数字显示仪表课程设计报告.docx

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数字显示仪表课程设计报告

课程设计

课程数字显示仪表课程设计

题目数字压力显示仪表的制作

院系电气信息工程学院

专业班级

学生姓名

学生学号

指导教师

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

题目数字压力显示仪表的制作

专业学号

主要容：

在面包板上安装一台单片A/D转换器7107或7106组成的0-2V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）根据实验室所提供的元件、材料，设计并描绘电路接线图。

最后在面包板上接插显示仪表的电路。

（2）由于元件、材料要反复使用，在接插过程中要小心，不要故意破坏元件。

（3）在整个课程设计中，要学会实验室基本仪器、工具有使用方法。

（4）各小组配备的万用表、工具精心使用，如有故意损坏、丢失、要按价赔偿。

参考资料：

[1]天春,慧敏.数字显示仪表课程设计指导书.石油学院自编教材,2008.

[2] 正军.计算机控制系统[M].:

机械工业,2006.

[3]沙占有.数字化测量技术与应用[M].机械工业,2004.

[4]井口征士.传感工程[M].科学，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

第1章数字显示仪表工作原理

1.1数字显示仪表的基本构成

用数字显示被测值的仪表。

把测量转化为数字量并以数字形式显示出来的仪表。

工业测量中被测量变或位移、电流、电压、空气压等模拟量，经模数转换器，把模似量换成数字量（简称模数转换）。

 数字仪表以数字的形式显示被测量，读数直观。

一般包括:

用标度盘和指针指示电量,用电磁力为基础的电括测量线路,模数转换和数字显示三部份。

模-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俩部分。

仪表的模拟部分一般设有滤波、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，因此在将其转换成数字量之前，首先要进行滤波和放大。

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。

被放大的模拟信号有模-数转化器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。

也可送到报警系统和打印系统中去，进行报警和记录打印 。

在需要的时候，亦可将测量结果以数码形式输出，供计算机数据处理之用。

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。

随着集成电路技术和微型计算机应用技术的迅速发展和不断成熟，以微处理器等集成电路芯片代替了常规数字仪表中的逻辑控制电路，仪表的测量过程可以由软件进行程序控制。

微处理器在数字仪表中的应用强有力地推动了数字仪表测量的自动化和多功能化；实现了测量结果的数据变换和误差校正，从而提高了仪表的测量准确程度。

另外，高稳定的基准电源和工作电源也会是数字仪表的重要组成部分。

 数字仪表的出席那和发展是与计算机技术、电子技术等现代技术的发展紧密相关的，它的优越性能和广泛的应用使传统的模拟仪表受到严重挑战。

一般来说，实验室用高档仪表类数字表明显由于模拟仪表，对于工业现场，应用数字仪表的问题目前还有争议。

在功能、精度要求不高，而更注重可靠性和实用的工业过程监测系统中，模拟仪表呈现先出特有的优势。

仪表的模拟部分一般设有滤波、前置放大器和模拟开关等环节。

仪表的数字部分一般由计数器、译码器、时钟脉冲发生器、驱动显示电路及逻辑控制电路组

成，同时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。

1.2数字显示仪表的特点

1）数字显示，读数不存在视觉误差。

2）精确度一般较高，数字电工仪表由于没有机电类仪表的可动部分，所以机械摩檫，变形的影响极小，只要元器件的质量、性能上没问题，数字仪表是比较容易制成很高精准度的仪表，比如科立恒电子的生产的KM显示表精度都已经达到了0.01%，，代理的CSS系列产品已经达到了十万分之一的精确度，而目前一般机电类仪表精准度达0.1%已很不容易，而数字仪表可轻易达到0.05%，目前有些数字仪表以达到0.01%的精确度。

3）灵敏度高。

由于有些数字仪表多设有各种放大线路或器件，所以可测量较小的信号，如1µv左右的电压信号，1mA左右的电流信号号、0.01Hz的频率信号  

4）输入阻抗高。

数字仪表一般本身有工作电源，除测量电流外，一般阻抗都可以制得较高，使在测量时对被测物理量影响很小。

5）使用方便。

特别是实验室用便携式、台式仪表，可制成多量程（目前有-1999~9999 显示量程的KM表系），多功能仪表（可测量电流电压频率功率线速转速）。

6）性价比高  

7）抗干扰性能教差，由于数字仪表灵敏度高，其副作用就是抗干扰性能差，外磁场和电场等变化容易引起读书变化，为了解决这一现象；科立恒公司，在技术方面投入巨资，应用先进的表面贴装工艺和电磁隔离技术，弧型设计面板确保仪表的长期稳定。

8）数字仪表的精确度，表示方法不同于指针式仪表，数字仪表一般多以上量限或读数值为基准值的百分数再加上几个数字来表示该表的精确度，比如KM系列数显仪表，系统精度0.1%（直流），0.2%（交流）满刻度1字。

一般多功能，多量程的数字多用表的各功能、量程档位不同时，精确度也不一样。

1.3信号的标准化及标度变换

由于被测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，输入信号的性质和电平高低等也不同。

必须将这些不同性质的信号，或者不同电平的信号统一起来，这就叫做输入信号的规格化，或者称为参数信号的标准化。

但由于各种信号变换为电压信号比较方便，且数字显示仪表都要求输入电压

信号，因此都将各种信号变换为电压信号。

采用较高的统一信号电平能适应更多的变送器，可以提高测量精度。

采用较低的统一信号电平，则对小信号的测量精度高。

固统一信号电平高低的选择应根据被显示参数信号的大小来确定。

1.3信号的标准化及标度变换

由于被测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，输入信号的性质和电平高低等也不同。

必须将这些不同性质的信号，或者不同电平的信号统一起来，这就叫做输入信号的规格化，或者称为参数信号的标准化。

当然这种规格化的统一输出信号可以是电压、电流或其它形式的信号。

但由于各种信号变换为电压信号比较方便，且数字显示仪表都要求输入电压信号，因此都将各种信号变换为电压信号。

目前用统一直流信号电平有以下几种：

0~10mA，0~30mV，0~40.95mV，0~50mV等。

采用较高的统一信号电平能适应更多的变送器，可以提高对大信号的测量精度。

而采用较低的统一信号电平，则对小信号的测量精度高。

所以统一信号电平高低的选择应根据被显示参数信号的大小来确定。

第二章数显仪表设计方案

数显压力仪表的原理图见图2-1，它是配接硅压阻式压力传感器，利用0~2000mV发光二极管显示标准表头，制成数字式压力显示仪表。

它的主要部件如图2-1。

图2-1数显仪表原理图

2.1ICL7107双积分A/D转换器

（1） 双积分型A/D转换器ICL7107的基本特点：

ICL7107具有以下特点：

一，部有自动稳零电路，保证零电压输入时，读数为零。

二，部有极性判别电路，即使输入电压很小也能正确区别极性，并显示出来；三，部有时钟电路，可外接RC器件，产生自激振荡，也可由外部时钟输入；四，含供A／D转换必须的基准稳压电源，可不用外接基准电源；五，输出为3位七段译码信号，可直接驱动LED；六，与其他CMOS集成电路相同，这些电路具有输入电阻高等特点。

ICL7107采用标准的双列直插40引线封装，引线排列如图2-2所示。

各引线功能如下：

A1~G1-各位段驱动信号； A2~G2-十位段驱信号； A3~G3-百位段驱动信号； AB4-千位（b、c）段驱动信号； P0∕M-负号指示信号，接千位g段；GND-数字地； OSC1~OSC3-时钟发生器接头端；REF+~REF_-基准电压的接头端； CREF-基准电容的接头端； INT+~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，接高电位V+时，显示“-1999”； V+-正电源（5~6V）接头端； V—负电源（-5~-9V）接头端。

 ICL7107D的双积分A／D转换。

（2） ICL7107引脚功能 

V＋和V-分别为电源的正极和负极，au-gu,aT-gT,aH-gH：

分别为个位、位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。

Bck：

千位笔画驱动信号。

接千位LEO显示器的相应的笔画电极。

 PM：

液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。

Oscl-OSc3 ：

时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。

第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：

 Fosl = 0.45/RC。

COM ：

模拟信号公共端，简称“模拟地”，使 用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。

TEST ：

测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。

 VREF＋ VREF- ：

基准电压正负端。

CREF：

外接基准电容端。

INT：

27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件 

IN＋和IN- ：

模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。

AZ：

积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz 。

如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。

BUF：

缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。

其输出级的无功电流（ idling current ）是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。

2.2ICL7107的逻辑电路

用ICL7107驱动LED显示器，不需要所储存器，还需要有LCD的公共点击所需的对称方波电源，所以就此给出ICL7107的逻辑图如图2-1。

图2-2ICL7107的数字部分逻辑图

2.3LED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极做笔画电极，就构成了LED数码显示器。

只要按规定使某些笔画的发光二极管发光就能组成0-9的一系列数字，可作为数字仪表。

LED显示器的型号很多，发光颜色也不同，以BS342型和BS431型。

如图2-5，说明其工作原理。

二者外型相同，BS342为共阳极，BS341为共阴极。

脚3与脚8在部已经连通，作为公极。

使用时，BS342的公共极应接电源正极，BS341的公共极应接电源的负极，如果极性接反了，不仅不能发光，还容易损坏LED。

2.4主要集成块、三极管

2.4.1MC1403

MC1403是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源，国产型号为5G1403和CH1403。

它采用DIP－8封装，引脚排列如图7-1-2所示。

UI＝＋4.5V～＋15V，UO＝2.500V（典型值），αT可达10×10－6/℃。

为了配8P插座，还专门设置了5个空脚。

其输出电压UO＝Ug0（R3＋R4）/R4＝1.205×2.08＝＋2.5V。

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