17过程检测技术及仪表--显示仪表解析

1、第一第一节节 显示仪表的构成及基本原理显示仪表的构成及基本原理 在控制系统中显示仪表具有重要的地位，它可将控制过程中在控制系统中显示仪表具有重要的地位，它可将控制过程中的参数变化、被控对象的过渡过程显示和记录下来，供操作的参数变化、被控对象的过渡过程显示和记录下来，供操作人员及时了解控制系统的变化情况，掌握被控对象的状态，人员及时了解控制系统的变化情况，掌握被控对象的状态，是进行系统控制、工况监视、性能分析及事故评判等工作所是进行系统控制、工况监视、性能分析及事故评判等工作所必不可少的环节。必不可少的环节。概概 述述显示仪表：对各种参数进行指示、记录和累计的仪表。显示仪表：对各种参数进行指示、

2、记录和累计的仪表。一般安装于控制室的仪表架上。一般安装于控制室的仪表架上。主要分类：主要分类：模拟式显示仪表数字式显示仪表图像式显示仪表 5 0 0 一、一、 模拟显示仪表模拟显示仪表用物理模拟方法对被测信息实现显示的仪表用物理模拟方法对被测信息实现显示的仪表1. 模拟显示仪表的基本构成形式模拟显示仪表的基本构成形式模拟显示仪表实际上是一个将输入信号模拟显示仪表实际上是一个将输入信号转换为便于操作人员观察、转换为便于操作人员观察、 读数或进行数据读数或进行数据处理的另一物理量处理的另一物理量(输出信号输出信号)的信号变换装的信号变换装置。置。 一般模拟显示仪表对信号的变换是多级一般模拟显示仪表

3、对信号的变换是多级的，的， 被测量被测量x在转换为输出信号在转换为输出信号y(指针或记指针或记录笔的位移录笔的位移)之前要经过一系列的中间变换。之前要经过一系列的中间变换。 图图2 直接变换式仪表组成的检测系统直接变换式仪表组成的检测系统动圈式显示仪表动圈式显示仪表 动圈式显示仪表动圈式显示仪表磁电式模拟显示仪表1 1、分类、分类（1 1）配热电偶（）配热电偶（XCZ101）的动圈式显示仪表的动圈式显示仪表（2 2）配热电阻（）配热电阻（XCZ102）的动圈式显示仪表的动圈式显示仪表2、基本组成、基本组成被测量测量线路电流 I测量机构指针转角 图图 3 动圈式仪表的测量机构动圈式仪表的测量机构

4、 1永久磁铁；永久磁铁； 2、 6张丝；张丝； 3软磁芯；软磁芯； 4热电偶；热电偶； 5动圈；动圈； 7刻度面板；刻度面板； 8指针指针 永久磁永久磁铁铁铁芯铁芯线圈线圈弹簧游弹簧游丝丝转轴和支转轴和支撑撑指针（1）原理）原理 矩形线圈通有电流矩形线圈通有电流I，置于置于B的磁场中，受力的磁场中，受力矩矩M作用转动；作用转动；平衡时有：平衡时有：M=M反反= C1M=2rFcos=2rnlBIcos =C2ICI指针的转角指针的转角 C灵敏度灵敏度（2）组成）组成a.动圈：动圈：铜线铜线Rcu20=80 无框架无框架b.磁钢：磁钢： 环形、产生辐射状磁场；保证动圈与磁力线垂直，环形、产生辐射

5、状磁场；保证动圈与磁力线垂直，夹角为零夹角为零c.张丝：张丝： 支承动圈、导流支承动圈、导流3、测量机构及原理、测量机构及原理（3）温度补偿）温度补偿原因：由于环境温度变化，动圈电阻变化，使输出变化。原因：由于环境温度变化，动圈电阻变化，使输出变化。补偿方法：利用热敏电阻与锰铜电阻并联来进行补偿。补偿方法：利用热敏电阻与锰铜电阻并联来进行补偿。2050t()R()80604020RDRTRB /RTRBRD +RB /RTRDRTRB（4）量程调整）量程调整增加电阻增加电阻R串串可进行量程调整及减少外线路电阻变化的影响。可进行量程调整及减少外线路电阻变化的影响。R串（5）阻尼调整）阻尼调整配热

6、电阻时，配热电阻时， 由于由于R串串较大使仪表出现欠阻尼，故增加较大使仪表出现欠阻尼，故增加R并并R并4、配热电偶的测量线路、配热电偶的测量线路R串RDRTRB+短短（1）外线路电阻外线路电阻内外0),(RRttEI IR外外R热R补R铜补偿器R桥R调R调（工作状态下调整）工作状态下调整）（2）正确使用）正确使用型号配套型号配套（热偶、动圈、补偿器、补偿导线）（热偶、动圈、补偿器、补偿导线）冷端补偿冷端补偿A只用补偿导线只用补偿导线仪表机械零点调在仪表机械零点调在toB用补偿导线加补偿电桥用补偿导线加补偿电桥仪表机械零点调在仪表机械零点调在20或或0 仪表不用时，加短路线以保护指针仪表不用时，

7、加短路线以保护指针5、配热电阻的测量线路、配热电阻的测量线路采用不平衡电桥测电阻采用不平衡电桥测电阻R0RtR2R3c稳压电源R4d+设：设：当当t时，电桥平衡，时，电桥平衡，Vcd 动圈中无电流通过；动圈中无电流通过；当当t时，有不平衡电压时，有不平衡电压Vcd输出输出Vcd与电阻的变化量成正比。与电阻的变化量成正比。 Rt 采用三线制采用三线制 接入，每根导线的电阻为接入，每根导线的电阻为 （3 ）动圈仪表的不足：动圈仪表的不足： 测量的是端电压测量的是端电压V，不是热电势不是热电势E；外线路电阻不是常数外线路电阻不是常数 V=EIR外外 结构造成非线性结构造成非线性 图图3 自动平衡式电

8、子电位差计的闭环结构图自动平衡式电子电位差计的闭环结构图 优点：优点： 缺点：缺点： 图图4 模拟显示仪表的指示机构类型模拟显示仪表的指示机构类型(a) 条型指示机构；条型指示机构； (b) 圆弧形刻度指示机构；圆弧形刻度指示机构； (c) 反光镜式刻度指示机构；反光镜式刻度指示机构； (d) 圆形指示机构；圆形指示机构； (e) 转鼓式指示机构；转鼓式指示机构； (f) 色带指示机构色带指示机构 二、数字显示仪表二、数字显示仪表把被测参数连续变化的模拟量变换为断续的数字量并以把被测参数连续变化的模拟量变换为断续的数字量并以数码形式显示的仪表数码形式显示的仪表 。被测参数前置放大A/D检测元件

9、CPU数字显示仪表显示接口 电路显示器数字式显示仪表框图被测变量检测单元变送器前置放大器AD非线性补偿标度变换记录打印数字显示报警系统数码输出数字显示仪表的分类数字显示仪表的分类 数字显示仪表的分类方法很多，数字显示仪表的分类方法很多， 常见的有以下几种：常见的有以下几种： (1) 按照显示位数，按照显示位数， 可以分为位、位、可以分为位、位、位、位、 位数字显示仪表等。显示位数中的整数部分表示低位数字显示仪表等。显示位数中的整数部分表示低位上能够显示位上能够显示09之间任何数码的位数，之间任何数码的位数， 分数部分的表分数部分的表示最高位只能够显示示最高位只能够显示0或或1， 分数部分的表示

10、最高位只能分数部分的表示最高位只能够显示够显示03。2134332142152143(2) 按照采样速率，按照采样速率， 可以分为低速型、可以分为低速型、 中速型和高速型数中速型和高速型数字显示仪表。字显示仪表。 低速型数字显示仪表的采样速率为零点几次每低速型数字显示仪表的采样速率为零点几次每秒到几次每秒；秒到几次每秒； 中速型的为十几次每秒到几百次每秒；中速型的为十几次每秒到几百次每秒； 高高速型的为几千次每秒以上。速型的为几千次每秒以上。 (3) 按照输入信号的形式，按照输入信号的形式， 可以分为电压型和频率型数可以分为电压型和频率型数字显示仪表。字显示仪表。 前者的输入信号为电压或电流等

11、形式的信号；前者的输入信号为电压或电流等形式的信号； 后者的输入信号为频率、后者的输入信号为频率、 脉冲或开关等形式的信号。脉冲或开关等形式的信号。 (4) 按照输入信号的点数，按照输入信号的点数， 可以分为单点式和多点式数字可以分为单点式和多点式数字显示仪表。显示仪表。 (5) 按照电路中的主要元器件，按照电路中的主要元器件， 可以分为电子管式、可以分为电子管式、 晶晶体管式、体管式、 集成电路式和带微处理器式数字显示仪表等。集成电路式和带微处理器式数字显示仪表等。 (6) 按照显示器件，按照显示器件， 可以分为利用辉光管、可以分为利用辉光管、 荧光管、荧光管、 液液晶、晶、 发光二极管、发

12、光二极管、 等离子体等显示器进行显示的数字显示仪等离子体等显示器进行显示的数字显示仪表等。表等。 (7) 按照仪表的功能，按照仪表的功能， 可以分为显示型、可以分为显示型、 显示报警型、显示报警型、 显示调节型和巡回检测型数字显示仪表等。显示调节型和巡回检测型数字显示仪表等。 (8) 按照是否具有智能，按照是否具有智能， 可以分为常规和智能数字显示可以分为常规和智能数字显示仪表。仪表。 2. 2 数字显示仪表的特点 数字显示仪表中由于没有磁电偏转机构、 伺服电动机等机械部分， 并且以数字形式直接显示测量结果， 因此使得它具有了模拟显示仪表无法比拟的许多优点。 其主要特点如下： (1) 准确度高

13、。 一般通用的数字显示仪表要达到0.05%的准确度是比较容易的。 高准确度的数字显示仪表的准确度可达106数量级。 而模拟显示仪表要达到0.1%的准确度也是困难的。 (2) 分辨力高。 例如数字电压表的分辨力一般为10 V或1 V， 有的可达0.1 V。 (3) 无主观读数误差。 数字显示仪表以数字形式显示测量结果， 读数清晰、 客观。 随着发光二极管、 液晶和等离子体等新型显示器件的应用， 读数视角更加宽广， 色彩更加柔和， 大大减轻了观察者的疲劳。 (4) 测量速度快。 数字显示仪表的测量速度一般由A/D转换器决定。 根据A/D转换器工作原理的不同， 数字显示仪表的测量速度可以达到数次每秒

14、至数十万次每秒。 因此， 数字显示仪表可以对变化极快的被测参数进行测量。 这是模拟显示仪表无法实现的。 (5) 能够以数字形式输出结果。 该特点使得数字显示仪表能够方便地与计算机联机，为测量结果的数据处理提供了良好的条件。 同时， 用数字量来传输信息， 可以使传输距离不受限制。 (6) 线路简单， 可靠性好， 耐震性强。 数字显示仪表普遍采用中、 大规模集成电路， 简化了测量线路， 提高了可靠性。 并且它没有磁电偏转机构、 伺服电动机等机械部分， 也提高了可靠性和耐震性。 (7) 制造、 调试和维修简单。 数字显示仪表采用模块化设计方法， 尽管品种繁多，但都是采用为数不多的、 功能分离的模块化

15、电路组合而成， 因此有利于制造、 调试和维修。 三、屏幕显示仪表三、屏幕显示仪表包括无纸记录仪、虚拟仪表和集散控制系统的显示部分多媒体显示数据计算处理输入通道输入通道插卡实时数据管理PC机A/D采样开关显示模式第二节第二节 模拟自动平衡式显示仪表模拟自动平衡式显示仪表一、自动平衡式电子电位差计一、自动平衡式电子电位差计1. 工作原理及构成工作原理及构成 自动平衡式电子电位差计和手动电位差计一样以天自动平衡式电子电位差计和手动电位差计一样以天平称重的平衡法（也称为补偿法或零值法）来测量电平称重的平衡法（也称为补偿法或零值法）来测量电势，它将被测电势与已知的标准电势进行比较，当二势，它将被测电势与

16、已知的标准电势进行比较，当二者的差值为零时，被测电势就等于已知的标准电势。者的差值为零时，被测电势就等于已知的标准电势。 .手动电位差计的原理线路手动电位差计的原理线路 K1ERBIdaRPbEx21GEsf 是标准电池；是标准电池； 是灵敏度较高的检流计；是灵敏度较高的检流计； 是标准电阻是标准电阻； 是带有滑触点的电阻；是带有滑触点的电阻； 是可调电阻；是可调电阻； 是直流电是直流电源；源； 是单刀双掷开关；是单刀双掷开关； 是电源开关是电源开关 , 是被测电势是被测电势工作过程工作过程 第一步调准工作电流第一步调准工作电流 :合上开关合上开关 ，把开关，把开关 扳向扳向位置位置“1”，调

17、节，调节 的大小，直到检流计的大小，直到检流计 指向零指向零 SEGKRPRBREK1KxEKSREI BR1KKG 第二步对未知电势的测量第二步对未知电势的测量 : 把把 扳到位置扳到位置“2”，用手滑动，用手滑动 的触点，直到的触点，直到检流计检流计 指向零指向零 KPRGPabKSPabxRREIRE. 自动平衡式电子电位差计自动平衡式电子电位差计 可配热电偶或直流信号发生器可配热电偶或直流信号发生器 设被测信号为热电偶的电势设被测信号为热电偶的电势 ,自动的电位差计的测自动的电位差计的测量过程和手动电位差计类似量过程和手动电位差计类似 。自动平衡式电子电位差计组成框图自动平衡式电子电位

18、差计组成框图 如下如下自动平衡式电子电位差计组成框图自动平衡式电子电位差计组成框图 热电偶热电偶同步电机同步电机可逆电机可逆电机测量桥路测量桥路放大器放大器记录机构记录机构指示机构指示机构调节机构调节机构2 .测量桥路的分析测量桥路的分析 自动电子电位差计的测量桥路有两条支路（分别称为自动电子电位差计的测量桥路有两条支路（分别称为上支路和下支路），而手动电位差计的测量桥路只有上支路和下支路），而手动电位差计的测量桥路只有一条支路一条支路 目前我国统一设计的目前我国统一设计的XW系列电子电位差计的上支路系列电子电位差计的上支路电流为电流为4mA，下支路电流为，下支路电流为2mA 测量桥路的设计计

19、算测量桥路的设计计算 桥路计算的目的是：根据拟定的桥路形式和测量范桥路计算的目的是：根据拟定的桥路形式和测量范围等已知条件，计算出测量桥路中各桥臂电阻的阻围等已知条件，计算出测量桥路中各桥臂电阻的阻值值 下支路电阻的计算下支路电阻的计算 上支路电阻的计算上支路电阻的计算 2. 1测量桥路中各电阻的作用及要求测量桥路中各电阻的作用及要求 1) 桥臂电阻桥臂电阻R2在配用热电偶测温时，在配用热电偶测温时， 桥臂电阻作为热电偶冷端桥臂电阻作为热电偶冷端温度补偿电阻。温度补偿电阻。 现在常用的补偿电阻是用铜丝绕制，现在常用的补偿电阻是用铜丝绕制， 用符号用符号RCu表示。表示。 当配用当配用K分度热电

20、偶时，分度热电偶时，RCu=5.33; 当配用当配用J分度热分度热电偶时，电偶时， RCu=0.74 , 这些电阻皆为这些电阻皆为25时的阻值。时的阻值。 注意：注意： 若电子电位差计不是配热电偶使用，若电子电位差计不是配热电偶使用， 则则R2应为锰铜丝绕制。应为锰铜丝绕制。2) 限流电阻限流电阻R3R3是固定电阻，是固定电阻， 用锰铜丝绕制。用锰铜丝绕制。 它与它与R2配合，配合， 使下支路在使下支路在25时工作电流为时工作电流为2 mA。 R3的准确与否的准确与否直接影响到下支路电流直接影响到下支路电流I2的大小，的大小， 因此对它的精度因此对它的精度有较高的要求，有较高的要求， 一般在一

21、般在0.2%以内。以内。3) 起始值电阻起始值电阻R6 R6是决定仪表起始刻度值（下限）的锰铜电是决定仪表起始刻度值（下限）的锰铜电阻。阻。 它在不同下限的仪表中有不同值，它在不同下限的仪表中有不同值， 下限下限越高，越高， R6越大。越大。4) 限流电阻限流电阻R4R4用锰铜丝绕制。用锰铜丝绕制。 它与它与RHB(RM、 RB和和RH三个电三个电阻并联后的等效电阻阻并联后的等效电阻)、 R6串联，串联， 使上支路回路电流使上支路回路电流为为4 mA。 5) 滑线电阻滑线电阻RHRH是滑线电阻，除了要求装配牢靠外，是滑线电阻，除了要求装配牢靠外， 对耐磨对耐磨性、性、 抗氧化性、抗氧化性、 接

22、触的可靠性以及绝缘性能等方面接触的可靠性以及绝缘性能等方面应有很高的要求，应有很高的要求， 尤其是对线性度的要求。尤其是对线性度的要求。 在在0.5级级仪表中，仪表中， 希望把非线性误差控制在希望把非线性误差控制在0.2%范围内。范围内。 6) 凑合电阻凑合电阻(工艺电阻工艺电阻)RB由于滑线电阻由于滑线电阻RH的阻值很难绕得十分准确，的阻值很难绕得十分准确， 而而且绕制成的电阻也不能采用增加或减少圈数的方法来且绕制成的电阻也不能采用增加或减少圈数的方法来调整阻值，调整阻值， 因此给滑线电阻因此给滑线电阻RH并联一个电阻并联一个电阻RB。 利利用用RB的调整凑合，的调整凑合， 使并联后的电阻值

23、为一固定值使并联后的电阻值为一固定值RHRB=90 (精度要求为精度要求为900.1), 然后即把然后即把RH与与RB作为一个整体来处理。作为一个整体来处理。7) 量程电阻量程电阻RMRM是决定仪表量程大小的电阻，是决定仪表量程大小的电阻， 它的大小由仪它的大小由仪表测量范围及所采用的分度号（当仪表与热电偶配套表测量范围及所采用的分度号（当仪表与热电偶配套使用时）决定。使用时）决定。 RM越大，越大， 与与RH、RB并联后的电阻就并联后的电阻就越大，因而对应的仪表量程也越大；越大，因而对应的仪表量程也越大； 反之，反之， RM越小越小， 仪表量程就越小。仪表量程就越小。 为了便于仪表量程的微调

24、，为了便于仪表量程的微调， RM由由RM与与rM串联而串联而成，成， 只要调整只要调整rM的阻值，的阻值， 即能很方便地微调仪表量即能很方便地微调仪表量程。程。3. 测温电位差计测量桥路计算测温电位差计测量桥路计算按电路中按电路中Y形电路的等效变换可得测量桥路形电路的等效变换可得测量桥路的等效计算电路如图的等效计算电路如图25所示。所示。 图图25 测量桥路的等效计算电路测量桥路的等效计算电路3. 测温电位差计测量桥路计算举例测温电位差计测量桥路计算举例已知：已知： E=1 V， I1=4 mA， I2=2 mA，仪表配用，仪表配用K型热电偶，型热电偶， 仪表测量范围为仪表测量范围为0-800

25、。 环境温度变环境温度变化范围为化范围为tL=5， tH55。 设计环境温度为设计环境温度为t025。按照所配用的热电偶分度号按照所配用的热电偶分度号K和测温范围查分度和测温范围查分度表可得表可得Et(tmax, t0)=(33.2771) mV=32.277 mVEt(tmin, t0)=(01) mV=1 mV 式中式中, tmax=800、 tmin=0分别为被测温度的上、分别为被测温度的上、 下下限值。限值。 由此得到仪表的量程为由此得到仪表的量程为Etm=Et(tmax, t0)Et(tmin,t0)=33.277 mV 环境温度变化在冷端温度变化最大范围时，环境温度变化在冷端温度变

26、化最大范围时， 热热电偶输出的变化为电偶输出的变化为Et(tH, tL)=(2.2290.198) mV=2.031 mV铜电阻温度系数铜电阻温度系数t0=3.84103 J； 0.03 根据上述已知数据计算桥路的电阻值。根据上述已知数据计算桥路的电阻值。 桥路的上支路电阻的计算举例桥路的上支路电阻的计算举例滑线电阻触点从左端起点滑向右端终点， 桥路的不平衡电压应恰好与全量程Etm相等， 即I1(12)RHB=Etm式中, 为滑线电阻因受两边固定端的影响而滑不到的部分和滑线电阻全长的比值， 取0.03。 所以所以 850. 84)03. 021 (277.33)21 (1mHBIERt因为 9

27、0/BHRR故 9090MMHBRRR所以815. 9850. 89090850. 89090HBHBMRRR 电桥式自动平衡显示仪表电桥式自动平衡显示仪表(简称自动平衡电桥简称自动平衡电桥)将电将电阻类敏感元件直接接入电桥的一个桥臂，以电桥平阻类敏感元件直接接入电桥的一个桥臂，以电桥平衡的原理进行工作衡的原理进行工作 和自动平衡电子电位差计一样，变化的电势经放大和自动平衡电子电位差计一样，变化的电势经放大器放大后驱动可逆电机，再带动可调电位器上的滑器放大后驱动可逆电机，再带动可调电位器上的滑动触点，直至输出电势为零，仪表到达平衡状态动触点，直至输出电势为零，仪表到达平衡状态 二、自动平衡电桥

28、二、自动平衡电桥1.自动平衡电桥的自动平衡电桥的工作原理工作原理 图图 自动平衡式直流电子平衡电桥原理图自动平衡式直流电子平衡电桥原理图当被测温度为测温下限时， 热电阻Rt=Rt0， 滑动触点在a点， 电桥平衡，输出u=0。 桥臂电阻应满足 (Rt0+R1+R6+RH)R3=(R2+R1)R4 （1-75） 当被测温度升高时， Rt的电阻值增加， 电桥失去平衡， 输出u0， 经放大器放大， 驱动伺服电机SM， 通过机械传动机构带动滑动触点， 使之移到b处， 电桥重新平衡，这时桥臂电阻应满足(Rt0+Rt+R1+R6+(1n)RH)R3=(R2+R1)(R4+nRH) (1-76) (RtnRH

29、)R3=(R2+R1)nRHtRRRRRn3213（1-77）式(1-77)表明， 电桥滑动触点的位置n与热电阻阻值的变化Rt成正比。在桥路设计和改量程时， 必须满足如下条件： 1、 流过热电阻的工作电流不得超过允许值, 以免由于热电阻本身发热过大而产生测量误差； 2、较高的桥路电压灵敏度。 1. 普通数字式显示仪表普通数字式显示仪表检测元件检测元件前置放大前置放大A/D标度变换标度变换数字显示数字显示其它输出其它输出形式形式被测参数被测参数第三节第三节 数字式显示仪表数字式显示仪表3 数字显示仪表的构成数字显示仪表的构成 在工业过程参数的测量中，在工业过程参数的测量中， 被测信号通过各种传感

30、器或被测信号通过各种传感器或变送器转换后，变送器转换后， 几乎都是随时间连续变化的模拟信号。几乎都是随时间连续变化的模拟信号。 因此因此， 在数字显示仪表中，在数字显示仪表中， 必须要有一个能将模拟信号转换为数必须要有一个能将模拟信号转换为数字信号的环节，字信号的环节， 该环节就称为该环节就称为A/D转换器，转换器， 它是数字显示仪它是数字显示仪表的核心。表的核心。 以它为核心，以它为核心， 可以将数字显示仪表分为模拟和数可以将数字显示仪表分为模拟和数字两大组成部分。字两大组成部分。 数字显示仪表的模拟部分一般设有滤波器、数字显示仪表的模拟部分一般设有滤波器、 前置放大器前置放大器和模拟切换开

31、关等环节。和模拟切换开关等环节。 来自于传感器或变送器的电信号一来自于传感器或变送器的电信号一般都比较微弱，般都比较微弱， 并且包含着在传输过程中受到的各种干扰成并且包含着在传输过程中受到的各种干扰成分。分。 数字显示仪表的数字部分一般由计数器、数字显示仪表的数字部分一般由计数器、 译码器、译码器、 时时钟脉冲发生器、钟脉冲发生器、 显示驱动以及逻辑控制电路等组成。显示驱动以及逻辑控制电路等组成。 被放大被放大的模拟信号由的模拟信号由A/D转换器转换成相应的数字信号后，转换器转换成相应的数字信号后， 经译码经译码和驱动，送到显示器件中进行数字显示，和驱动，送到显示器件中进行数字显示， 也可以送

32、到报警系也可以送到报警系统中去报警。统中去报警。第三节第三节 数字式显示仪表数字式显示仪表2. 智能式数字显示仪表智能式数字显示仪表 由于由于CPU的存在，使显示仪表的功能大大增加，性能也的存在，使显示仪表的功能大大增加，性能也有较大的提高，主要特点：有较大的提高，主要特点： 可用软件方式实现仪表的标度变换和非线性处理；可用软件方式实现仪表的标度变换和非线性处理； 可以和内部或外部存储设备相连，保存历史数据；可以和内部或外部存储设备相连，保存历史数据；必要时也可随时查看历史数据；必要时也可随时查看历史数据； 可方便地对仪表进行设定，如放大倍数的设定，不可方便地对仪表进行设定，如放大倍数的设定，

33、不同检测元件的选择，显示形式和单位的切换等；同检测元件的选择，显示形式和单位的切换等； 一般都具有通讯功能，可方便地与其它设备一起使一般都具有通讯功能，可方便地与其它设备一起使用；与计算机一起构成网络式或总线式测量系统；用；与计算机一起构成网络式或总线式测量系统； 有些性能较好的仪表还具有故障的诊断；自校正等有些性能较好的仪表还具有故障的诊断；自校正等功能。功能。 3. 双积分型双积分型A/D转换器转换器 间接比较型间接比较型A/D转换类型定义：即被测电压不是直转换类型定义：即被测电压不是直接转换成数字量输出，而是先转变成一个中间量，然后接转换成数字量输出，而是先转变成一个中间量，然后再将中间

34、量转换成数字量。如时间间隔、频率等。再将中间量转换成数字量。如时间间隔、频率等。双积分型双积分型A/D转换器转换器 间接比较型间接比较型A/D转换的优点：灵敏度较高、转换的优点：灵敏度较高、 干干扰抑制能力强、扰抑制能力强、 造价低等造价低等. 缺点：转换速度较低，缺点：转换速度较低， 通常低于通常低于30次次/s。 应用应用:各类数字显示仪表和低速数据采集系统各类数字显示仪表和低速数据采集系统中。中。 3.1 双积分型双积分型A/D转换器的工作原理转换器的工作原理 双积分型双积分型A/D转换器属于间接比较型转换器属于间接比较型A/D转换类型转换类型。双积分型双积分型A/D转换电路首先要能够将

35、模拟输入电压转转换电路首先要能够将模拟输入电压转换为时间间隔，后转变成数字量输出。输出数据常以换为时间间隔，后转变成数字量输出。输出数据常以BCD码或数码管七段码格式给出，码或数码管七段码格式给出， 以便与数字显示以便与数字显示器件接口。器件接口。 1. A/D转换原理转换原理 典型的双积分型典型的双积分型A/D转换电路的基本组成如图转换电路的基本组成如图5所所示。示。 它的每一次转换通常可以分为正向积分、它的每一次转换通常可以分为正向积分、 反向反向积分和清零准备三个工作阶段。积分和清零准备三个工作阶段。第一步：采样积分，对电容第一步：采样积分，对电容C充电，完成被测电压充电，完成被测电压U

36、i到平均值的转换，获得电容的输出电压到平均值的转换，获得电容的输出电压UA； 第二步：完成被测电压平均值到时间间隔第二步：完成被测电压平均值到时间间隔T的转换的转换 ； 第三步：将时间间隔第三步：将时间间隔T整量化而成数字量整量化而成数字量N 。 图图5 双积分型双积分型A/D转换电路的基本组成转换电路的基本组成1) 正向积分阶段正向积分阶段 通常，通常， 在进入此阶段之前，在进入此阶段之前， 积分电容上的电荷已积分电容上的电荷已经被清零，经被清零， 计数器也已经被清零。假设正向积分阶段计数器也已经被清零。假设正向积分阶段从从t0时刻开始，时刻开始， 则在此时刻逻辑控制电路让模拟开关则在此时刻

37、逻辑控制电路让模拟开关S1导通，导通， S2、 S3和和S4断开，断开， 同时打开控制门，同时打开控制门， 让时让时钟脉冲通过，钟脉冲通过， 从而使计数器开始对时钟脉冲计数，从而使计数器开始对时钟脉冲计数， 一一直到计数器累计的脉冲数达到直到计数器累计的脉冲数达到N1为止。为止。 假设时钟脉冲的周期为假设时钟脉冲的周期为Tcp， 则正向积分阶段所经则正向积分阶段所经历的时间为历的时间为T1N1Tcp。 在此期间，在此期间， 输入电压输入电压Ui经缓冲经缓冲放大器后加在积分电阻放大器后加在积分电阻R上，上， 则流过则流过R的电流为的电流为IUi/R， 并且此电流全部流进积分电容并且此电流全部流进

38、积分电容C。 如果在此期间如果在此期间Ui不变，不变， 则则C上的电压从零开始线性变上的电压从零开始线性变化，从而使积分器的输出电压也从零开始线性变化。化，从而使积分器的输出电压也从零开始线性变化。 若若Ui0， 则积分器的输出电压从零开始线性减小；则积分器的输出电压从零开始线性减小； 若若Ui0， 则从零开始线性增加，则从零开始线性增加， 如图如图6所示。所示。 而且，而且， Ui不不同时，同时， 积分器输出电压的变化速率也不同，积分器输出电压的变化速率也不同， 如图如图6中的中的直线和直线所示。直线和直线所示。 图图6 积分器的输出电压波形积分器的输出电压波形 (a) Ui0时的输出电压波

39、形；时的输出电压波形； (b) Ui0时的输出电压波形时的输出电压波形根据以上分析易知， 到正向积分阶段的结束时刻t1， 积分器的输出电压为icp1i1iINT1d110URCTNUTRCtURCUtt101010d1d1d1iiINTtttttttURCtRUCtICU当Ui在正向积分阶段内不为常量时， 式(2-17)可以写成当Ui在正向积分阶段内为常量时， 式(2-17)可以写成icp1i1iINT1d110URCTNUTRCtURCUtt(2-17)(2-18)(2-19)2) 反向积分阶段反向积分阶段 到到t1时刻，时刻， 逻辑控制电路首先断开逻辑控制电路首先断开S1， 同时让计数器清

40、同时让计数器清零，零， 并让并让S2或或S3导通，导通， 其它模拟开关状态不变。其它模拟开关状态不变。 于是，于是， 计数计数器又从器又从t1时刻开始累计时钟脉冲的个数。时刻开始累计时钟脉冲的个数。 至于应该让至于应该让S2还是还是S3导通，导通， 取决于正向积分阶段取决于正向积分阶段Ui的极性。的极性。 若若Ui0， 则让则让S2导导通，通， 使负的基准电压使负的基准电压UR 加到缓冲放大器的输入端；加到缓冲放大器的输入端； 若若Ui0， 则让则让S3导通，导通， 使正的基准电压使正的基准电压UR加到缓冲放大器的加到缓冲放大器的输入端。于是，输入端。于是， 积分器的输出电压开始反方向线性变化，积分器的输出电压开始反方向线性变化， 即即无论原来是正的还是负的，无论原来是正的还是负的， 绝对值均开始线性减小。绝对值均开始线性减小。 但是，但是， 与正向积分阶段不同的是，与正向积分阶段不同的是， 此时流出此时流出C的的电流电流I为常量，为常量， 即即IUR/R或或IUR/R。 因此，因此， 此阶此阶段积分器输出电压的变化速率固