东北石油大学数字显示仪表课程设计.docx
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东北石油大学数字显示仪表课程设计
东北石油大学
课程设计
课程数字显示仪表课程设计
题目数字式压力表设计
学院电气信息工程学院
专业班级自动化11-1班
学生姓名
学生学号
指导教师姜寅令邵克勇
2013年8月2日
东北石油大学课程设计任务书
课程数字显示仪表课程设计
题目数字式压力表设计
专业自动化姓名学号
主要内容：
在面包板上安装一台用单片A/D转换器7107或7106组成的通用表头。
配接压力传感器（应变片式、扩散硅式或其它类型压力传感器），制成数字压力显示仪表。
基本要求：
1、学习数字显示仪表原理。
2、设计、绘制电路连接图。
3、能够独立完成数字显示仪表表头的制作。
主要参考资料：
[1]沙占友.数字化测量技术与应用[M].北京：
机械工业出版社,2004.
[2]井口征士.传感工程[M].北京：
科学出版社.2005.
[3]杨邦文.应用电子小制作150例[M].北京：
人民邮电出版社.2005.
[4]常健生.检测与转换技术[M].吉林：
吉林工业大学出版社.2006.
[5] 路勇.高文焕.电子电路实验及仿真[M].北京:
清华大学出版社,2004.
[6] 王松武.于鑫.电子创新设计[J].北京:
国防工业出版社,2005.
完成期限2013.7.22—2013.8.2
指导教师
专业负责人
2013年8月2日
目录
第1章数显仪表工作原理1
1.1数字式显示仪表原理1
1.2数字式显示仪表结构1
1.3数字仪表的主要技术指标2
1.4线性化问题3
1.5信号的标准化及标度变换3
第2章数显仪表设计方案5
2.1ICL7107双积分A/D转换器5
2.2LED显示器8
2.3主要集成块9
第3章数显仪表的制作11
3.1数显部分的制作11
3.2电源部分的制作11
第4章结论与体会12
参考文献13
第1章数显仪表工作原理
数字式显示仪表原理
工业生产过程中常用的数字式仪表有数字式温度计、数字式压力计、数字流量计、数字电子秤等。
数字仪表的出现适应了科学技术及自动化生产过程中高速、高准确度测量的需要，它具有模拟仪表无法比拟的优点。
数字仪表的主要特点有：
准确度高、分辨力高、无主观读数误差、测量速度快、能以数码形式输出结果。
同时数字量来传输信息，可使得传输距离不受限制。
数显仪表按工作原理分为：
不带微处理器和带微处理器的。
其原理框图如图1-1所示。
1.2数字式显示仪表结构
不带微处理器的仪表，通常用运算放大器和中、大规模集成电路来实现；带微处理器的仪表，是借助软件的方式来实现原理框图中的有关功能。
不带微处理器的数显仪表一般应具备模数转换，非线性补偿及标度变换三大部分，这三部分又各有很多种类，三者间相互巧妙的组合，可以组成适应于各种不同要求场合的数字式显示仪表。
尽管数字仪表的品种繁多，原理各不相同，但其基本构成形式可由图1-2所示的主要环节组成。
模一数转换器是数字仪表的核心，以它为中心，将仪表分为模拟和数字两大部分。
图1-2数字显示仪表的基本构成
仪表的数字部分一般设有滤波、前置放大器和模拟开关等环节。
来自传感器或变送器的统一电量信号一般都比较微弱，并且包含着在传输过程中产生的各种干扰成分，因此在其转换成数字量前，首先要进行滤波与放大。
前置放大器就是用来提高仪表的灵敏度、输入阻抗及信号的信噪比。
仪表的数字部分一般由计数器、译码器、时钟脉冲发生器、驱动显示电路以及逻辑控制电路组成。
在数字仪表中，逻辑控制电路起着指挥整个仪表各部分协调工作的作用。
它是数字仪表中不可缺少的环节之一。
另外，高稳定的基准电源和工作电源也是数字仪表的重要组成部分。
被放大的模拟信号有模-数转换成相应的数字量后，经译码、驱动，送到显示器件中进行数字显示。
也可以送到报警系统和打印系统中去，进行报警和记录打印。
1.3数字仪表的主要技术指标
（一）显示位数
以十进制显示被测变量值的位数称为显示位数。
能够显示“0～9”的数字位称为“满位”；仅显示1或不显示的数字位，称为“半位”或“
位”。
工业用数字温度显示仪表的显示数常为3
位，可显示-1999～1999。
高精度的数字表显示位数目前达到8
位。
（二）仪表的量程
仪表标称范围的上、下限之差的模，称为仪表的量程。
量程有效范围上限值为满度值。
（三）精度
目前数字式显示仪表的精度表示法有三种：
满度的±a%±n字、读数的±a%±n字、读数的±a%±满度的b%。
（四）分辩力和分辨率
数字仪表的分辩力是指末位数字改变一个字所对应的被测变量的最小变化值，它表示了仪表能够检测到的被测量最小变化的能力。
数字式显示仪表在不同量程下的分辩力是不同的，通常在最低量程上具有最高的分辩力，并以此作为该仪表的分辩力指示。
分辩率指仪表显示的最小值与最大数值之比。
（五）输入阻抗
数字式显示仪表是一种高输入阻抗的仪表，输入阻抗可达1012Ω。
（六）抗干扰能力
数字式显示仪表一般用串模干扰抑制比和共模干扰抑制比来表征抗干扰能力大小。
串模干扰抑制比（SMR）为：
SMR=20lg
共模干扰抑制比（CMR）为：
CMR=20lg
SMR和CMR的单位是分贝，数值越大，表示数字仪表的抗干扰能力越强，一般直流电压型数显仪表的串模干扰抑制比为20～60dB，共模干扰抑制比为120～160dB.
1.4线性化问题
常规数字仪表进行非线性补偿，主要有两方面的工作：
（1）根据已知的传感器非线特性求得所需要的线性化器的非线性特性。
非线性特性的求取可用数字解析表达式，也可用图解法求得。
（2）根据所求得线性化器的非线性特性，采用非线性补偿电路来实现非线性补偿，而对非线性曲线的处理一般都采用折线逼近法。
1.5信号的标准化及标度变换
由检测元件或传感器送来的信号的标准化或标度变换是数字信号处理的一项重要任务，也是数字显示仪表设计中必须解决的基本问题。
一般情况下，由于被测量量和显示的过程参数多种多样，因而仪表输入信号的类型、性质千差万别。
即使是同一种参数或物理量，由于检测元件和装置的不同，输入信号的性质、电平的高低等也不相同。
将不同性质的信号，或者不同电平的信号统一起来，这就叫输入信号的规格化，或则称为参数信号的标准化。
对于过程参数测量用的数字显示仪表的输出，往往要求用被测变量的形式显示，图1-3为一般数字仪表组成的原理框图。
其刻度方程可以表示为：
（1）
数字输出
模拟输入
xy
图1-3数字仪表的标度变换
式中s数字显示仪表的总灵敏度或称标度变换系数；
、
、
分别为模拟部分、模-数转换部分、数字部分的灵敏度或标度变换系数。
第2章数显仪表设计方案
2.1ICL7107双积分A/D转换器
ICL7107CPL是三位半双积分A/D转换器大规模集成电路，其输出极为异或门结构。
它的作用是把输入电压信号变为数字输出，并驱动显示器。
其内部结构包含模拟和数字两大部分。
模拟部分包括积分器、模拟开关、过零比较器等电路。
数字部分包括时钟脉冲发生器、计数器、分频器、译码器、控制器、相位驱动器等电路。
ICL7107还有以下特点：
内部有自动稳零电路，保证零电压输入时，读数为零；
内部有极性判别电路，即使输入电压极小也能正确区别极性，并显示出来；
内部有时钟电路，可以外接RC器件，产生自激振荡，也可以由外部时钟输5入；
内含供A/D转换必需的基准稳压源，可不用外接基准电源；
输出为三位七段译码信号，可直接驱动LED；
与其他CMOS集成电路相同，这些电路具有输入电阻高的特点。
ICL7107采用标准的双列直插40引线封装，引线排列如图2-1所示。
各引线功能如下：
A1~G1：
个位段驱动信号
A2~G2：
十位段驱动信号
A3~G3：
百位段驱动信号
AB4：
千位段驱动信号
G4：
负号指示信号
GND：
数字地
OSC1~OSC2：
时钟发生器接头端
REF-及REF+：
基准电压的接头端
CREF：
基准电容的接头端
INT+及INT-：
模拟信号输入端
A/Z：
积分发大器反向输入端，接自校零位电容
BUF：
缓冲器输出端，接积分电阻
INT：
积分器输出端，接积分电容
TEST：
试灯端，接高电压位时，显示“-1999”
V+：
正电源（5～6V）接头端
V-：
负电源（-5～-9V）接头端
（一）ICL7107D的双积分A/D转换
ICL7107D模拟部分每个转换周期分为自校零位、信号积分（采样）、反相积分（比较）三个阶段。
自校零（A/Z）阶段模拟电路部分的模拟开关A/Z接通，其余开关全部断开，电路进入自交零状态。
这时模拟输出端
与公共模拟端COM短路AZ、比较器输出端、输入端接通负反馈回路。
电路中的总飘逸电压对自校零电容充电，以记忆并抵消漂移电压对转换的影响。
与此同时基准电容
被基准电压充电至
。
信号积分（INT）阶段模拟开关INT接通，其余开关均断开—负反馈回路断开、输入端短路解除并对模拟输入信号进行采样积分。
输入信号
经过缓冲器送至积分器，大大提高了转换器的输入阻抗。
本阶段的积分时间
=1000
，既1000个时钟脉冲计数时间。
比较器输出电位送到控制逻辑电路，以决定反相积分阶段进入基准电压的极性。
反相积分（DE）阶段模拟开关
或
接通，与输入电压
反极性的基准电压
接入积分器，同时计数器从零开始计数，反相积分阶段开始。
当积分器输出电压为零时，计数器停止计数，锁存器存储并计算器的结果，经译码由发光二极管显示器显示输入电压
的数值，一次转换结束。
反相积分阶段一结束，电路既自动转入自校状态开始了下一个转换周期。
受ICL7107本身特性所决定，基本量程为200MV和2V，每个测量周期为40000
是计数脉冲的周期。
其中，信号积分时间
=1000
，固定不变，为一个转换周期。
根据双积分转换原理求得结果为:
（2）
双积分式A/D转换器地优点是：
对积元件的质量要求不高，时钟振荡器可以使用普通的阻容元件代替石英晶体，抗干扰能力强。
它作为一种低速、高精度A/D转换器，在数字仪表中广泛应用。
（二）ICL7107的逻辑电路
由于ICL7107驱动LED显示器，因此它的数字电路部分较ICL7106略有差异，因为驱动LCD不仅要有锁存器，还要有驱动LCD的公共电极所需要的对称方波电源（驱动LED无需这一点源），但驱动LCD几乎不需要电流，而驱动LED每断需5~8V电流（吸入），因此两者输出部分略有不同。
图2-2是ICL7107的逻辑图。
这些都是标准结构。
图2-2ICL7107的逻辑图
逻辑电路包括八大单元：
时钟脉冲发生器；分频器；计数器；锁存器；译码器；大电流反响驱动器；逻辑控制器；LCD显示器。
时钟脉冲发生器由两个反相器f1f2部元件R﹑C组成。
若取R=120KΩ，C=100PF，则f0=0Hz，数脉冲fep=100Hz,fcp=0.1ms,T=4000Tcp.=0.4s,测量速度为2.5次/秒。
显示器采用七断显示方式，其中个位、十位和百位十字部分分成a、b、c、d、e、f、g、七断，再加上千位K和符号位P，不同断发光，可以显示出不同的数字。
对7107：
来说，因为发光二极管需要极大驱动电流，故驱动电流吸入电流增大至8mA，对千位数字，K断有两个显示断，所以7107的第19脚吸收电流可达16mA。
（三）时钟脉冲发生器
由于双积分式的转换精度与时钟无关，所以7106不必采用晶体振荡器，只要采用阻容多谐振荡器即可。
振荡器是由芯片内的两个与非门外接R0C0组成的多谐震荡器。
震荡频率为
（3）
为提高抗干扰能力，选R0C0使f0与电网频率成整倍数关系，一般f0=40Hz时钟发生器输出40Hz信号经四分频为10Hz分三路输出：
一路去电子计数器，作为计数脉冲，即为液晶显示器背电极驱动。
当然时钟脉冲产生方式也可采用外部时钟或石英振荡器。
若采用外部时钟，只要在芯片（40）脚加峰值5V信号即可，经芯片两极反相器放大整形变为时钟；若用晶振作时钟，只要将晶体接在（39）（40）脚即可。
（四）电子计数器
包括计数、锁存、译码、七段输出、驱动。
计数器采用“8421”编码，有个、十、百三个二-十进制计数器，级联使用，每位计数器有四个触发器。
另有千位计数器是“半位”，只能显示数字1，所以用一个触发器即可。
锁存器亦采用触发器组成，受逻辑电路所存指令控制，所存指令到来，只接受代码而不输出。
解锁指令到来才将代码送译码器。
译码器完全是由门电路达成的组合逻辑电路，将BCD译码成七段码笔划。
译码输出的笔划信号和背电极的相位共同决定，异或门的输入端是段位信号和50Hz方波相异或。
（五）时序逻辑控制电路
时序逻辑控制电路接受比较器的过零脉冲和计数器的溢出脉冲，经处理后输出四个指令：
一是各模拟开关的控制信号，是模拟开关按规定时需切换；二是闸门信号，控制技术脉冲的个数；三是判断被测电压的极性，输出“+”、“-”号控制；四是超量程控制，超量称时，千位显示“1”，其余数码消隐。
2.2LED显示器
数码显示是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，广泛应用与多种数字设备中。
目前，数码显示器正朝着小型、多位、多彩、平面化的方向发展。
（一）发光二极管
在各种显示器中，LCD的功耗最低，LED的发光响应时间最短，寿命最长。
因此，目前的数字仪表大多采用LED或LCD显示器，它们都能由集成电路直接驱动。
发光二极管是采用半导体材料制成的，能将电信号转化成光信号的结型电压发光器件。
它的特点是：
①低电压（1.5~2.2V）,小电流（5~30mA）的条件下工作，即可获得足够高的亮度。
②发光响应速度快，高频特性好，能显示脉冲信息，单色性好，寿命长。
③由于LED工作PN结正向导通状态，性能稳定，只要加以必要的先留措施，就可以长期使用。
使寿命在10万小时以上，甚至可以达到100万小时。
④小型、防震、抗冲击性能好。
⑤使用灵活、可根据需要制成各种数码管、符号管、电平显示器、矩阵板、固体发光板等
（二）LED显示器
将条状发光二极管按照共阳极（正极）或共阴极（负极）的方式连接，并组成“8”字型发光二极管，另一级做笔画电极，就构成了LED数码显示器。
如图2-3（a）所示。
只要按规定使某些笔画的发光二极管，就能组成0～9的一系列数字。
它具有重量轻、体积小、耐震动、寿命长、亮度高、单色性好、发光响应速度快、能在低电平条件下与数字集成电路匹配等优点可作为数字仪表，数控装置，计算机等的数字显示器件。
LED显示器一般采用七段，既把七只LED共阳极（或共阴极）连接，每段具有单只LED的特性及驱动显示方法。
如图2-3（b）所示。
2.3主要集成块
MC1403是高精度低温度漂移的基准电路，作为8-12位（二进制）数模转换的基准电压源而设计，为避免温度漂移所造成的7107的误差，通常采用具有温度补偿的外接基准稳压源，在这里采用MC1403作为基准稳压源供电，
（a）管脚排列（b）BS342型（共阳极）
图2-3BS342管脚排列及内部结构
可以获得精密的电压基准。
如图2-4所示。
输出电压误差：
2.5V±1%
输出电压温度系数：
10ppm/（typ）
输出电流：
10mA
输出电压范围：
4.5-40V
封装：
8脚DIL陶封（代码U）；8脚DIL塑封（代码DSM）
图2-4MC1403的管脚排列
第3章数显仪表的制作
数字显示电路部分的安装要在面包板上进行，压力传感器、电源部分不在面包板上。
由于数显部分需要±6V的电源，因此，电源要在另外的印刷电路安装，以给数显部分供电。
3.1数显部分的制作
根据绘制的接线图，首先在面包板上把7107和四个数码管的位置确定好，为了便于显示，一般要把四个数码管放在上方。
然后以接线方便为原则，确定7107的位置。
同时要考虑“+电源”、“地”线的接法。
其它芯片、电阻、电容电位器等围绕7107就近安排位置。
3.2电源部分的制作
图3-1电源部分
由于数显部分要使用±6V的电源，这里采用两个三端集成稳压器。
其中7806为固定标准正电压稳压器：
7906为固定标准负电压稳压器。
电源电路的器件包括电源变压器、整流桥、集成稳压器及电容。
整个电路安装在一块印刷线路板上，安装时要使用电烙铁。
为了使用该电源的安全性、可靠性。
因此，在设计时要考虑线路布置合理，强电与弱电之间要留有相当的距离。
同时注意220V电源线的引入方向、安全，防止短路，输出±6V电源要有“接线端子”。
电源的安装首先要根据电原理图绘制印刷电路板的接线图，绘制的接线图需经检查无误后，才可以进行实际焊接，焊接过程中要掌握电烙铁的使用，使焊点大小均匀、光亮、无虑焊。
图3-1数显压力表原理图
第4章结论与体会
这次的课程设计也让我看到团队的力量，必须发扬团结协作的精神，相互配合，相互学习，才能共同将电路板及接线方法做到最好。
在团体实验中，个体的力量固然重要，但更重要的还是集思广益，群力群策才是试验成功的关键。
在设计过程中碰到了很多难点，例如在安装数字式压力数显表头时，如果稍有马虎就会出现接线错误，所以要细心谨慎，电桥不平衡会使显示不正确。
通过解决这些难点，提高了我分析问题，解决问题的能力，以及动手能力，同时使我数字显示仪表的原理、器件的识别、以及绘图能力又了进一步提高，为以后有关课程的学习打下感性认识的基础。
通过本次课程设计，初步了解了从电原理图到实际接线所注意的要点，掌握了数显仪表原理图、接线图的绘制方法，还有原器件的识别，插接导线的布置。
培养了实际动手能力和解决实际问题的能力。
这次课程设计既是对我理论知识的巩固，又是对实践认识的培养，我收获了很多。
参考文献
[1]沙占友.数字化测量技术与应用[M].北京：
机械工业出版社,2004.
[2]井口征士.传感工程[M].北京：
科学出版社.2005.
[3]杨邦文.应用电子小制作150例[M].北京：
人民邮电出版社.2005.
[4]常健生.检测与转换技术[M].吉林：
吉林工业大学出版社.2006.
[5] 路勇.高文焕.电子电路实验及仿真[M].北京:
清华大学出版社,2004.
[6] 王松武.于鑫.电子创新设计[J].北京:
国防工业出版社,2005.
东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
数字显示仪表课程设计
题目名称
数字式压力表设计
学生姓名
学号
指导教师姓名
姜寅令
邵克勇
职称
讲师
教授
序号
评价项目
指标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30
总分
评语：
指导教师：
年月日
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