东北石油大学数字显示仪表课程设计.docx

1、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

2、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 11.1数字式显示仪表原理 11.2数字式显示仪表结构 11.3数字仪表的主要技术指标 21

3、.4线性化问题 31.5信号的标准化及标度变换 3第 2 章 数显仪表设计方案 52.1ICL7107双积分A/D转换器 52.2LED显示器 82.3主要集成块 9第3章 数显仪表的制作 113.1数显部分的制作 113.2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

4、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

5、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

6、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“ 09 ”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-19991999。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

7、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

8、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=20lgCSMR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 2060dB,共模干扰抑制比为120160dB.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

9、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：y SS2S5X 二 sxS2、S3分别为模拟部分、模其输

10、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2.1 ICL7107 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

11、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：AG :个位段驱动信号AG :十位段驱动信号AG :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，

12、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 -1999V+:正电源（56V）接头端V:负电源（-5-9V）接头端V11OSC40- 1D1239OSGC338OSGB1 437TEST(10 0)A 1536REFFG1 63534REFGref7E1 18533 GrefD(2 932GOIMC12 -10710731- 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

13、，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

14、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2-2 ICL7107 的逻辑图逻辑电路包括八大单元：时钟脉