第四章显示仪表

1、第四章第四章 显示仪表显示仪表第一节第一节 模拟式显示仪表模拟式显示仪表第二节第二节 数字式显示仪表数字式显示仪表第三节第三节 新型显示仪表新型显示仪表凡能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累凡能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表统称为显示仪表。积的仪表统称为显示仪表。2.显示仪表的分类显示仪表的分类按能量分按能量分:电动显示仪表，气动显示仪表。电动显示仪表，气动显示仪表。按显示的方式分按显示的方式分:显显示示仪仪表表模拟式显示仪表模拟式显示仪表:指针位移或记录笔指针位移或记录笔数字式显示仪表数字式显示仪表:数字显示数字显示屏幕显示仪表屏幕显示仪表:数字数字.字符字符.曲线和图像

2、显示曲线和图像显示1.显示仪表显示仪表数字式显示仪表数字式显示仪表:以数字的形式直接显示被测参数大小的以数字的形式直接显示被测参数大小的仪表。仪表。 因具有速度快因具有速度快.精度高精度高.读数直观读数直观,便于与计算机等数便于与计算机等数字装置联用等特点字装置联用等特点,正在迅速发展。正在迅速发展。屏幕显示仪表屏幕显示仪表:将图形、字符、曲线及数字等直接在屏幕将图形、字符、曲线及数字等直接在屏幕上进行显示上进行显示,是一种新型显示仪器是一种新型显示仪器,用途非常广泛。用途非常广泛。模拟式显示仪表模拟式显示仪表:以仪表指针以仪表指针(记录笔记录笔)的角位移的角位移(线位移线位移)来来模拟显示被

3、测参数连续变化的仪表。测量速度较慢模拟显示被测参数连续变化的仪表。测量速度较慢.精度精度较低较低.读数易造成多值性。读数易造成多值性。1).工作原理工作原理:平衡法平衡法(补偿法补偿法.零值法零值法), 将被测电势与已知将被测电势与已知的标准电势比较的标准电势比较,当两者的差值为零时当两者的差值为零时,被测电势就等于已被测电势就等于已知的标准电势。知的标准电势。1. 手动电位差计手动电位差计I恒定恒定,R为锰铜电阻为锰铜电阻(线性度高线性度高)。调节触点调节触点C,当当IG=0时时,Et=UCB=IRCB。由由C的位置的位置,读读UCB,即测即测Et。一、一、 自动电子电位差计自动电子电位差计

4、自动平衡式显示仪表自动平衡式显示仪表:电子电位差计电子电位差计和和电子自动平衡电桥电子自动平衡电桥。特点特点:测量精度高测量精度高,工作可靠。工作可靠。可测量显示温度、压力、流量、物位等参数。可测量显示温度、压力、流量、物位等参数。第一节第一节 模拟式显示仪表模拟式显示仪表直接测量直流电压信号。直接测量直流电压信号。RGCBEIEtA+-(1). 采用全补偿法采用全补偿法(IG=0) ,热电偶、连接导线的接入对测量热电偶、连接导线的接入对测量不产生任何影响。不产生任何影响。(2).采用高灵敏度检流计采用高灵敏度检流计,可保证测量的准确度。可保证测量的准确度。(3). 只能进行间断测量只能进行间

5、断测量,不能进行自动记录。需人工参与。不能进行自动记录。需人工参与。2).测量准确的原因测量准确的原因2. 自动电子电位差计的工作原理自动电子电位差计的工作原理稳压电源稳压电源电子放大器电子放大器可逆电机可逆电机CBA+-Et+-用用可逆电动机及一套机械可逆电动机及一套机械传动机构传动机构代替人手进行电代替人手进行电压平衡操作压平衡操作,用用放大器放大器代替代替了检流计来测不平衡电压了检流计来测不平衡电压并控制可逆电动机的工作。并控制可逆电动机的工作。t00,室温室温t1时时,热电势减少热电势减少, t 减小减小,造成测量误差。造成测量误差。3. 自动电子电位差计的测量桥路自动电子电位差计的测

6、量桥路在实际中需解决下列两个问题：在实际中需解决下列两个问题：t0=0时时,触点触点C与与t一一对应一一对应,E(t,0)t,反映真实温度。反映真实温度。(1).冷端温度补偿问题冷端温度补偿问题BCR2R3RGRPRMR4E=1VI1=4mAI2=2mAD-+AEtt0解决这个问题解决这个问题,需加一个支路需加一个支路R2(铜丝铜丝)R3, R2与热电偶冷端处于与热电偶冷端处于同一温度。同一温度。 当当 t1R2UR2,而而热电偶的热电势热电偶的热电势,达到达到温度补偿的目的。温度补偿的目的。UR2=E(t0,0)E(t,t0)=E(t,0)- E(t0,0)E(t,0)t稳压电源稳压电源CB

7、A+-Et+-3. 自动电子电位差计的测量桥路自动电子电位差计的测量桥路(2).量程匹配问题量程匹配问题 (RGRM)触点触点C为起点时为起点时,UCD=E(t1,0)。仪表标尺下限为多种时。仪表标尺下限为多种时,需串接电阻需串接电阻RG, RG UCD下限值下限值。触点触点C处于右端时处于右端时,UCD 为上限为上限t2的热电势。的热电势。 RM越小越小,则则RP电流越小电流越小,量程越窄量程越窄; R总总=RP / RM减少减少,I1不变不变, RP两端电压减少两端电压减少,可改变量程。可改变量程。BCR2R3RGRPRMR4E=1VI1=4mAI2=2mAD-+AEtt0XW系列自动电子

8、电位差计测量桥路原理图系列自动电子电位差计测量桥路原理图X-显示仪表显示仪表,W-直流电位差计直流电位差计EtBCR2R3RGRPRBRMR4E=1VI1=4mAI2=2mAA-+D(1).电阻电阻R2:实现冷端温度自动补偿。实现冷端温度自动补偿。热电偶的热电偶的E(t,t0)时时,仪表显示仪表显示的温度为的温度为t,仪表仪表刻度不变化刻度不变化。(2).下支路限流电阻下支路限流电阻R3限制限制I2=2mA(25),精密精密电阻电阻,精度为精度为0.2%以内。以内。镍铬镍铬-镍硅时镍硅时R2=5.33,镍铬镍铬-考铜时考铜时R2=8.92,铂铑铂铑-铂时铂时R2=0.74。热电偶不同热电偶不同

9、,R2值就不同值就不同。(3).上支路限流电阻上支路限流电阻R4:保证保证I1= 4mA。XW系列自动电子电位差计测量桥路原理图系列自动电子电位差计测量桥路原理图EtBCR2R3RGRPRBRMR4E=1VI1=4mAI2=2mAA-+D(4).滑线电阻滑线电阻RP:重要部件重要部件,仪表的误仪表的误差差.灵敏度等与灵敏度等与RP优劣有关优劣有关, RP=90(线性度高的锰铜线性度高的锰铜),不足时不足时,使使RP/RB=90。(5).量程电阻量程电阻RM:RM由仪表由仪表测量范围和热电偶分度号测量范围和热电偶分度号决定的。决定的。 RM越大越大,IM越小越小,量程越大量程越大;反之反之, 量

10、程越小量程越小,通过改变通过改变RM .RG .R4 来改变量程。来改变量程。(6).始端始端(下限下限)电阻电阻RG:决定测量下限的高低。当决定测量下限的高低。当C点处于点处于起点时起点时,UCD为标尺下限的热电势为标尺下限的热电势, RG,UCD 大大,测量测量下限越高。下限越高。IM4. 自动电子电位差计的结构自动电子电位差计的结构放放大大器器记录机构记录机构同步电机同步电机可可逆逆电电机机稳压电源稳压电源传动机构传动机构(代替人手操作代替人手操作)热热电电偶偶测测量量电电桥桥指示机构指示机构原理方框图原理方框图结构示意图结构示意图4. 自动电子电位差计的结构自动电子电位差计的结构二、自

11、动电子平衡电桥二、自动电子平衡电桥(热电阻热电阻)当当t后后,滑动触点在滑动触点在RP的某一位置的某一位置B时时,电桥平衡电桥平衡: R3(Rt0+Rt+RP-r1)=R2(R4+r1) (2) (2)-(1)则得：则得： RtR3-r1R3=R2r1RrRRR31t231. 平衡电桥测温原理平衡电桥测温原理当温度在下限时当温度在下限时,Rt为为Rt0,滑动触点在滑动触点在RP的的 左端左端,此时电桥平衡此时电桥平衡:R3(Rt0+RP)=R2R4 (1)触点位移与热电阻的增量呈线性关系。触点位移与热电阻的增量呈线性关系。二线制接法二线制接法GE0r1BRPR4R3R2Rt+-始始r2终终A1

12、).基本原理基本原理:将检流计换成放大器将检流计换成放大器,利用被放大的不平衡电利用被放大的不平衡电压推动可逆电机压推动可逆电机, 带动触点带动触点B移动达到电桥平衡。移动达到电桥平衡。 XD系列交流电桥系列交流电桥;XQ系列直流电桥系列直流电桥2. 自动电子平衡电桥自动电子平衡电桥2). 测量桥路各电阻的作用测量桥路各电阻的作用直流电源为直流电源为1V,交流电源为交流电源为6.3V。起始电阻起始电阻量程电阻量程电阻滑线电阻滑线电阻三线制接法三线制接法:外接调外接调整电阻整电阻R1=2.5I1=I2=3mA,交流限流电阻交流限流电阻R7:保证电流在规定的保证电流在规定的范围内范围内,以防烧毁。

13、以防烧毁。4).自动电子平衡电桥的结构原理方框图自动电子平衡电桥的结构原理方框图放放大大器器记录机构记录机构同步电机同步电机可可逆逆电电机机稳压电源稳压电源传动机构传动机构(代替人手操作代替人手操作)热热电电阻阻测测量量电电桥桥指示机构指示机构接法接法:由热电阻一端引出两根线由热电阻一端引出两根线,其中一线接电桥的一桥其中一线接电桥的一桥臂臂,另一线接电源的负极另一线接电源的负极;热电阻另一端的一根线接热电热电阻另一端的一根线接热电阻所在的桥臂。为了尽量减小误差阻所在的桥臂。为了尽量减小误差,电阻值为电阻值为2.5。3).热电阻采用三线制接法热电阻采用三线制接法1).相同之处相同之处(1).组

14、成相同组成相同:放大器放大器.可逆电机可逆电机.同步电机同步电机.指示记录部分。指示记录部分。(2).与仪表配套的测温元件与仪表配套的测温元件(热电偶热电偶.热电阻热电阻)外形结构相似外形结构相似。3.自动电子平衡电桥与自动电子电位差计比较自动电子平衡电桥与自动电子电位差计比较2).不相同之处不相同之处(1).输入信号输入信号:电位差计为电势电位差计为电势;电子平衡电桥为电阻。电子平衡电桥为电阻。(2).作用原理作用原理:电位差计测量电桥在测量时处于不平衡电位差计测量电桥在测量时处于不平衡,输出输出不平衡电压不平衡电压(与被测电势大小相同极性相反与被测电势大小相同极性相反),与被测电势补与被测

15、电势补偿偿,使仪表达到平衡。电子平衡电桥使仪表达到平衡。电子平衡电桥,当仪表达到平衡时当仪表达到平衡时,测测量电桥处于平衡量电桥处于平衡,即无输出。即无输出。(3). 电位差计测温时电位差计测温时,考虑热电偶冷端温度补偿问题。考虑热电偶冷端温度补偿问题。(4).测温元件与测量电桥的连接方式不同测温元件与测量电桥的连接方式不同:热电偶补偿导热电偶补偿导线采用两线制接法。热电阻采用三线制接法。线采用两线制接法。热电阻采用三线制接法。(5).稳压源的供电方式稳压源的供电方式:电位差计用直流电位差计用直流;电子平衡电桥可电子平衡电桥可直流也可交流。直流也可交流。例例1:K分度号的热电偶采用如图所示的方

16、式与配套的电分度号的热电偶采用如图所示的方式与配套的电子电位差计接入控制室测炉温子电位差计接入控制室测炉温,已知电子电位差计显示已知电子电位差计显示温度为温度为1000C时时,求实际温度求实际温度t。t30C20CK分度号分度号补偿导线补偿导线30C控制室控制室电子电电子电位差计位差计 解题思路：解题思路： 根据电位差计根据电位差计,显示显示1000C则对应的热电势则对应的热电势: EK(1000,0) 电位差计中有温度补偿的铜电阻电位差计中有温度补偿的铜电阻,补偿热电势补偿热电势: UR=EK(20,0) 补偿导线可实现冷端温度迁移补偿导线可实现冷端温度迁移,热电偶所测的热电势热电偶所测的热

17、电势为为:EK(t,20),其与补偿热电势一起使仪表显示其与补偿热电势一起使仪表显示1000C。 则依题意有：则依题意有： EK(t,20) + EK(20,0)= EK(1000,0), 由中间温度定律可知由中间温度定律可知t= 1000C。t30C20CCu线线Cu线线30C控制控制室电室电位差位差计计例例2:K分度号的热电偶采用下图的方式与配套的电位差计分度号的热电偶采用下图的方式与配套的电位差计接入控制室测炉温接入控制室测炉温,已知电位差计显示温度为已知电位差计显示温度为700C时时,求实求实际温度际温度t。EK(t,0)=EK(700,0)-EK(20,0)+EK(30,0) = 2

18、9128-798+1203=29533V解解:查表得查表得:EK(20,0)=798V, EK(700,0)=29128V EK(30,0)=1203V 依题意有依题意有:EK(t,30)+EK(20,0)=EK(700,0),EK(t,0)-EK(30,0)+EK(20,0)=EK(700,0),t=709+(29533-29505)/(29547-29505)=709.7C查表查表:EK(709,0)=29505V, EK(710,0)=29547V例例3: K分度号的热电偶采用下图的方式与分度号的热电偶采用下图的方式与E分度号的电分度号的电位差计接入控制室测炉温位差计接入控制室测炉温,已

19、知电位差计显示温度为已知电位差计显示温度为400C时时,求实际温度求实际温度t。 t30C20CK分度号补分度号补偿导线偿导线30C控制室控制室E型型电位电位差计差计EK(t,0)= EE(400,0)-EE(20,0)+ EK(20,0) =28943-1192+798=28549V解解:查表得查表得:EK(20,0) = 798V, EE(20,0)=1192V, EE(400,0)= 28943V,依题意有依题意有:EK(t,20) + EE(20,0)= EE(400,0)，查表查表:EK(686,0)=28540V, EK(687,0)=28583Vt=686+(28549-2854

20、0)/(28583-28540)=686.2C第二节第二节 数字式显示仪表数字式显示仪表数字式显示仪表数字式显示仪表:用数字显示测量结果的仪表。是一种具有用数字显示测量结果的仪表。是一种具有模模/数转换器并以十进制数码形式显示被测量值的仪表。数转换器并以十进制数码形式显示被测量值的仪表。一、数字式显示仪表的特点及分类一、数字式显示仪表的特点及分类数数字字式式显显示示仪仪表表按输入信按输入信号形式分号形式分电电压压型型按显示按显示方式分方式分单点单点多点多点频频率率型型单点单点按功按功能分能分显示仪显示仪多点多点显示报警仪显示报警仪显示报警输出记录仪显示报警输出记录仪显示输出仪显示输出仪显示记录

21、仪显示记录仪按显示按显示方式分方式分按功按功能分能分按功按功能分能分按功按功能分能分特点特点:直接显示数字直接显示数字.清晰直观清晰直观.读数方便读数方便.不产生视差不产生视差;线路线路简单简单.可靠性好可靠性好.耐振性好耐振性好;调试和维修方便调试和维修方便,降低成本。降低成本。组成组成:信号变换信号变换.前置放大前置放大.非线性校正或开方运算非线性校正或开方运算.模模/数数(A/D)转换转换.标度变换标度变换.数字显示数字显示.电压电压/电流电流(V/I)转换及各转换及各种控制电路等。种控制电路等。二、数字显示仪表的基本组成二、数字显示仪表的基本组成(热电势热电势)电流信号电流信号信号信号

22、变换变换前置前置放大放大非线性非线性校正或校正或开方运开方运算算A/D转换转换标度变换标度变换数字显示数字显示V/I转换转换控制电路控制电路工艺变量工艺变量(热电阻热电阻)(电压电压)(电流电流)光柱电平驱动光柱电平驱动继电器触点动作继电器触点动作或电流信号或电流信号光柱显示光柱显示2.将小信号将小信号(毫伏级毫伏级)放大放大(伏级伏级)。其。其中加滤波电路可抑止干扰信号。中加滤波电路可抑止干扰信号。1.将输入信号转换将输入信号转换成电压成电压(电流电流)值。值。3.将信号处理成线性特性将信号处理成线性特性,提提高仪表测量精度。高仪表测量精度。开方运算开方运算将差压信号转换成流量值。将差压信号

23、转换成流量值。与热电偶配套的数显仪表还有冷端温度自动补偿功能。与热电偶配套的数显仪表还有冷端温度自动补偿功能。4. A/D转换电路转换电路(数显仪表的核心数显仪表的核心)二、数字显示仪表的基本组成二、数字显示仪表的基本组成分分类类把连续变化的模拟量把连续变化的模拟量变变换成断续变化的脉冲数字量。换成断续变化的脉冲数字量。5.标度变换电路标度变换电路间接型间接型:双积分型双积分型.脉冲宽带调制型脉冲宽带调制型.电压电压/频率转换型。频率转换型。直接型直接型:逐次比较型。逐次比较型。间接型间接型:将模拟量将模拟量转转换一个中间量换一个中间量(T/f ),再再转转换数字量。换数字量。抗干扰能力强。抗

24、干扰能力强。直接型直接型:直接将模拟量直接将模拟量转转换成数字量。换成数字量。将将显示显示值和被测原始参数值统一起来值和被测原始参数值统一起来,使使仪表以工程量值仪表以工程量值形式显示形式显示被测参数。被测参数。如被测温度为如被测温度为65时时,A/D转换计数器输出为转换计数器输出为1000个脉冲个脉冲,经过经过标度变换使标度变换使仪表直接显示仪表直接显示65。6. 数字显示电路及数字显示电路及光柱电平驱动光柱电平驱动电路电路二、数字显示仪表的基本组成二、数字显示仪表的基本组成光柱电平驱动光柱电平驱动电路电路:将测将测量量信号与一组基准值比较信号与一组基准值比较,驱动驱动一一列发光二极管列发光

25、二极管,使被测值使被测值以光柱高度以光柱高度或长度形式显示。或长度形式显示。数字数字显示方法显示方法:发光二极管发光二极管(LED)和液晶显示器和液晶显示器(LCD)等。等。7. V/I转换电路和控制电路转换电路和控制电路V/I转换电路转换电路:将电压转换将电压转换420mA(010mA)直流电流信号直流电流信号,与电动单元组合仪表与电动单元组合仪表.可编程序控制器或计算机连用。可编程序控制器或计算机连用。7. V/I转换电路和控制电路转换电路和控制电路控制电路控制电路:根据偏差根据偏差信号按信号按PID或其他控制规律进行运算或其他控制规律进行运算,输出控制信号输出控制信号,直接对生产过程加以

26、控制。直接对生产过程加以控制。第三节第三节 新型显示仪表新型显示仪表定义定义:涉及微处理技术涉及微处理技术.新型显示和记录技术新型显示和记录技术.数据存储和控数据存储和控制技术制技术,把信号检测处理把信号检测处理.显示显示.记录记录.数据存储数据存储.通讯通讯.控制控制.复复杂数学运算等全部或部分功能集合于一体的新型仪表。杂数学运算等全部或部分功能集合于一体的新型仪表。特点特点:使用方便使用方便.观察直观观察直观.功能丰富功能丰富.可靠性高可靠性高.维护简单。维护简单。一、无笔、无纸记录仪一、无笔、无纸记录仪1. 概述概述该仪表输入信号多样化该仪表输入信号多样化,可对温度可对温度.压力压力.流

27、量流量.物位等参数物位等参数进行组态与编程并直接显示进行组态与编程并直接显示.记录。带有报警功能。记录。带有报警功能。以以CPU为核心的液晶显示记录仪为核心的液晶显示记录仪,直接把信号转化成数字直接把信号转化成数字,保存在随机存储器内保存在随机存储器内,可在液晶显示屏上显示。需要时可可在液晶显示屏上显示。需要时可把记录曲线或数据送到打印机打印或计算机保存和进一把记录曲线或数据送到打印机打印或计算机保存和进一步处理。步处理。2. 无笔、无纸记录仪的原理与组成无笔、无纸记录仪的原理与组成记录仪的核心记录仪的核心,数据数据计算与逻辑处理计算与逻辑处理存贮存贮CPU处理后处理后的历史数据的历史数据,可

28、保可保存存3-170天的数据天的数据固化程序。固化程序。CPU操作的操作的软件。软件。将将CPU内数据显示在液晶屏上内数据显示在液晶屏上显示显示160128点阵点阵输入指令输入指令产生标准时钟产生标准时钟发出报警发出报警信号信号实现数据打印实现数据打印实现数据通讯实现数据通讯组态界面组态界面时间组态时间组态:用于组态用于组态(或修改或修改)日期、时间、记录日期、时间、记录点数和采样周期。点数和采样周期。页面及记录间隔的组态页面及记录间隔的组态:用于页面、记录间隔的设置、用于页面、记录间隔的设置、背光的打开背光的打开/关闭设置。关闭设置。各个通道信息组态各个通道信息组态:各个通道输入量、测量上下

29、限、报警各个通道输入量、测量上下限、报警上下限、开方运算等设置。上下限、开方运算等设置。通讯信息组态通讯信息组态:用于通讯地址和方式的设置。用于通讯地址和方式的设置。显示画面选择组态显示画面选择组态:选择最需要的显示画面。选择最需要的显示画面。报警信息组态报警信息组态:每个通道的上下限报警触点的设置。每个通道的上下限报警触点的设置。2. 无笔、无纸记录仪的原理与组成无笔、无纸记录仪的原理与组成利用计算机强大的功能来完成显示仪表所有的工作。利用计算机强大的功能来完成显示仪表所有的工作。特点特点:在计算机屏幕上完全模仿实际使用中的各种仪表在计算机屏幕上完全模仿实际使用中的各种仪表,如仪表面盘如仪表

30、面盘.操作盘操作盘.接线端子等。用户通过计算机键盘接线端子等。用户通过计算机键盘.鼠标或触摸屏进行各种操作。鼠标或触摸屏进行各种操作。一台计算机可同时实现多台虚拟仪表一台计算机可同时实现多台虚拟仪表,可集中运行和显示。可集中运行和显示。二、虚拟显示仪表二、虚拟显示仪表传统仪器传统仪器:是一个实物器具。实物的基本是一个实物器具。实物的基本特点特点:形状形状.大小大小.体积和重量。在传统仪器的操纵面板上可通过开关、按键体积和重量。在传统仪器的操纵面板上可通过开关、按键来操纵它来操纵它,同时通过它的显示区域可获得最终的测量结果。同时通过它的显示区域可获得最终的测量结果。 9.1 虚拟仪器技术虚拟仪器

31、技术(Virtual Instrument,简记为简记为VI)虚拟仪器虚拟仪器:不是一个实物器具不是一个实物器具,是基于计算机的测量仪器。是基于计算机的测量仪器。没有固定尺寸和外观形状。它通过软件在计算机的屏幕上没有固定尺寸和外观形状。它通过软件在计算机的屏幕上以各种图形的方式模拟出传统仪器的外观及操纵仪器所需以各种图形的方式模拟出传统仪器的外观及操纵仪器所需的开关、按键、显示器等部件。的开关、按键、显示器等部件。虚拟仪器的操作是通过计算机的鼠标或键盘来实现的。虚拟仪器的操作是通过计算机的鼠标或键盘来实现的。与传统仪器比较与传统仪器比较仪器定义仪器定义仪器厂商仪器厂商用户用户中心环节中心环节硬

32、件是关键硬件是关键软件是关键软件是关键功能设定功能设定仪器的功能、规模仪器的功能、规模均已固定均已固定系统功能和规模可通过软件修系统功能和规模可通过软件修改和增减改和增减开放性开放性封闭的系统封闭的系统,与其与其它设备连接受限它设备连接受限基于计算机的开放系统基于计算机的开放系统,可方可方便地同外设、网络及其它设备便地同外设、网络及其它设备连接连接性能性能/价格比价格比价格昂贵价格昂贵价格低，可重复使用价格低，可重复使用技术更新技术更新慢（慢（510年）年）快（快（12年）年）开发维护费用开发维护费用 开发维护费用高开发维护费用高软件结构可大大节省开发和维软件结构可大大节省开发和维护费用护费用

33、应用情况应用情况多为实验室拥有多为实验室拥有个人可以拥有一个实验室个人可以拥有一个实验室二、模二、模-数转换数转换(A/D)(一一).基本概念基本概念1.主要任务主要任务:是使连续变化的模拟量转换成与其成比例的、是使连续变化的模拟量转换成与其成比例的、断续变化的数字量断续变化的数字量,便于进行数字显示。便于进行数字显示。2.模拟量模拟量:可在其测量范围内任意变化可在其测量范围内任意变化,即即模拟量是连续模拟量是连续变化的变化的,将将09这十个数字这十个数字,通过指针或记录笔位移模拟通过指针或记录笔位移模拟表示其信号大小的。表示其信号大小的。3.数字量数字量:数字量的电信号数字量的电信号,只能取

34、二进制数中即只能取二进制数中即“0”和和“1”的任一个状态。一定位数的二进制数可表达一个的任一个状态。一定位数的二进制数可表达一个确定的被测量确定的被测量,数字量是非连续的量数字量是非连续的量。它们也可以转变。它们也可以转变为人们熟知的十进制数为人们熟知的十进制数,直接以数字的形式表示被测量。直接以数字的形式表示被测量。 4.计量单位计量单位:用一定的计量单位使连续变化的模拟用一定的计量单位使连续变化的模拟量量整量化整量化,才能得到近似的数字量。计量单位越小才能得到近似的数字量。计量单位越小,整量化的误差就越小整量化的误差就越小,数字量越接近连续量本身的数字量越接近连续量本身的值。值。E/mV

35、t/C模拟电信号模拟电信号000100100000数字电信号数字电信号E/mVt/C分割的阶梯分割的阶梯(一个量化单位一个量化单位)越小越小,转换精度越高转换精度越高,但要求模但要求模-数转换装置的频率响应、前置放大的稳定性等越高。这数转换装置的频率响应、前置放大的稳定性等越高。这是一对矛盾。是一对矛盾。(二二).模模-数转换数转换(A/D)的方法的方法(1).时间间隔时间间隔-数字转换；数字转换；(2).电压电压-数字转换数字转换(V-D转换转换)； 重点重点是是V-D转换。转换。(3).机械量机械量(直线位移和角度直线位移和角度)-数字转换。数字转换。下面介绍下面介绍V-D转换中两种类型转

36、换中两种类型:双积分型、逐次比较型。双积分型、逐次比较型。1.双积分型双积分型(间接法间接法)(1).定义定义:在一次测量过程中在一次测量过程中,用同一个积分器进行两次积用同一个积分器进行两次积分分,一次是对被测电压一次是对被测电压Vx的的定时积分定时积分,另一次是对标准电另一次是对标准电压压Vr的的定值积分定值积分。(2).基本原理基本原理:将一段时间内的模拟电压通过两次积分将一段时间内的模拟电压通过两次积分,变变换成与其平均值成正比的时间间隔换成与其平均值成正比的时间间隔,然后由脉冲发生器和然后由脉冲发生器和计数器来测量此时间间隔而得到数字量。计数器来测量此时间间隔而得到数字量。定时定时定

37、值定值(3).积分过程积分过程定时积分定时积分:t1时时,S接通接通-Vx,积分时间为积分时间为T1,积分区间为积分区间为t1t2,则输出电压为则输出电压为:在在T1时间内时间内,Vx的平均值为的平均值为: 则：则：定值积分定值积分: t2时时,S接通接通Vr,输入反向输入反向,积分器反向积分积分器反向积分,在在T2时时间内间内,输出电压为输出电压为:则：则： 即：即：当当T1.Vr一定时一定时, Vx与时间间隔与时间间隔T2成比例。成比例。21t0 xt1VV dtCR 21txxt11VV dtT 10 xTVVRC 32t20r0rtT10VV dtVVCCRR 12xrTTVVRCRC

38、 2xr1TVVT 2.逐次比较型逐次比较型(直接法直接法)1).基本原理基本原理:将要转换的模拟电压信号与一套相邻电压数将要转换的模拟电压信号与一套相邻电压数值相差值相差2倍倍(为二进制关系为二进制关系)的标准电压进行逐次的标准电压进行逐次比较比较,不断不断逼近逼近,直到两者相等为止直到两者相等为止,标准电压以二进制形式输出。标准电压以二进制形式输出。2).逐次比较的条件逐次比较的条件: (一个电压转换为二进制数码一个电压转换为二进制数码)(1).要有一套相邻关系为要有一套相邻关系为二进制的标准电压二进制的标准电压,产生这套电压产生这套电压的网络称为的网络称为解码网络解码网络。(2).要有一

39、个要有一个比较鉴别器比较鉴别器,把由解码网络来的把由解码网络来的,每次进行试每次进行试探的电压和被转换的电压进行比较探的电压和被转换的电压进行比较,并判别其大小并判别其大小,以决以决定是否保留这位电压。定是否保留这位电压。(3).要有一个要有一个数码寄存器数码寄存器,保存每次比较的结果是保存每次比较的结果是“1”或或“0”。(4).要有一套要有一套控制线路控制线路来完成以下两个任务：来完成以下两个任务：a.比较由高位开始比较由高位开始,由高位到低位逐次比较。由高位到低位逐次比较。b.根据每次比较结果根据每次比较结果,使相应位的数码寄存器记使相应位的数码寄存器记“1”或或“0”,并由此决定是否保

40、留这位并由此决定是否保留这位“解码网络解码网络”来的电压。来的电压。例如例如:将将3V的模拟电压信号转化成数字信号的模拟电压信号转化成数字信号,可采可采用一套电压值分别如下的用一套电压值分别如下的共共11种电压。种电压。2.5V,1.25V,0.625V,0.3125V,2.5/210V比较过程如下：比较过程如下：用用2.5V电压与电压与3V比较比较,2.53.0,不保留不保留,记记“10”。再用再用0.625V 与与3V比较比较,2.5+0.6253.0,不保留不保留,记记“100”。再用再用0.3125V与与3V比较比较,2.5+0.31253.0, 保留保留,记记“1001”。如此比较如

41、此比较,直到直到2.5/210电压用完为止电压用完为止,最终所用的标准电压最终所用的标准电压的总和接近的总和接近3V,比较过程结束比较过程结束,此时寄存器中所记录的数此时寄存器中所记录的数字信号即字信号即3V所对应的数字信号。所对应的数字信号。模拟电压信号模拟电压信号： 3V数字信号为数字信号为：10011001100模数转化模数转化逐次比较型逐次比较型:测量过程不像双积分需要一段时间测量过程不像双积分需要一段时间,所以具有所以具有高速转换性能。具有测量精度高、稳定性好高速转换性能。具有测量精度高、稳定性好,测量速度测量速度高特点。但有电路复杂高特点。但有电路复杂,抗干扰性差抗干扰性差,要求精

42、密元件多等要求精密元件多等缺点。缺点。三、电子计数器三、电子计数器 1.组成组成:由由多个双稳态触发器多个双稳态触发器串联而成。可对接受的脉串联而成。可对接受的脉冲进行逢十进一的计数。还能通过译码器译成十个状态冲进行逢十进一的计数。还能通过译码器译成十个状态(0-9),驱动数码管驱动数码管,将被测数据显示出来。将被测数据显示出来。2.当用当用逐次比较型逐次比较型模模-数转换器时数转换器时,用以驱动增减基准电压用以驱动增减基准电压砝码的脉冲可直接送往计数器计数。砝码的脉冲可直接送往计数器计数。 当用当用双积分型模双积分型模-数转换器数转换器时时,先将模拟量转换为与之对先将模拟量转换为与之对应的时

43、间间隔应的时间间隔,再将时间间隔转换为数字量再将时间间隔转换为数字量,才能计数。才能计数。3.时间间隔测量方法时间间隔测量方法 宽度宽度TB为为所要测量的时间间隔所要测量的时间间隔;石英晶体振荡器可获石英晶体振荡器可获得精确的得精确的时基信号时基信号(周期为周期为1s);闸门为门电路闸门为门电路,以以B的输的输入宽度入宽度TB为控制闸门电路的启闭时间为控制闸门电路的启闭时间, B的脉冲前沿去的脉冲前沿去开门开门, B的脉冲后沿去关门的脉冲后沿去关门,A的输入信号在闸门开放的的输入信号在闸门开放的时间内时间内,直接送入直接送入计数器计数器,进行计数。进行计数。所计之数所计之数N为为: N=fAT

44、BfA为为A通道信号通道信号的频率的频率,当当fA=1时时, N=TB。四、寄存器四、寄存器 作用作用:把把计数器的某一状态保存计数器的某一状态保存下来下来,供译码显示用供译码显示用,而把计数器的其他状态与译码器隔开不予显示。而把计数器的其他状态与译码器隔开不予显示。 五、显示器五、显示器在数显仪表中在数显仪表中,测量的结果都是用数字形式直接显测量的结果都是用数字形式直接显示的。数字显示的方法有示的。数字显示的方法有辉光数码管显示器、发辉光数码管显示器、发光二极管、液晶显示器光二极管、液晶显示器等。等。辉光数码管辉光数码管:利用辉光放电原理制成的。利用辉光放电原理制成的。充稀有气体（氖、氙）。

45、充稀有气体（氖、氙）。 辉光数码管显示器辉光数码管显示器:一个阳极和十个阴极。一个阳极和十个阴极。译码器中的译码状态译码器中的译码状态计数器接受的脉冲数计数器接受的脉冲数输入信号输入信号因此显示器所显示的数字就反映被测参数的大小。因此显示器所显示的数字就反映被测参数的大小。1六、非线性补偿六、非线性补偿 1.将被测参数从模拟量转换到数字显示这一过程将被测参数从模拟量转换到数字显示这一过程中中,如何使显示值和仪表的输入之间具有一定规律如何使显示值和仪表的输入之间具有一定规律的的非线性关系非线性关系,以以补偿补偿输入信号和被测参数之间的输入信号和被测参数之间的非线性关系非线性关系,从而使显示值和被

46、测参数之间从而使显示值和被测参数之间呈线性呈线性关系。关系。2.方法方法:模拟式非线性补偿法模拟式非线性补偿法 、非线性模、非线性模-数转换数转换补偿法、数字式非线性补偿法。补偿法、数字式非线性补偿法。以双积分型模以双积分型模-数转换为例说明非线性补偿数转换为例说明非线性补偿:以热电偶测温数字仪表为例以热电偶测温数字仪表为例,热电势热电势E与与t的非线性的非线性曲线如图曲线如图,而要求仪表的显示数值而要求仪表的显示数值N与温度与温度t成成,即即N=Kt。以双积分型模以双积分型模-数转换为例说明非线性补偿数转换为例说明非线性补偿:为了得到为了得到线性关系线性关系,把模把模-数转换器设计成非线性以

47、补偿数转换器设计成非线性以补偿E与与t的非线性的非线性,步骤如下：步骤如下：(1).根据生产实际的允许根据生产实际的允许,用几段直线代替用几段直线代替E=f(t)曲线。曲线。(2).确定直线斜率确定直线斜率,并逐段并逐段进行模进行模-数转换器数转换器,实现被实现被测参数的线性显示。测参数的线性显示。T2与与Vx成正比成正比,在在T2内进行内进行数字测试数字测试,则数字值则数字值N与被与被测电压测电压Vx成正比。成正比。N Vx t2xr1TVVT七、标度变换七、标度变换1.标度变换实质的含义就是比例尺的变更。标度变换实质的含义就是比例尺的变更。模拟量经模模拟量经模-数转换器转换成数字量后数转换

48、器转换成数字量后,以计数脉冲的形式以计数脉冲的形式输出时输出时,不能直接送给译码显示电路不能直接送给译码显示电路,而先经过数字运算器而先经过数字运算器,再进行译码显示再进行译码显示,便可实现被测物理量的直接数字显示。便可实现被测物理量的直接数字显示。2.方法方法:标度变换可在模拟部分进行标度变换可在模拟部分进行,也可在数字部分进行。也可在数字部分进行。实例实例:如被测温度为如被测温度为650时时,模模-数转换后计数器的输出为数转换后计数器的输出为1000个脉冲个脉冲;如直接显示为如直接显示为1000,这就使这就使显示值和被测量显示值和被测量(温温度度)不一致不一致。为了在仪表上直接显示。为了在

49、仪表上直接显示650的温度值的温度值,就必就必须须设置标度变换设置标度变换环节。环节。 将此脉冲送至运算器进行乘将此脉冲送至运算器进行乘0.65的运算。则的运算。则输出输出650个个脉冲脉冲,再到译码显示电路则仪表显示为再到译码显示电路则仪表显示为650,与被测温度值与被测温度值取得了一致取得了一致,实现了标度变换。实现了标度变换。 八、接热电偶的数字显示仪表实例八、接热电偶的数字显示仪表实例冷端温度补偿电桥冷端温度补偿电桥: 用以补偿热电偶冷端温度偏离用以补偿热电偶冷端温度偏离0时所引起的误差。时所引起的误差。双双T网络网络: 热电势经补偿电桥后热电势经补偿电桥后, 在进入毫伏放大器前在进入

50、毫伏放大器前,需先经双需先经双T网络进行滤波网络进行滤波,以抑制干扰信号。以抑制干扰信号。 毫伏放大器毫伏放大器:是一个高灵敏度的调制型直流放是一个高灵敏度的调制型直流放大器大器,闭环增益为几十倍闭环增益为几十倍,其分辨能力可达其分辨能力可达lV,可具有温度可具有温度0.1的分辨能力。的分辨能力。 非线性补偿器非线性补偿器:由十几个线性集成运放组成由十几个线性集成运放组成,在在一定范围内一定范围内,用用8段直线逼近热电势的特性曲段直线逼近热电势的特性曲线线,使输出电压与温度成线性关系。使输出电压与温度成线性关系。 数字表数字表:线性化后的信号线性化后的信号可达到可达到1mV/,它实它实际为数字

51、电压表。际为数字电压表。显示被测显示被测温度的高低。温度的高低。第六节第六节 新型显示记录仪表新型显示记录仪表一、概述一、概述1.定义定义:以以CPU为核心的液晶显示的记录仪为核心的液晶显示的记录仪2.特点特点 可实现高性能、多回路的检测可实现高性能、多回路的检测;记录信号变成数字信号记录信号变成数字信号,并加以保存、传输、处理及打印。并加以保存、传输、处理及打印。 无机械的传动机构、纸、笔无机械的传动机构、纸、笔,采用液晶显示器进行数字采用液晶显示器进行数字显示和记录。显示和记录。 对温度、压力、流量、物位等参数进行组态与编程并对温度、压力、流量、物位等参数进行组态与编程并直接数字显示、记录

52、。直接数字显示、记录。 带有报警功能。带有报警功能。 精度高、可靠性强、价格与一般记录仪相同。精度高、可靠性强、价格与一般记录仪相同。二、无笔、无纸记录仪的原理与组成二、无笔、无纸记录仪的原理与组成CPU:是记录仪的核心是记录仪的核心, ,有数据计算与逻辑处理的功能。有数据计算与逻辑处理的功能。A/D转换器转换器:将模拟量转换数字量以便将模拟量转换数字量以便CPUCPU进行运算处理。进行运算处理。只读存贮器只读存贮器(ROM):用来固化程序。它指挥用来固化程序。它指挥CPUCPU完成各种功完成各种功能操作的软件。能操作的软件。随机器随机器(RAM):用来存贮用来存贮CPUCPU处理后的历史数据

53、处理后的历史数据, ,可保存可保存3-3-170170天时间的数据。天时间的数据。显示控制器显示控制器:将将CPUCPU内数据显示在点阵液晶显示屏上。内数据显示在点阵液晶显示屏上。液晶显示屏液晶显示屏:可显示可显示160160128128点阵。点阵。键盘控制器键盘控制器:通过键盘输入信号至通过键盘输入信号至CPU,使使CPU按照键入要按照键入要求工作。求工作。报警输出电路报警输出电路:当被记录的数据超限时当被记录的数据超限时,CPU发出信号给报发出信号给报警电路警电路, ,产生报警输出。产生报警输出。时钟电路时钟电路:产生标准时钟给产生标准时钟给CPU。三、记录仪的使用三、记录仪的使用1.1.

54、实时单通道显示实时单通道显示上图为实时单通道显示界面。上图为实时单通道显示界面。(1).左上角显示日期与时间。左上角显示日期与时间。(2).右上角显示该通道的工程单位。右上角显示该通道的工程单位。(3).第二行为棒图第二行为棒图,并含有上下限报警标志显示。并含有上下限报警标志显示。(4).H:上限报警上限报警,L:下限报警下限报警,并显示当前数据的通道号。并显示当前数据的通道号。(5).手动手动/自动翻页显示自动翻页显示,A:自动翻页显示自动翻页显示,M:手动翻页显示。手动翻页显示。(6).用百分量标尺显示实时趋势曲线用百分量标尺显示实时趋势曲线,并标有时间标尺并标有时间标尺,右右端为端为0,

55、表示当前时刻表示当前时刻,左端为左端为2.5min,表示表示2.5min前的时间前的时间,可显示可显示2.5min的实时趋势曲线。的实时趋势曲线。(7).屏幕底端六个屏幕底端六个“”模拟显示六个报警触点的当前状态模拟显示六个报警触点的当前状态, , “”表示该触点处于报警闭合状态表示该触点处于报警闭合状态,“”表示该触点处于表示该触点处于非报警状态。非报警状态。(8).最后一行为各种按键最后一行为各种按键,上方符号表示组态用按键上方符号表示组态用按键,下方为下方为显示用按键。显示用按键。2.组态界面组态界面接入组态接入组态/显示切换插针显示切换插针,由实时单通道显示变成组态显示。由实时单通道显

56、示变成组态显示。时间及通道组态时间及通道组态:用于组态用于组态(或修改或修改)日期、时间、记录日期、时间、记录点数和采样周期。点数和采样周期。页面及记录间隔的组态页面及记录间隔的组态:用于页面、记录间隔的设置、用于页面、记录间隔的设置、背光的打开背光的打开/关闭设置。关闭设置。各个通道信息组态各个通道信息组态:各个通道测量上下限、报警上下限、各个通道测量上下限、报警上下限、滤波时间常数及开方与否的设置。滤波时间常数及开方与否的设置。通讯信息组态通讯信息组态:用于通讯地址和方式的设置。用于通讯地址和方式的设置。显示画面选择组态显示画面选择组态:选择最需要的显示画面。选择最需要的显示画面。报警信息

57、组态报警信息组态:每个通道的上下限报警触点的设置每个通道的上下限报警触点的设置。四、无笔、无纸记录仪的特点四、无笔、无纸记录仪的特点1.液晶全动态显示液晶全动态显示, ,即清晰即清晰, ,又明了。又明了。2.输入信号多样化输入信号多样化, ,并以并以CPUCPU为核心为核心, ,可实现高性能、可实现高性能、多回路的监视。多回路的监视。3.无笔、无纸、无墨水无笔、无纸、无墨水, ,无一切机械转动结构无一切机械转动结构, ,无无需日常维护。需日常维护。4.精度高。精度高。5.可靠性高可靠性高, ,价格与一般记录仪相仿。价格与一般记录仪相仿。 电子电位差计电子电位差计使用时注意的问题：使用时注意的问

58、题： 对于标尺始端为对于标尺始端为0 C的电位差计的电位差计,当热电偶短路时当热电偶短路时(E(t0,t0)=0),滑动变阻器触点指示在对应温度为电子电位滑动变阻器触点指示在对应温度为电子电位差计所在的环境温度的位置。差计所在的环境温度的位置。 当滑动变阻器触点在最左端当滑动变阻器触点在最左端,对应为所测温度的起始点对应为所测温度的起始点 当滑动变阻器触点在最右端当滑动变阻器触点在最右端,对应为所测温度的最高点对应为所测温度的最高点 热电偶有自动温度补偿的功能。热电偶有自动温度补偿的功能。 电源电压为直流电源电压为直流(1V),上支路电流为上支路电流为4mA,下支路电流为下支路电流为2mA。4.自动自动电子电子平衡电桥平衡电桥使用时注意的问题使用时注意的问题 当热电阻短路时当热电阻短路时,滑动变阻器触点在最左端滑动变阻器触点在最左端,对应为温对应为温度的起始点。度的起始点。 当热电阻断路时当热电阻断路时,滑动变阻器触点移向最右端滑动变阻器触点移向最右端,有可能有可能损坏电子自动平衡电桥。损坏电子自动平衡电桥。 当滑动变阻器触点在最左端当