最新整理7107数字压力计.docx

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最新整理7107数字压力计

（完整）7107,数字压力计

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摘要

在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。

随着计量技术和电子技术的发展传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐.电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。

大多数电子秤是以1：

3,000或1：

10，000的分辨率输出最终的称重值，使用12bit~14bit的模数转换器很容易满足要求。

设计中主要考虑峰峰值（PP）噪声分辨率、ADC的动态范围、增益漂移和滤波。

通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求,电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化;其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称，重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。

1设计思路

传感器技术发展迅猛，电子产品更新速度日新月异，要完成本设计，只需通过秤重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片CC7107进行A/D转换，由于此芯片可直接用于数字显示,故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示。

此设计的优点是外部电路非常简单，而且还能同能实现较高的精度，计量准确、携带方便,能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。

总体思路框图如下：

图1—1系统设计思路框图

2系统方案设计

2。

1传感器的选择

在本设计中，传感器是个十分重要的元件，因此对传感器的选择也显得十分重要。

不仅要注意其量程和参数，还要考虑与其相配置的各种电路的设计的难易程度和设计性价比等等。

2。

1。

1称重传感器的主要性能指标

（1）传感器的输出灵敏度

传感器在额定载荷作用下，供桥电压为1V时的输出电压，单位为（mV/V）。

在任一载荷下，传感器的输出电压=所加载荷＊供桥电压＊输出灵敏度/额定载荷。

（2）非线性

传感器承受载荷与其相应输出电压之间并非成完全的线性关系，由此而造成的误差称为传感器的非线性误差。

（3）不重复性

在同一环境条件下，对传感器反复施加某载荷时，其每次输出的电压值不尽相同,这种现象称为传感器的不重复性。

（4）零点不平衡输出

在传感器不受任何载荷条件下，传感器输入端以额定的供桥电压时的输出电压,称为零点不平衡输出。

2。

1。

2称重传感器的选择主要从以下几个方面考虑

（1）要考虑传感器所处的实际工作环境情况

传感器所处的工作环境情况对如何选用传感器是至关重要的，它关系到传感器能否正常的工作，关系到传感器的安全和使用寿命,乃至关系到整个电子秤的可靠性和安全性.

（2）对传感器数量和量程的选择

传感器数量的选择是根据电子秤的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定）而定。

一般来说,秤体有几个支撑点就选用几只传感器,但是对于一些特殊的秤体,如电子吊秤，就只能采用一个传感器,一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。

（3）传感器准确度等级的选择

传感器的准确度等级概括了传感器的非线性、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。

称重传感器已按准确度等级划分，且已考虑了0.7倍误差因子，非自动衡器称重传感器的准确度等级要选择与电子秤相对应的准确度等级。

称重传感器按综合性能分为A、B、C、D四个准确度等级，分别对应于衡器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个准确度等级.综合考虑,本设计采用hl-8电阻应变式传感器,其技术参数图2。

1。

称重传感器由组合式S型悬梁结构及金属箔式应变计构成，具有过载保护装置.由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响,抑制干扰，补偿方便等优点，所以该传感器测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点,广泛用于各种结构的动、静态测量。

图2-1hl—8电阻应变式传感器技术参数

2.2A/D转换电路的分析

由于本设计要求用7107来实现AD转换，所以先来了解一下双积分模数转换器ICL7107。

（1）双积分模数转换器（ICL7107）的基本工作原理

当输入电压为Vx时，在一定时间T1内对电量为零的电容器C进行恒流（电流大小与待测电压Vx成正比）充电，这样电容器两极之间的电量将随时间线性增加，当充电时间T1到后，电容器上积累的电量Q与被测电压Vx成正比；然后让电容器恒流放电（电流大小与参考电压Vref成正比），这样电容器两极之间的电量将线性减小,直到T2时刻减小为零。

所以，可以得出T2也与Vx成正比.如果用计数器在T2开始时刻对时钟脉冲进行计数，结束时刻停止计数，得到计数值N2，则N2与Vx成正比.

双积分AD的工作原理就是基于上述电容器充放电过程中计数器读数N2与输入电压Vx成正比构成的.现在我们以实验中所用到的3位半模数转换器ICL7107为例来讲述它的整个工作过程。

ICL7107双积分式A/D转换器的基本组成如图2—2所示，它由积分器、过零比较器、逻辑控制电路、闸门电路、计数器、时钟脉冲源、锁存器、译码器及显示等电路所组成.下面主要讲一下它的转换电路，大致分为三个阶段：

第一阶段,首先电压输入脚与输入电压断开而与地端相连放掉电容器C上积累的电量，然后参考电容Cref充电到参考电压值Vref，同时反馈环给自动调零电容CAZ以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的偏置电压。

这个阶段称为自动校零阶段。

第二阶段为信号积分阶段（采样阶段），在此阶段Vs接到Vx上使之与积分器相连，这样电容器C将被以恒定电流Vx/R充电，与此同时计数器开始计数,当计到某一特定值N1（对于三位半模数转换器，N1=1000）时逻辑控制电路

使充电过程结束，这样采样时间T1是一定的，假设时钟脉冲为TCP，则T1=N1*TCP。

在此阶段积分器输出电压Vo=—Qo/C（因为Vo与Vx极性相反），Qo为T1时间内恒流（Vx/R）给电容器C充电得到的电量，所以存在下式：

Qo=

=

（1）

Vo=—

=—

（2）

图2—2ICL7107双积分式A/D转换器的基本组成

图2—3

第三阶段为反积分阶段（测量阶段），在此阶段，逻辑控制电路把已经充电至

的参考电容

按与

极性相反的方式经缓冲器接到积分电路,这样电容器C将以恒定电流

放电，与此同时计数器开始计数，电容器C上的电量线性减小，当经过时间T2后，电容器电压减小到0，由零值比较器输出闸门控制信号再停止计数器计数并显示出计数结果。

此阶段存在如下关系：

Vo+

=0（3）

把

（2）式代入上式，得:

T2=

Vx（4）

从（4）式可以看出，由于T1和Vref均为常数，所以T2与Vx成正比，从图2—3可以看出.若时钟最小脉冲单元为

则

，代入（4），即有:

N2=Vx（5）

可以得出测量的计数值N2与被测电压Vx成正比。

对于ICL7107，信号积分阶段时间固定为1000个

，即N1的值为1000不变。

而N2的计数随Vx的不同范围为0～1999，同时自动校零的计数范围为2999～1000，也就是测量周期总保持4000个

不变.即满量程时N2max=2000=2*N1，所以Vxmax=2Vref，这样若取参考电压为100mV，则最大输入电压为200mV；若参考电压为1V，则最大输入电压为2V。

下面阐述它的引脚功能和外围元件参数的选择。

ICL7107双积分模数转换器引脚功能、外围元件参数的选择

ICL7107芯片的引脚图如图2—4所示，

它与外围器件的连接图如图2—5所示。

芯片的

第32脚为模拟公共端，称为COM端;第34脚

Vr+和35脚Vr-为参考电压正负输入端；第31

脚IN+和30脚IN-为测量电压正负输入端；Cint

和Rint分别为积分电容和积分电阻，Caz为自动

调零电容，它们与芯片的27、28和29相连，电

阻R1和C1与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振

荡源，从40脚可以用示波器测量出该振荡波形,

该脚对应实验仪上示波器接口CLK，时钟频率的快

慢决定了芯片的转换时间以及测量的精度。

下面我

们来分析一下这些参数的具体作用：

图2—4ICL7107芯片引脚图

Rint为积分电阻,它是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大器的输出电流来定义的，对于ICL7107，充电电流的常规值为Iint=4uA，则Rint=满量程/4uA。

所以在满量程为200mV，即参考电压Vref=0.1V时，Rint=50K，实际选择47K电阻；在满量程为2V，即参考电压Vref=1V时，Rint=500K，实际选择470K电阻。

Cint=T1*Iint/Vint，一般为了减小测量时工频50HZ干扰，T1时间通常选为0。

1S,具体下面再分析,这样又由于积分电压的最大值Vint=2V，所以：

Cint=0。

2uF，实际应用中选取0.22uF。

对于ICL7107，38脚输入的振荡频率为:

f0=1/（2。

2＊R1*C1），而模数转换的计数脉冲频率是f0的4倍，即Tcp=1/（4＊f0）,所以测量周期T=4000*Tcp=1000/f0，积分时间（采样时间）T1=1000＊Tcp=250/fo.所以fo的大小直接影响转换时间的快慢。

频率过快或过慢都会影响测量精度和线性度，同学们可以在实验过程中通过改变R1的值同时观察芯片第40脚的波形和数码管上显示的值来分析.一般情况下,为了提高在测量过程中抗50HZ工频干扰的能力,应使A/D转换的积分时间选择为50HZ工频周期的整数倍,即T1=n*20ms，考虑到线性度和测试效果，我们取T1=0。

1m（n=5），这样T=0.4S，f0=40kHZ，A/D转换速度为2.5次/秒。

由T1=0.1=250/f0，若取C1=100pF，则R1≈112.5KΩ。

实验中为了让同学们更好的理解时钟频率对A/D转换的影响，我们让R1可以调节,该调节电位器就是实验仪中的电位器RWC。

图2—5ICL7107与外围器件的连接

3系统电路的制作与调试

3。

1系统电路的制作

按照图2-5用AltiumDesignerWinter09绘制原理图如下：

图3—1系统电路的原理图

检查无误后添加各元器件封装，导出PCB图，对系统电路布线，制作出系统电路PCB图如下:

图3-2数字式压力计的PCB图

按照图3-2洗出电路板,把相应的元件焊接到板子上，得到数字式压力计的实物图如下：

图3-3数字式压力计的实物图

3.2系统电路的调试

首先检查有无虚焊，短路，元件引脚插反等基本问题.

在排除上述问题后，接通电源，把传感器与电路板连接好，给传感器一定的压力，观察电路板的现象如下：

图3—3数字式压力计的测试图

实验证明,压力计达到设计目的，设计完成.

4心得与体会

首先，在这里感谢学校给我们安排这次课程设计，使我有一个可以自己动手学习的机会。

在此之前,我还没有设计过什么像样的硬件电路,通过这次实践，使我初步掌握了AltiumDesigner的使用方法，锻炼了电路板制作的能力，包括洗板子，焊接，调试等。

另一方面,这次的课程设计让我熟悉了三位半LCD/LED显示AD转换器7107的组成和应用,掌握用7107实现实现AD转换的原理及其应用，对高频电路有了更深的理解。

其次，在这要感谢我们可敬可爱的王旭东老师，虽然老师工作繁忙，但还是会时常关注学生的课设进展，并给出很多宝贵的点拨,帮助我们解决了很多技术上难题。

可以说，没有老师的悉心指导，就不会有我今天的作品。

5参考资料

（1）张虹.电子测量技术。

北京航空航天大学出版社。

2009

（2）刘世安。

电子测量技术。

电子工业出版社.2010

（3）杨帆。

西安电子科技大学出版社。

2008