第四章显示仪表

1、第四章第四章 显示仪表显示仪表(二次仪表二次仪表)能将生产过程中各种参数进行指示、记录或能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累计的仪表累计的仪表显示仪表：显示仪表：n用途：在控制室内显示、记录生产操作各参数的变化情况。用途：在控制室内显示、记录生产操作各参数的变化情况。n分类：分类：1.模拟式：以指针的线位移或角位移模拟显示参数的变化情模拟式：以指针的线位移或角位移模拟显示参数的变化情况。况。工作原理：采用磁电偏转机构或机电伺服机构工作原理：采用磁电偏转机构或机电伺服机构特点：结构简单、工作可靠、价格便宜；但速度慢，可引起特点：结构简单、工作可靠、价格便宜；但速度慢，可引起读数误差。读数误差

2、。2.数字式：以数字形式直接显示参数大小。数字式：以数字形式直接显示参数大小。工作原理：模数转换后数字显示。工作原理：模数转换后数字显示。特点：速度快、精度高、读数直观便于和后续数字装置连用。特点：速度快、精度高、读数直观便于和后续数字装置连用。3.屏幕显示：将图形、曲线、字符和数字直接在屏幕上显示。屏幕显示：将图形、曲线、字符和数字直接在屏幕上显示。第一节第一节 模拟式显示仪表：模拟式显示仪表：n电子点位差计、电子自动平衡电桥，平衡式指示电子点位差计、电子自动平衡电桥，平衡式指示记录仪表，特点：测量精度高、工作可靠记录仪表，特点：测量精度高、工作可靠n一一.自动电子点位差计：自动电子点位差计

3、：n测量直流电压信号测量直流电压信号一一.自动电子点位差计：自动电子点位差计：n1.手动电位差计：手动电位差计：n电位差计的原理：电位差计是电位差计的原理：电位差计是采用补偿法测量电压。采用补偿法测量电压。n平衡条件：平衡条件： UCB=E tn在右图所示电路中，移动滑线变阻器上滑动头在右图所示电路中，移动滑线变阻器上滑动头C的，的，可以找到一处使检流计中电流为零。此时，可以找到一处使检流计中电流为零。此时，CB两两点的电压点的电压UCB = Et，与未知电动势相互补偿。若滑，与未知电动势相互补偿。若滑线变阻器上的电压分布事先标定，则可求出线变阻器上的电压分布事先标定，则可求出Et，这，这种测

4、量电动势的方法称为补偿法。种测量电动势的方法称为补偿法。EtRAU电压平衡原理图CB+-UCB电位差计：电位差计：n可见要精确测出可见要精确测出E t，必须要求分压器（滑，必须要求分压器（滑线变阻器）上的电压标定稳定而且准确。为线变阻器）上的电压标定稳定而且准确。为此，使用电位差计在电源回路中接入一个可此，使用电位差计在电源回路中接入一个可变电阻变电阻RH作为工作电流调节电阻。作为工作电流调节电阻。n为了校准分压器上的电压标定，需要一个已为了校准分压器上的电压标定，需要一个已知标准电动势知标准电动势EN,将它接入待测电压位置，将它接入待测电压位置，此时若检流计中没有电流，工作电流恒定，此时若检

5、流计中没有电流，工作电流恒定，分压器上电压标度值准确；若检流计中有电分压器上电压标度值准确；若检流计中有电流，说明标度改变了，需要调节流，说明标度改变了，需要调节RH使检流使检流计中电流为零。经过校准后，电位差计就可计中电流为零。经过校准后，电位差计就可以按标度值进行测量，这个过程称为电位差以按标度值进行测量，这个过程称为电位差计的标准化。经过标准化后，就可以使用电计的标准化。经过标准化后，就可以使用电位差计测量未知电压。为了避免由于工作电位差计测量未知电压。为了避免由于工作电源源E不稳定造成影响，在每次测量前或在连不稳定造成影响，在每次测量前或在连续测量过程中，要经常接通校准回路进行标续测量

6、过程中，要经常接通校准回路进行标准化工作。准化工作。EtRACB+-ENRNRHE1.校准工作电流2.测量热电势12电位差计测量电压优点：电位差计测量电压优点：n电位差计是一个电阻分压装置，可用来产生准确、已知、电位差计是一个电阻分压装置，可用来产生准确、已知、又有一定调节范围的电压，用它与被测电压比较，可以得又有一定调节范围的电压，用它与被测电压比较，可以得到被测电压值，使得被测电压的测量值仅取决于电阻和标到被测电压值，使得被测电压的测量值仅取决于电阻和标准电动势，因而可以达到较高的测量准确度。准电动势，因而可以达到较高的测量准确度。n在在“校准校准”和和“测量测量”中检流计两次都指示为零，

7、表明测中检流计两次都指示为零，表明测量时既不从标准回路内的标准电动势量时既不从标准回路内的标准电动势(通常是标准电池通常是标准电池)中，中，也不从测量回路中分出电流。因此不改变被测回路的原有也不从测量回路中分出电流。因此不改变被测回路的原有状态，同时避免测量回路导线电阻、标准电池内阻以及被状态，同时避免测量回路导线电阻、标准电池内阻以及被测回路等效内阻等对测量准确度的影响，这是补偿法测量测回路等效内阻等对测量准确度的影响，这是补偿法测量准确度较高的另一原因。准确度较高的另一原因。 UJ33D-1直流电位差计直流电位差计2.自动电子电位差计工作原理：自动电子电位差计工作原理：n用自动电机代替人手

8、进行电压平衡操作。用自动电机代替人手进行电压平衡操作。EtRA电位差计原理图CB+-UCB稳压电源可逆电机 自动电子电位差计主要功能是减少因各种因素引起电流变化而导致的测量误差,提高测量精度.。 手动电位差计的测量远远高于动圈式测温仪表,但是,手动电位差计的测量过程十分缓慢,自始至终需要人参与,不能进行连续测量；而自动电子电位差计是用可逆电动机及一套机械转动机构代替人手进行电压平衡操作，用放大器代替了检流计来测不平衡电压并控制可逆电动机的工作。电子电位差计保持了手动电位差计的测量精度高的优点，而且无需用手去调节就能自动知识和记录被测温度值。 电子电位差计的放大器作用电子电位差计的放大器作用n把

9、测量桥路送出的不平衡电势信号放大到足可推把测量桥路送出的不平衡电势信号放大到足可推动可逆电机的程度，以带动测量桥路中的滑线电动可逆电机的程度，以带动测量桥路中的滑线电阻，使测量桥路的电势与被测电势想平衡，达到阻，使测量桥路的电势与被测电势想平衡，达到测量电势的目的。测量电势的目的。3.自动电子电位差计测量桥路：自动电子电位差计测量桥路：n1.冷端温度补偿冷端温度补偿 R2n2.量程匹配量程匹配 RMn下限电阻下限电阻 RGn3.限流电阻限流电阻 R3 R4 EtR2R3RMRPR4RG4.自动电子电位差计结构：自动电子电位差计结构：热热电电偶偶测测量量桥桥路路放放大大器器可可逆逆电电机机稳压电

10、源稳压电源指示机构指示机构记录机构记录机构同步电机同步电机自动电子电位差计自动电子电位差计n电位差计接受来自热电偶电位差计接受来自热电偶或其它变送器的直流毫伏或其它变送器的直流毫伏毫安信号毫安信号,直流电桥接受来直流电桥接受来自热电阻或其它变送器的自热电阻或其它变送器的直流电阻信号直流电阻信号,指示和记录指示和记录温度或其它工业参量温度或其它工业参量,带附带附加功能加功能,可对被测对象进行可对被测对象进行定值控制、调节、报警等定值控制、调节、报警等 二二 自动电子平衡电桥自动电子平衡电桥n1.平衡电桥测温原理：平衡电桥测温原理：n当温度在下限时，电桥的平衡条件当温度在下限时，电桥的平衡条件是：

11、是：R3（Rt0+RP）=R2R4 n当温度升高后，平衡条件是当温度升高后，平衡条件是n(Rt0+Rt+RPr1) = R2(R 4+r1 ) n则：则：RtR3r1R3= R2r1nr1 =RtR3/ (R2+R3 ) n 滑动触点滑动触点B的位置就可以反映电的位置就可以反映电阻的变化，亦即反应了温度的变化。阻的变化，亦即反应了温度的变化。并可以看到触点的位移与热电阻的并可以看到触点的位移与热电阻的增量呈线性关系。增量呈线性关系。平衡电桥原理图平衡电桥原理图+-R3R4RtR2RPBr1r22 自动电子平衡电桥自动电子平衡电桥n自动平衡电桥的基本原理：自动平衡电桥的基本原理：n 将检流计换成

12、电子放大将检流计换成电子放大器器,利用被放大的不平衡电利用被放大的不平衡电压去推动可逆电机压去推动可逆电机,时可逆时可逆电机再带动滑动触片电机再带动滑动触片B 已已达到电桥平衡。达到电桥平衡。自动平衡电桥结构原理图RtR1R1R2R3R4Rnp=90R6r6r5三线制与外接调整电阻：三线制与外接调整电阻：n 热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热

13、电阻到中控室）也成桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。线线路电阻带来的测量误差。n工业上一般都采用三线制接法。工业上一般都采用三线制接法。 热电偶产生的是毫热电偶产生的是毫伏信号，不存在这个问题。伏信号，不存在这个

14、问题。 3.自动电子平衡电桥结构：自动电子平衡电桥结构：热热电电阻阻测测量量桥桥路路放放大大器器可可逆逆电电机机稳压电源稳压电源指示机构指示机构记录机构记录机构同步电机同步电机4 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n1）.输入信号不同。输入信号不同。n2）.作用原理不同。作用原理不同。n3）.考虑因素不同（冷端温度补偿）。考虑因素不同（冷端温度补偿）。n4）.测温元件与测量桥路连接方式不同。测温元件与测量桥路连接方式不同。第二节第二节 数字显示仪表数字显示仪表第二节第二节 数字式显示仪表数字式显示仪表数字仪表的优点:（1 1）指示精度高。）指示精度高。

15、（2 2）重复性好。）重复性好。 （3 3）分度均匀。）分度均匀。 （4 4）响应速度快、无抖动。）响应速度快、无抖动。 （5 5）可靠性有根本改善。）可靠性有根本改善。 （6 6）产品品质的稳定性和可靠性有根本保证。）产品品质的稳定性和可靠性有根本保证。 （7 7）通用性好。）通用性好。第五节第五节 数字显示仪表数字显示仪表n以数字形式（断续量）显示参数变化情况。以数字形式（断续量）显示参数变化情况。n分类：分类：（信号形式）（信号形式）n1.电压型：输入信号为电压电压型：输入信号为电压n2.频率型：输入信号为频率、脉冲及开关信号频率型：输入信号为频率、脉冲及开关信号分类：分类：数字式显示仪

16、表的基本组成数字式显示仪表的基本组成工艺变量工艺变量电流信号电流信号继电器动作或继电器动作或电流信号电流信号光柱显示光柱显示简化组成方框图简化组成方框图逻辑逻辑控制电路控制电路十进计数器十进计数器主门主门A1A2-+-+c积分器积分器比较器比较器时钟时钟Vo-VxVrefs1s212一一.数字显示仪表的原理和组成：数字显示仪表的原理和组成：n数字式显示仪是直接用数字量显示被测值数字式显示仪是直接用数字量显示被测值.首先要把连续变首先要把连续变化的模拟量转换为断续变化的数字量。化的模拟量转换为断续变化的数字量。n组成单元：模数转换、非线性补偿及标度变换三大部分组成单元：模数转换、非线性补偿及标度

17、变换三大部分二二.模模-数转换（数转换（A/D）n 模模-数转换主要任务是使连续变化的模拟量转换成比例的、数转换主要任务是使连续变化的模拟量转换成比例的、断续变化的数字量，便于进行数字显示。断续变化的数字量，便于进行数字显示。A/D转换器是数字转换器是数字仪表的仪表的“心脏心脏”。目前国内外生产的。目前国内外生产的A/D转换器已达数百种，转换器已达数百种，大致可分为五大类：大致可分为五大类：单片单片A/D转换器；转换器；单片单片DMM专用专用IC；多重显示仪表专用多重显示仪表专用IC；专供数字仪表使用的特制专供数字仪表使用的特制IC（ASIC）；）；其他通用型其他通用型A/D转换器，这种芯片仅

18、能完成转换器，这种芯片仅能完成模模/数转换，不能直接配数字仪表。数转换，不能直接配数字仪表。A/D转换器分类转换器分类 n1单片单片A/D转换器转换器所谓所谓单片单片A/D转换器转换器，是采用，是采用CMOS工艺将工艺将DVM的基的基本电路（含模拟电路和数字电路）集成在同一芯片上，配以本电路（含模拟电路和数字电路）集成在同一芯片上，配以LCD或或LED数显器件后能显示数显器件后能显示A/D转换结果的集成电路。它转换结果的集成电路。它们均属大规模集成电路，能以最简单方式构成们均属大规模集成电路，能以最简单方式构成DVM。若对其。若对其外围电路进行扩展，增加各种功能转换器，还可构成外围电路进行扩展

19、，增加各种功能转换器，还可构成DVM。2单片单片DMM专用专用IC单片单片DMM专用专用IC是是CMOS大规模集成电路和仪表技术大规模集成电路和仪表技术的结晶，使用一片的结晶，使用一片IC即可构成功能完善的自动量程数字多用即可构成功能完善的自动量程数字多用表。特别是专配表。特别是专配P的的DVM集成电路的问世，为开发具有高集成电路的问世，为开发具有高性价比的智能仪表和测试系统创造了有利条件。性价比的智能仪表和测试系统创造了有利条件。3多重显示仪表专用集成电路多重显示仪表专用集成电路多重显示仪表包括二重、三重、四重显示仪表，是国际多重显示仪表包括二重、三重、四重显示仪表，是国际90年代流行产品。

20、年代流行产品。模拟与数字信号转换器模拟与数字信号转换器 n模拟模拟/数字（数字（Analog/Digital）转换器）转换器:将模拟量转将模拟量转换成与之相应的数字量的装置。换成与之相应的数字量的装置。 nA/D转换过程主要包括采样、量化和编码三个过程转换过程主要包括采样、量化和编码三个过程组成。组成。n采样：把输入的连续时间变化的模拟量离散化，采样：把输入的连续时间变化的模拟量离散化，即变成时间域上断续的模拟量。即变成时间域上断续的模拟量。n量化：把采样取得的在时间域上断续但是在幅值量化：把采样取得的在时间域上断续但是在幅值上连续的模拟量进行整量化。上连续的模拟量进行整量化。n编码：把已经量

21、化的数字量用一定的代码表示输编码：把已经量化的数字量用一定的代码表示输出。出。模拟与数字信号转换器模拟与数字信号转换器量化单位量化单位输入电压输入电压Vx输入电压输入电压Vx指针读数指针读数数字量数字量0110010101000011001000010000量化单位越小，转换精度越高量化单位越小，转换精度越高1双斜积分式双斜积分式A/D转换器转换器n这种这种A/D转换器属于间接比较型中电压转换器属于间接比较型中电压-时间转时间转换方式，是将输入的模拟电压转换为时间间隔换方式，是将输入的模拟电压转换为时间间隔等参数，然后再转换成数字量的等参数，然后再转换成数字量的A/D转换器。转换器。n基本原理

22、：将一段时间内的模拟电压通过两次基本原理：将一段时间内的模拟电压通过两次积分，变换成与其平均值成正比的时间间隔，积分，变换成与其平均值成正比的时间间隔，然后由脉冲发生器和计数器来测量此时间间隔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。而得到数字量。n实质实质:V-T变换变换简化组成方框图简化组成方框图逻辑逻辑控制电路控制电路十进计数器主门A1A2-+-+c积分器积分器比较器比较器时钟Vo-VxVrefs1s2121双斜积分式双斜积分式A/D转换器转换器n它由积分器、比较器、模拟切换开关、控制电它由积分器、比较器、模拟切换开关、控制电路和计算显示部分等组成。路和计算显示部分等组成。t

23、T1T2T2V0V0Vx VxVxn两次积分，一次为被两次积分，一次为被测电压测电压Vx的定时积分，的定时积分，一次为标准电压一次为标准电压Vr的的定值定值反向积分。积分。V02逐次逼近比较式逐次逼近比较式A/D转换器转换器原理：与天平称重相似原理：与天平称重相似W/2砝码砝码待测待测W/4 W/8 W/16原则：大者弃，小者留原则：大者弃，小者留它的核心是逐次比较式它的核心是逐次比较式A/D转换器。转换器。2逐次逼近比较式逐次逼近比较式A/D转换器转换器n用一组基准电压与被测电压进行用一组基准电压与被测电压进行逐次比较，不断逼比较，不断逼近，最后达到一致基准电压的大小，就表示了被测近，最后达

24、到一致基准电压的大小，就表示了被测电压的大小。和被测电压相平衡的基准电压，以一电压的大小。和被测电压相平衡的基准电压，以一定二进制数码输出，就实现了定二进制数码输出，就实现了A/D转换过程。转换过程。n天平称重：天平称重：砝码：砝码：4 2 1 0.5 0.25 0.125 0.0625 n=1/2 (n-1)被测物体重：被测物体重：3.5626加码时：加码时： 4 2 1 0.5 0.25 0.125 0.0625 0 1 1 1 0 0 1 0.0625：量化单位：量化单位2逐次逼近比较式逐次逼近比较式A/D转换器转换器n电压模数转换：电压模数转换：n1.一套标准电压一套标准电压 解码网络

25、解码网络n2.比较鉴别器比较鉴别器 称重，是否保留称重，是否保留n3.数码寄存器数码寄存器 保存比较结果保存比较结果n4.控制线路控制线路 完成逐次比较并记录结果完成逐次比较并记录结果2逐次逼近比较式逐次逼近比较式A/D转换器转换器n逐次逼近比较式逐次逼近比较式A/D转换转换器的工作原理如图所示。器的工作原理如图所示。主要组成部分有：数字模主要组成部分有：数字模拟转换器、比较器、移位拟转换器、比较器、移位寄存器、数据寄存器、时寄存器、数据寄存器、时钟以及逻辑控制电路等。钟以及逻辑控制电路等。逐次逼近比较式数字电压表原理框图逐次逼近比较式数字电压表原理框图I027RK0I126RK1I225RK

26、2I324RK3I423RK4I522RK5I621RK6I720RK7基准电压基准电压Us-+ARU0逐次比较式逐次比较式A/D主要电路元件有比较器、控制器主要电路元件有比较器、控制器、逐次逼近寄存器、逐次逼近寄存器SAR、缓冲寄存器、译码器和、缓冲寄存器、译码器和模模/数数(D/A)转换器。转换器。三三.电子计数器：电子计数器：n 计数器一般是由多个双稳态触发器组成。可以计数器一般是由多个双稳态触发器组成。可以对接受的脉冲进行逢十进一的计数。此外，还能对接受的脉冲进行逢十进一的计数。此外，还能通过译码器译成十个状态，驱动数码管，将被测通过译码器译成十个状态，驱动数码管，将被测数据显示出来。

27、数据显示出来。晶体振荡器晶体振荡器闸门闸门计数器计数器放大整形放大整形fATBN=fA TB被测信号被测信号四四.寄存器：寄存器：n 寄存器的作用是计数器的某一状态保存下来，寄存器的作用是计数器的某一状态保存下来，共译码器使用，而把计数器的其他状态与译码器共译码器使用，而把计数器的其他状态与译码器隔开不予显示。隔开不予显示。五五.显示器：显示器：n 在数字显示器中，测量的结果都是用数字形式在数字显示器中，测量的结果都是用数字形式直接显示出来。显示器就是用来显示的。直接显示出来。显示器就是用来显示的。电子显示器件n1.1.真空荧光管（真空荧光管（VFD)VFD)原理原理: :当阴极灯丝当阴极灯丝

28、1 1通电时，灯丝发热，释放电子，电子被电通电时，灯丝发热，释放电子，电子被电位较高的栅格位较高的栅格2 2吸引，并穿过栅格，均匀地打在电位最高的屏吸引，并穿过栅格，均匀地打在电位最高的屏幕字符段幕字符段3 3上。凡是由电子开关控制通电的字符段受电子轰击上。凡是由电子开关控制通电的字符段受电子轰击后发亮，而未通电的字符段发暗。这样通过控制字符段通电后发亮，而未通电的字符段发暗。这样通过控制字符段通电状态，就可形成不同的显示数字。状态，就可形成不同的显示数字。n2.2.液晶显示器液晶显示器: :当液晶不加电场时，液晶的分子排列方式可将来自垂直偏光当液晶不加电场时，液晶的分子排列方式可将来自垂直偏

29、光镜的垂直方向的光波旋转镜的垂直方向的光波旋转9090 ，再经水平偏光镜后射到反射镜，再经水平偏光镜后射到反射镜上，经反射后按原路回去，这时透过垂直偏光镜看液晶时，上，经反射后按原路回去，这时透过垂直偏光镜看液晶时，液晶呈亮的状态。液晶呈亮的状态。六六.非线性补偿：非线性补偿：n 数字式显示仪表的非线性补偿，就是将被测参数字式显示仪表的非线性补偿，就是将被测参数从模拟量转换到数字显示这一过程中，如何使数从模拟量转换到数字显示这一过程中，如何使显示值和仪表的输入信号之间具有一定的规律的显示值和仪表的输入信号之间具有一定的规律的非线性关系，以补偿输入信号和被测参数之间的非线性关系，以补偿输入信号和

30、被测参数之间的非线性关系，从而使显示值河北测参数之间呈线非线性关系，从而使显示值河北测参数之间呈线性关系。性关系。七七.标度变换：标度变换：n 标度变换实质的含义就是比例尺的变更。标度标度变换实质的含义就是比例尺的变更。标度变换器可以采用对模拟量先进行标度变换后，再变换器可以采用对模拟量先进行标度变换后，再送至模送至模-数转换器变成数字量；也可以先将模拟量数转换器变成数字量；也可以先将模拟量转换成数字量后，再进行数字式标度变换。转换成数字量后，再进行数字式标度变换。数字仪表的发展趋势数字仪表的发展趋势n采用新技术、新工艺，由采用新技术、新工艺，由LSI和和VLSI构成的新型数字仪构成的新型数字

31、仪表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的一场革表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。命，也开创了现代电子测量技术的先河。n1广泛采用新技术，不断开发新产品广泛采用新技术，不断开发新产品n2模块化的发展方向模块化的发展方向n新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。预计在新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。预计在不久的将来，许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模不久的将来，许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。块所构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。表面安装技术（表面安装技术（SMT）和表面安装元器件（）和表面安装元器件（SMD）将获）将获得普遍应用。这项技术被誉为世界电子工艺技术的一项重要突得普遍应用。这项技术被誉为世界电子工艺技术的一项重要突破。所谓表面安装是将微型化的表面安装集成电路（破。所谓表面安装是将微型化的表面安装集成电路（SMIC）和表