数字式温度表课程设计报告.docx
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数字式温度表课程设计报告
目录
第1章数字显示仪表的工作原理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章数字显示仪表的制作4
2.1ICL7107双积分A/D转换器4
2.2LED显示器8
2.3主要集成块9
第3章数字显示仪表的安装10
3.1数显部分的安装10
3.2电源部分的安装10
第1章数字显示仪表的工作原理
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。
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。
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。
数字仪表的主要技术指标
1.3.1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。
1.3.2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。
1.3.3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%。
1.3.4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。
1.3.5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。
1.3.6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。
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。
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。
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章数字显示仪表的制作
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：
：
个位段驱动信号
：
十位段驱动信号
：
百位段驱动信号
：
千位段驱动信号
：
负号指示信号
：
数字地
：
时钟发生器接头端
：
基准电压的接头端
：
基准电容的接头端
：
模拟信号输入端
：
积分发大器反向输入端，接自校零位电容
：
缓冲器输出端，接积分电阻
：
积分器输出端，接积分电容
：
试灯端，接高电压位时，显示“-1999”
：
正电源（5～6V）接头端
：
负电源（-5～-9V）接头端
2.1.1ICL7107D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:
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。
2.1.2ICL7107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。
2.1.3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
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。
2.1.4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。
2.1.5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。
2.2.1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
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