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

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

1.1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。

测量

电路

由平

非线性校正

―►

七1

放大

―►

及A/D转换

►

译码、驱动、显示

传感器

控制逻辑

设定

4

比较

4

控制

■信号输出

机构

环节

■

模式

图1-1数字显示仪表原理图

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

1

位”；仅显示1或不显示的数字位，称为“半位”或“2位”。

工业用数字温度显示仪表的显示数常为32位，可显示-1999〜1999。

高精度的数字表显示位数目前达到82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：

满度的土a%±n字、读数的土a%±n字、读数的土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

2

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1012Q。

（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。

en

串模干扰抑制比（SMR为：

SMR=20lgr

竺

共模干扰抑制比（CMR为：

CMR=20lgC

SMR和CMF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：

ySS2S5X二sx

S2、S3分别为模拟部分、模

其输出极为异或门结构。

它

式中S数字显示仪表的总灵敏度或称标度变换系数；S1、

-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,的作用是把输入电压信号变为数字输出，并驱动显示器。

4

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CMO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，弓I线排列如图2-1所示。

各引线功能如下：

A~G:

个位段驱动信号

A~G:

十位段驱动信号

A~G:

百位段驱动信号

AB

:

千位段驱动信号

G

:

负号指示信号

GND

:

数字地

OSGOSC

:

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，接咼电压位时，显示-1999

V+

:

正电源（5〜6V）接头端

V

:

负电源（-5〜-9V）接头端

V1

1

OSC

40

—-1

D

1

2

39

—OSG

C

3

38

—OSG

B

1

4

37

—TEST

（100）〈

A1—

5

36

—REF

F

G

1

6

35

34

—REF

Gref

7

E

11

8

5

33

'Gref

D

（2—

9

32

—GOIM

C

1

2■-

10

7107

31

-IN+

（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INT及INT-与公共模拟端COME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CREF被基准电压充电至Vref。

信号积分（INT）阶段模拟开关INT接通，其余开关均断开一负反馈回路断开、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V1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「=1000Tcp，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DE■或DE_接通，与输入电压Vi反极性的基准电压

Vref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Vi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。

6

受ICL7107本身特性所决定，基本量程为200MV和2V，每个测量周期为40000Tcp,TCP

是计数脉冲的周期。

其中，信号积分时间T|=1000Tcp，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

图2-2ICL7107的逻辑图

逻辑电路包括八大单元：

时钟脉