数字显示仪表报告.doc

东北石油大学课 程 设 计课 程 数字显示仪表课程设计 题 目 数字压力显示仪表的制作 院 系 电气信息工程学院 专业班级 自动化11-6班 学生姓名 刘 洋 学生学号 110601140614 指导教师 刘玉敏 董长义 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 数字压力显示仪表的制作 专业 自动化 姓名 刘 洋 学号 110601140614 主要内容：在面包板上安装一台单片A/D转换器7107或7106组成的0-2V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）根据实验室所提供的元件、材料，设计并描绘电路接线图。最后在面包板上接插显示仪表的电路。（2）由于元件、材料要反复使用，在接插过程中要小心，不要故意破坏元件。（3）在整个课程设计中，要学会实验室基本仪器、工具有使用方法。（4）各小组配备的万用表、工具精心使用，如有故意损坏、丢失、要按价赔偿。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彭介华.电子技术课程设计指导J.北京：高等教育出版社，1997.3孙梅生.电子技术基础课程设计J.北京：高等教育出版社，1996.4周泽存.刘馨媛.检测技术M.北京：机械工业出版社，1995.5常健生.模电检测与转换技术M.北京：工业大学出版社，2002.6张志义.电子工艺实训基础M.北京：化学工业出版社，2007.完成期限 2013.7.222013.8.2 指导教师 专业负责人 2013年 8月 2日目 录第1章 数显仪表工作原理11.1数字是显示仪表的基本构成21.2数字仪表的主要技术指标31.3线性化问题51.4信号的标准化及标度变换71.5 HM20压力传感器8第2章 数显仪表的制作12.1 ICL7107双积分A/D转换器12.2 LED显示器12.3主要集成块、三极管1第3章 数显仪表的安装23.1测量电阻13.2测量电容13.3数字式压力数显表头的安装13.4连接电路1第4章 结论与体会2参考文献10第1章 数显仪表工作原理 数字式显示仪表是一种具有模/数转换器并以十进制数码形式显示被测变量值的仪表，它与各种传感器、配送器配套，可以显示出各种不同的参数。数字式仪表具有精度高、功能全、速度快、抗干扰能力强等优点，体积小、耗电低、读数直观，且能将测量结果以数字形式输入计算机，从而实现生产过程自动化。1.1 数字式显示仪表的基本构成 近五十年来，随着现代科学技术的迅猛发展，使数字仪表很快地从电子管式、晶体管式发展到目前集成电路式和带有微处理器的数字仪表。在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。数字仪表的主要特点有：准确度高：一般通用的数字电压表要过到0.005%的精确度是较容易的。分辨力高：数字电压表的分辨力一般为10V或1V，有的可达0.1V。无主观读数误差：数字仪表以数码形式显示测量结果，读数清晰、客观。测量速度快：数字仪表的测量速度，一般是由模/数转换器决定的。根据模/数转换器原理不同，仪表的测量速度可达每秒数次直到每秒几十万次。能以数码形式输出结果：主要使仪表与计算机能方便地联机，为测量结果的数据处理提供了良好条件。传感器测量电路电平放大非线性校正和A/D转换器译码、驱动、显示控 制 逻 辑设定机构比较环节控制模式信号输出图1-1 数字显示仪表的方框图数显仪表按工作原理一般分为不带微处理器的和带微处理器的。其原理框图如图1-1所示。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。尽管数字仪表的品种繁多，但其基本构成形式可由图1-2所式的主要环节组成。模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。仪表的模拟部分一般设有滤波、前置放大器和模拟开关等环节。仪表的数字部分一般有计数器、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。数字仪表的和发展是与计算机技术、电子技术等现代技术的发展紧密相关的，他的优越性能和广泛的应用使传统的模拟仪表受到严重挑战。模拟仪表会不会被数字仪表所取代，已引起人们的关注和争议。模拟仪表的一些固有的特点，如可做趋向显示等仍为人们所欣赏，数字仪表尚难完全取代模拟仪表。另外在功能、精度要求不高，而更注重可靠性和实用的工业过程检测和控制系统中，模拟仪表更显出特有的优势。 因此一种可能的发展方向，尤其在面板类仪表中，是将数字仪表和模拟仪表的优点结合起来，开发出新一代显示仪表。目前出现得一种新类型、采用固体电路和模拟显示的面板表光柱式（条图式）仪表就兼有数字和模拟仪表的优点。被测对象传感器前置放大模数转换计数译码数码输出报警系统打印记录数字显示模拟开关时 钟逻 辑 控 制 电 路线性化器基准源标度变换图1-2数字显示仪表的方框图1.2 数字仪表的主要技术指标显示位数：以十进制显示被测变量值的位数成为显示位数。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表的显示数位为位，可显-19991999。高精度的数字显示位数目前达到位。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。例如XMZ101数字式温度仪表，测量范围为30180，量程为150，满度值为180。精度：目前数字式显示仪表的精度表示法有三种：满度的%n字、读数的%n字、读数的%满度的b%。系数n是显示仪表读数最末一位数字变化，一般n=1。这是由于把模拟量转化成数字量的过程中至少要产生1个量化单位的误差，它和被测量无关。显然，数字表的位数越多，这种量化所造成的相对误差就越小。分辨力和分辨率：数字仪表的分辨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变量的最小变化的能力。数字式显示仪表在不同量程下的分辨力是不同的，通常在最低量程上具有最高的分辨力，并以此作为该仪表的分辨力指标。输入阻抗：数字式显示仪表是一种高输入阻抗的仪表，输入阻抗可达到1012。抗干扰能力：数字式显示仪表一般用串联干扰抑制比和共模抑制比来表征抗干扰能力的大小。串模干扰抑制比（SMR）为SMR=20lg式中串模干扰电压r所造成的最大显示绝对误差。共模干扰抑制比（CMR）为CMR=20lg式中串模干扰电压； 所造成的最大显示绝对误差。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。1.3 线性化问题对于显示仪表来说，一般希望它的刻度方程是线性，以保证在整个量程范围内具有恒定的灵敏度。实际上由于大多数传感器特性非线性，测量电路具有非线性元件或者转换关系非线性等原因，造成仪表输入信号与被测物理量之间存在程度不同的非线性。例如：Rt=Rt0(1+At+Bt2) 0t850Rt=Rt01+At+Bt2+c(1-100)t3 -200t0式中Rt温度为t时铂电阻的阻值；Rt0温度为0时铂电阻阻值；A、B、C温度系数，为常数。显然，铂电阻的阻值与被测温度呈非线性关系。其它诸如热电偶的热电势和被测温度之间，差压变送器的差压P和Q之间都不是线性关系。对于非线性问题，在模拟显示仪表设计中也是同样存在的，但在模拟显示仪表中可以通过仪表标尺的非线性刻度来解决，以便直接读出被测参数的数值。而在数字仪表中常用的二进制或二十进制数码其本身是线性递增或递减的。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性特性求得所需要的线性化器的非线性特性。2、根据思索求得的线性化器的分线性特性，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。1.4 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不同，输入信号的性质、电平的高低等也不相同。1.5 HM20压力传感器 压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器。这里主要介绍HM20压力传感器。 HM20通用压力传感器为专有技术生产，采用进口硅敏感元件和规一化设计的电路与装配工艺保证了产品的先进性、实用性和质量稳定性。此标准产品可广泛用于各种场所，在保证数量和应用的前提下，设计组可根据客户的具体要求重新设计或改进，满足应用中的特殊要求。 产品特点 性能价格比高，为OEM客户专门设计、生产 德国进口的硅敏感元件具有卓越的抗腐蚀、抗冲击、和过载、抗震动、抗磨损性能 工作温度范围宽、测量综合精度高、长期稳定性好 规一化设计与生产保证了产品的先进性、实用性和质量稳定性 量程范围宽：从真空到100MPa，并具有正负表压量程 性能参数 测量范围 -100KPa05KPa.100MPa 过载能力 2倍满量程压力(其中100MPa的产品过压为1.1倍满量程压力) 压力类型 表压或绝压 测量介质 与316不锈钢兼容的气体或液体 第2章 数显仪表的制作2.1 ICL7107双积分A/D转换器ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMoS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1个字。它的作用是把输入电压信号变成数字输出，并驱动显示器。能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN 。在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF 。其内部结构包含模拟数字两大部分。模拟部分包括积器、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：能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。不设有一专门的小数点驱动信号。使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+.ICL7107引脚如图所示。 图2-1 ICL7107引脚图2.2 LED显示器数码显示是用来显示数字、文字或符号的器件，现在以有多种不同类型的产品，广泛应用于多种数字设备中。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、小电流的条件下工作，即可获得足够高的亮度。2、发光响应素的快，高频特性好，能显示脉冲信息，单色性好，寿命长。若加以必要的限流措施，就可以长期使用。3、小型、防震、抗冲击性能好。4、使用灵活，可根据需要制成各种数码管、符号管、电平显示器等。5、与数字集成电路匹配。将条状发光二极管按照共阳极或共阴极的方式连接，并组成“8”字型发光二极管，另一极做笔画电极，就构成了LED显示器。只要按规定使某些笔画饿发光二极管发光，就能组成09的一系列数字。dpabfecgd6 7 8 9 105 4 3 2 1(-)+(-)gfabdpcdegfabdpcde图2-2（a）管脚排列 （b）BS342(共阳极) （c）BS341（共阴极）2.3 主要集成块、三极管除了上述主要集成芯片之外还需要MC1403、ICL7650。MC1403是高精度低温度漂移的基准电路。采用MC1403可获得精密的电压基准。输出电压误差： 输出电压温度系数：输出电流：输出电压范围：ICL7650是高精度CMOS运转，它具有极低的输入失调电压及漂移；很低的输入偏置电流；极高的开环电压增益、共模抑制比和电源电压抑制比。第3章 数显仪表的安装对于数字显示仪表的安装这一部分，只需要照着电路图将各个部件在面包板上连接起来就可以了。3.1 测量电阻将蓄电池装入万用表，利用万用表测量各个电阻阻值，黑线接“COM”，红线接V/，然后两根线另一端接电阻两端，如果万用表显示为“1”，说明量程不够，需要在万用表上调节测量的量程，直到测出电阻阻值。并且记下各个电阻的阻值。3.2 测量电容类似于测量电阻的方法，把各个电容的大小测出来。并且记下电容容量。3.3 数字式压力数显表头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”、“-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。当无错误后，进行实际插接阶段。插接导线时要注意保证导线的牢固、整齐、美观。要使用“扒批钳子”、“斜口钳子”和“镊子”等工具。保证插接牢固。同时掌握以上工具的使用方法。经检查后，才可通电调试。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。电源电路的器件包括电源变压器、整流桥、集成稳压器及电容。整个电路安装在一块印刷线路板上，安装时要使用电铬铁。为了使用该电源的安全性、可靠性。因此在设计时要考虑线路布置合理，强电与弱电之间要留有相当的距离。同时注意220V电源线的引入方向、安全，防止电路短路，输出6V电源要有“接线端子”。电源的安装首先要根据电原理图绘制印刷电路板的接线图，经老师检查无误后，才能进行实际焊接，焊接过程中要掌握电铬铁的使用，使焊点大小均匀、光亮、无虑焊。1 2D4D1CW78XXC31D3D2UI220V3 2CW79XX图3-1正、负输出电压电路3.4 连接电路按照数显压力表原理图在面包板上连接各个部件。图3-2 总电路图第4章 结论与体会通过对数字显示仪表的课程设计，我自己获得了很大的收获，同时也感觉到了自身的种种不足。在设计的前期，一我直找不到方法如何下手。后来通过在网上查阅相关的资料，并且仔细研究老师所给的PPT，二者加以结合，再组织整理，终于有了头绪，这让我懂得了完事开头难，也让我懂得了想要做好一件事情是不容易的，想要做好一件事情，不仅仅需要的是理论知识，而且还需要有敏捷的思维和冷静的头脑，并且要自己亲身去实践，只有通过实践，才会了解自身有哪些不足的地方，并引以为戒。这样才不会被困难所迷惑住，这样才能突破困难将理论联系实际，做出自己想要的作品。做课程设计时，要考虑到它的各个方面，需要什么样的元件，如何设置其具体参数，如何连接电路，等等都是需要考虑到的。本次课程设计的要求相当综合，不仅需要单方面的知识，而且还需要多方面的结合，既锻炼了我们实际