我的数字显示仪表课程设计.doc

目目 录录 第 1 章 数字显示仪表的工作原理 .1 1.1 数字式显示仪表的基本构成 .1 1.2 数字仪表的主要技术指标 .1 1.3 线性化问题.2 1.4 信号的标准化及标度变换.3 第 2 章 数字显示仪表的设计方案 .4 2.1 ICL7107 双积分 A/D 转换器.4 2.2 LED 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 4 章 结论与体会 11 参考文献 .12 数字显示仪表课程设计（报告） 1 第第 1 1 章章 数字显示仪表的工作原理数字显示仪表的工作原理 1.11.1 数字式显示仪表的基本构成数字式显示仪表的基本构成 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。 被测对象传感器模数转换计数译码 模拟开关时 钟 逻 辑 控 制 电 路 标度变换 基准源 线性化器 数字显示 打印记录 数码输出 报警系统 前置放大 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。 图 1-1 数字显示仪表的基本构成 数字显示仪表课程设计（报告） 2 1.21.2 数字仪表的主要技术指标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 2 1 表的显示数常为 3位，可显示-19991999。高精度的数字表显示位数目前达到 8位。 2 1 2 1 （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a%n 字、读数的a%n 字、 读数的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 1012。 （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。 串模干扰抑制比（SMR）为：SMR=20lg r en 共模干扰抑制比（CMR）为：CMR=20lg c c e e 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 2060dB，共模干扰抑制比为 120160dB. 1.31.3 线性化问题线性化问题 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， 数字显示仪表课程设计（报告） 3 而对非线性曲线的处理一般都采用折线逼近法。 1.41.4 信号的标准化及标度变换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： （1） sxxsssy 321 x y y 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 1 s 2 s 3 s -数转换部分、数字部分的灵敏度或标度变换系数。 S2S3S1 模拟部分模数转换数字部分 数字输出 模拟输入 图 1-2 数字仪表的标度变换 数字显示仪表课程设计（报告） 4 第第 2 2 章章 数字显示仪表的设计方案数字显示仪表的设计方案 2.12.1 ICLICL71077107 双积分双积分 A/DA/D 转换器转换器 ICL7107CPL 是 3 位半双积分 A/D 转换器大规模集成电路，它的作用是把输入电压信 号变成数字输出，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、过零比较器电路。 数字部分包括时钟脉冲发生器、计数器、分频器、控制器、相位驱动器等电路。 ICL7107 有以下特点： 1、内部有自动稳零电路，保证零电压输入时，读书为零； 2、内部有极性判别电路，即使输入电压和小也能正确区别极性并显示出来； 3、内部有时钟电路。可以外接 RC 器件产生自激振荡可以由外部时钟输入； 4、内含供 A/D 转换必需的基准稳压源，可不用外接基准电源； 5、输出为 3 位七段译码信号，可直接驱动 LED； 6、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 模拟部分每个转换周期分为自校零位、信号积分、反向积分三个阶段： 1、自校零位（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， 电路进入自校零状态。 2、信号积分（INT）阶段 模拟开关 INT 接通，其余开关均断开负反馈贿赂断开、 输入断短路解除并对模拟输入信号进行采样积分。 3、反向积分（DE）阶段 模拟开关 DE+或 DE-接通，与输入电压 V1 反极性的基准 电压 VREF 接入积分器，同时计数器从零开始记数，反向积分阶段开始。当积分器输出电 压为零时，计数器停止记数，锁存器存储计数器的记数结果，经译码由发光二极管显示 器显示输入电压 V1 的数值，依次转换结束。 反向积分阶段一结束，电路既自动转入自校状态开始下一个转换周期。 受 ICL7107 本身特性所决定，基本量程为 200MV 和 2V，每个测量周期为 4000, CP T 是计数脉冲的周期。其中，信号积分时间,固定不变，为一个转换周期。 CP T 1 T =1000 CP T 根据双积分转换原理求得结果为： 1 1 CPREF TV N T V 将，代入上 1 T =1000 CP T100.0 REF Vmv 式，得： 数字显示仪表课程设计（报告） 5 或 1 N=10V 1 V0.1N 既 N 是以为单位的测量值。0.1MV 满量程时，此时。三位半的最大显示数为 1999，满量程2000N 2200 MREF VVmv 时将显示过载符号“1” 。 双积分式 A/D 转换器地优点是：对积分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。 ICL7107 的逻辑电路: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、大电流反相驱动器、逻辑控制器、LCD 显示器。 时钟脉冲发生器:由于双积分式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非门外接、组成的多 0 R 0 C 谐振荡器。振荡频率： 0 00 1 2.2 f R C 为提高抗干扰能力，选、使与电网频率呈整数倍关系。 0 R 0 C 0 f 电子计数器:包括计数、锁存、译码、气段输出、驱动。 时序逻辑控制电路:时序逻辑控制电路接收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：一是个模拟开关的控制信号，使模拟开关按规定时序切换；二 是闸门信号，控制计数脉冲的个数；三是判断被测电压的极性，输出“+” 、 “-”号控制； 四是超量程控制，超量程时，千位显示“1” ，其余数码消隐。 （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。这时模拟输出端与公共模拟端 COM 短路 AZ、比较器输 INTINT 及 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。 REF C REF V 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 数字显示仪表课程设计（报告） 6 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 1 V 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 I T cp T 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 DE DE I V 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 REF V 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。 I V 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, CP T 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。 CP T I T cp T 根据双积分转换原理求得结果为: （2） REFCPV T VT N 11 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 无需这一点源） ，但驱动 LCD 几乎不需要电流，而驱动 LED 每断需 58V 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。 数字显示仪表课程设计（报告） 7 图 2-1 ICL7107 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 RC 组成。若取 R=120K，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。 （三）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 00 0 2 . 2 1 CR f （3） 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。 （四）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 数字显示仪表课程设计（报告） 8 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。解锁指令到来才将代码送译码器。 译码器完全是由门电路达成的组合逻辑电路，将 BCD 译码成七段码笔划。译码输出的笔 划信号和背电极的相位共同决定，异或门的输入端是段位信号和 50Hz 方波相异或。 （五）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。 2.22.2 LEDLED 显示器显示器 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。 （一） 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： 低电压（1.52.2V）,小电流（530mA）的条件下工作，即可获得足够高的亮度。 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。 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。 小型、防震、抗冲击性能好。 使用灵活、可根据需要制成各种数码管、符号管、电平显示器、矩阵板、固体发 光板等 （二）LED 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，另一级做笔画电极，就构成了 LED 数码显示器。如图 2-3(a)所示。 数字显示仪表课程设计（报告） 9 只要按规定使某些笔画的发光二极管，就能组成 09 的一系列数字。它具有重量轻、 体积小、耐震动、寿命长、亮度高、单色性好、发光响应速度快、能在低电平条件下与 数字集成电路匹配等优点可作为数字仪表，数控 装置，计算机等的数字显示器件。LED 显示器 一般采用七段，既把七只 LED 共阳极（或共阴 极）连接，每段具有单只 LED 的特性及驱动显示方法。如图 2-3(b)所示。 2.32.3 主要集主要集成块成块 MC1403 是高精度低温度漂移的基准电路，作为 8-12 位（二进制）数模转换的基准 电压源而设计，为避免温度漂移所造成的 7107 的误差，通常采用具有温度补偿的外接基 准稳压源，在这里采用 MC1403 作为基准稳压源供电，可以获得精密的电压基准。如图 2-4 所示。 输出电压误差：2.5V1% 输出电压温度系数：10ppm/（typ） 输出电流：10mA 输出电压范围：4.5-40V 封装：8 脚 DIL 陶封（代码 U） ；8 脚 DIL 塑封（代码 DSM） 6 7 8 9 10 a f b e a d 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 .dp g + + （） （a）管脚排列 （b）BS342 型（共阳极） 图 2-2 BS342 管脚排列及内部结构 （） 数字显示仪表课程设计（报告） 10 NC GND V V out in NC NC NC NC 1 2 3 4 5 6 7 8 图 2-3 MC1403 的管脚排列 数字显示仪表课程设计（报告） 11 第第 3 3 章章 数字显示仪表的安装数字显示仪表的安装 数字显示电路部分的安装要在面包板上进行，压力传感器、电源部分不在面包板上。 由于数显部分需要6V 的电源，因此，电源要在另外的印刷电路安装，以给数显部分供 电。 3.13.1 数显部分的安装数显部分的安装 根据绘制的接线图，首先在面包板上把 7107 和四个数码管的位置确定好，为了便于 显示，一般要把四个数码管放在上方。然后以接线方便为原则，确定 7107 的位置。同时 要考虑“+电源” 、 “地”线的接法。其它芯片、电阻、电容电位器等围绕 7107 就近安排 位置。 3.23.2 电源部分的安装电源部分的安装 由于数显部分要使用6V 的电源，这里采用两个三端集成稳压器。其中 7806 为固定 标准正电压稳压器：7906 为固定标准负电压稳压器。 电源电路的器件包括电源变压器