的檢測一般沒有專用設(shè)備，發(fā)現(xiàn)故障后，主要靠工人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)手工或使用萬用表等簡單儀器檢查排除。本項(xiàng)目研制一種基于555定時(shí)器的汽車儀表綜合測試儀，可以模擬傳感器提供儀表所需的頻率信號(hào)（車速表、轉(zhuǎn)速表）、電阻信號(hào)（燃油表、水溫表、油壓表、氣壓表）、各種開關(guān)量信號(hào)，用來檢測、調(diào)試儀表及其線路的故障。

1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)要求：①標(biāo)稱電壓24V DC；②整機(jī)功耗＜5W；③方波信號(hào)：占空比50%～55%，頻率范圍60～600Hz～6kHz，精度±5%，電壓幅度>9V；④正弦波信號(hào)：頻率范圍60～600Hz～6kHz，精度±5%，電壓幅度>400mV；⑤電阻信號(hào)：電阻范圍1～1000Ω，精度±2%；⑥開關(guān)量信號(hào)：高電平>Vcc～0.5V，低電平：＜0.5V。測試儀外形見圖1。

圖1 汽車儀表綜合測試儀外形圖

2 555定時(shí)器簡介

2.1 555定時(shí)器電路結(jié)構(gòu)及功能

555定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的集成電路，圖2為其電路結(jié)構(gòu)。555定時(shí)器由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、輸出緩沖器、放電開關(guān)組成，具有控制、觸發(fā)、電平檢測比較以及輸出放大和放電功能。

圖2 555定時(shí)器電路結(jié)構(gòu)

2.2 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形脈沖波的自激振蕩器，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫態(tài)。在工作時(shí)，電路的狀態(tài)在這兩個(gè)暫態(tài)之間自動(dòng)地交替變換，輸出連續(xù)的矩形脈沖信號(hào)。

2.2.1 電路組成

圖3為555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器。圖中電阻R、R及電容C為振蕩器的定時(shí)元件，決定著輸出矩形波正、負(fù)脈沖的寬度；定時(shí)器觸發(fā)端TR（2腳）和閾值端TH（6腳）與電容C相連；放電端DISC（7腳）接電阻R、R相連處，用以控制電容C的充、放電；U是輸出信號(hào)。

圖3 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

2.2.2 工作原理

圖4為多諧振蕩器的工作波形圖。電路接通電源瞬間，電容C來不及充電，電容C電壓U為0V，輸出電壓U為高電平，定時(shí)器內(nèi)部放電開關(guān)T截止，電路進(jìn)入暫態(tài)I狀態(tài)，電容C開始充電。此后，電路按照以下兩種狀態(tài)周而復(fù)始地循環(huán)，產(chǎn)生周期性的輸出脈沖。

圖4 多諧振蕩器的工作波形圖

1）暫態(tài)I狀態(tài)：電源V通過電阻R、R對(duì)電容C充電，電容C電壓U按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)電容C充電至電壓U上升

2）暫態(tài)Ⅱ狀態(tài)：電容C通過電阻R及放電開關(guān)T快速放電，電容C電壓U按指數(shù)規(guī)律下降。當(dāng)電容C電壓U下降到

由以上分析可知，多諧振蕩器兩個(gè)暫態(tài)維持時(shí)間取決于電容C及電阻R、R值的大小。

暫態(tài)Ⅰ維持時(shí)間（即輸出高電平寬度）：≈0.693（＋）

暫態(tài)Ⅱ維持時(shí)間（即輸出低電平寬度）：≈0.693

振蕩周期：＝+≈0.693（＋2）

振蕩頻率：＝1/≈1.443/（＋2）

輸出脈沖占空比：D＝/＝（＋）/（＋2）

可見只有在>>條件下，輸出脈沖才為占空比D接近50%的理想方波。

3 汽車儀表綜合測試儀的設(shè)計(jì)

圖5為本項(xiàng)目研制的汽車儀表綜合測試儀原理圖，該電路由電源電路、多諧振蕩器、積分電路、電阻信號(hào)電路、開關(guān)量信號(hào)電路組成。電阻R、穩(wěn)壓管DW、電容C組成電源電路，為多諧振蕩器電路提供12V電源，D為電源極性接錯(cuò)保護(hù)二極管，發(fā)光二極管LED用作電源指示；555定時(shí)器和電阻R、R、R、電容C或C構(gòu)成多諧振蕩器，電容C為干擾抑制電容，電容C為信號(hào)輸出耦合電容，開關(guān)SA為頻段選擇開關(guān)；電阻R、R、R及電容C、C、C組成積分電路；電阻R組成電阻信號(hào)電路；開關(guān)SB、SB組成開關(guān)量信號(hào)電路。

圖5 汽車儀表綜合測試儀原理圖

555定時(shí)器和電阻R、R、R、電容C或C構(gòu)成典型的多諧振蕩器，由于電阻R、R的阻值之和遠(yuǎn)大于R，所以555定時(shí)器3腳輸出信號(hào)基本上為方波，通過調(diào)節(jié)電阻R的阻值可以改變振蕩器的頻率，頻段選擇開關(guān)SA可使頻率增大10倍。方波信號(hào)經(jīng)過電容C藕合輸出，加至由電阻R、R、R及電容C、C、C組成的積分電路，通過三次積分變換后，輸出近似的正弦波信號(hào)。

4 常見故障及排除方法

當(dāng)儀表出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)根據(jù)故障現(xiàn)象和其電路原理分析故障大致的原因，然后以“由外向內(nèi)”的步驟檢查和排除故障。即先檢查儀表板以外的傳感器、開關(guān)、熔斷器、線路及插接器等可能故障部位，待這些可能故障原因排除后，若儀表還不能恢復(fù)正常，再拆檢儀表。

4.1 汽車儀表系統(tǒng)常見故障診斷

4.1.1 油壓表、燃油表、氣壓表、水溫表故障診斷

油壓表、燃油表、氣壓表的結(jié)構(gòu)及電氣特性基本相同，其傳感器電氣特性也大致一樣。即儀表指示零位時(shí)，傳感器電阻值為數(shù)歐，儀表在滿刻度位置時(shí)，傳感器電阻值為200Ω左右。一般來講，正常情況下，點(diǎn)火開關(guān)閉合后，油壓表的指針應(yīng)動(dòng)一下，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，油壓表指針慢慢指示發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力值，燃油表則應(yīng)指示實(shí)際油量位置，氣壓表則應(yīng)指示儲(chǔ)氣筒內(nèi)的氣壓。如果在點(diǎn)火開關(guān)閉合后，儀表指針均不動(dòng)作，這一般是供電電路的問題，應(yīng)檢查儀表熔斷器及電源線。如果儀表電源線有電，則是儀表本身的問題。

如果點(diǎn)火開關(guān)閉合后，儀表指針指示最高位置，則可用儀表與傳感器的連接導(dǎo)線直接搭鐵，若儀表指針回落，則說明故障在傳感器，如果指針仍保持高位不動(dòng)，說明故障在儀表內(nèi)部。

水溫表的電氣特性與上述3種儀表正好相反，當(dāng)傳感器出現(xiàn)短路搭鐵時(shí)，水溫表應(yīng)指示高位；若傳感器完全斷路時(shí)，水溫表指示低位。水溫傳感器是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，在0℃時(shí)其電阻為1kΩ左右；在100℃時(shí)，其電阻值為38Ω左右。

綜上所述，根據(jù)儀表及傳感器電氣特性不難判斷它們的故障位置。國產(chǎn)重型汽車常用傳感器基本參數(shù)詳見表1～表4。

表1 油壓表指示值與傳感器對(duì)應(yīng)電阻值

表2 燃油表指示值與傳感器對(duì)應(yīng)電阻值

表3 氣壓表指示值與傳感器對(duì)應(yīng)電阻值

表4 水溫表指示值與傳感器對(duì)應(yīng)電阻值

4.1.2 車速表故障診斷

車速表信號(hào)取自霍爾式車速傳感器，傳感器輸出方波信號(hào)，占空比30%～70%，高電平≥4V，低電平≤0.8V。

用萬用表檢查儀表供電電路，如果儀表電源線有電，再進(jìn)一步檢查儀表傳感器供電端12V輸出電壓，如輸出電壓偏差較大，說明儀表內(nèi)部電源電路故障，須檢修車速表。如輸出電壓正常，可用方波信號(hào)源給車速表輸入信號(hào)，若車速表能指示車速，說明故障在車速傳感器或傳輸導(dǎo)線；若車速表不能指示車速，說明儀表本身問題。

4.1.3 轉(zhuǎn)速表故障診斷

轉(zhuǎn)速表信號(hào)取自發(fā)電機(jī)W端或者磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，其信號(hào)源為正弦波信號(hào)。

用萬用表檢查儀表供電電路，如果儀表電源線有電，可用正弦波信號(hào)源給轉(zhuǎn)速表輸入信號(hào)，若轉(zhuǎn)速表能指示轉(zhuǎn)速，說明故障在信號(hào)源部分或傳輸導(dǎo)線；若轉(zhuǎn)速表不能指示轉(zhuǎn)速，說明儀表本身問題。

4.1.4 信號(hào)燈故障診斷

信號(hào)燈分為指示信號(hào)、警告信號(hào)兩大類，它們通常由油壓、氣壓、溫度等各種指示（報(bào)警）開關(guān)控制，可用信號(hào)燈與指示（報(bào)警）開關(guān)的連接導(dǎo)線直接搭鐵，若信號(hào)燈點(diǎn)亮，則說明故障在指示（報(bào)警）開關(guān)；如果信號(hào)燈不亮，說明故障在供電電源、信號(hào)燈及控制線。

4.2 汽車儀表綜合測試儀應(yīng)用

根據(jù)汽車儀表系統(tǒng)常見的信號(hào)特征，本項(xiàng)目研制的汽車儀表綜合測試儀可模擬頻率、電阻、開關(guān)量等信號(hào)，能夠完成儀表指示、照明、信號(hào)燈等功能測試，通過旋轉(zhuǎn)模擬旋鈕改變頻率和電阻信號(hào)的輸出值，基本滿足汽車儀表故障診斷工作需求。

4.2.1 電路連接

按照?qǐng)D6所示，先將測試儀與24V電源正負(fù)極連接，再將要測試的儀表與測試儀連接。

圖6 汽車儀表綜合測試儀接線圖

4.2.2 檢測操作

1）接通測試儀上電源開關(guān)，電路接通。

2）轉(zhuǎn)動(dòng)測試儀上旋鈕，儀表指針擺動(dòng)，對(duì)照儀表參數(shù)表，觀察儀表指針擺動(dòng)是否與其一致。

4.3 應(yīng)用效果

實(shí)踐證明，本項(xiàng)目研制的汽車儀表綜合測試儀不僅提高了生產(chǎn)效率，還提高了產(chǎn)品的可靠性，同時(shí)也大大減少了故障的維修時(shí)間。通過檢測方式的改進(jìn)，使生產(chǎn)效率提高了30%左右，保證了產(chǎn)品總體數(shù)量的有序上升。

5 結(jié)束語

該儀器電路結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性能可靠、體積小巧、便于攜帶、用途廣泛，既可檢測汽車儀表，又可作為多用途信號(hào)源。