显示仪表第六章

第六章工业自动化数字显示仪表设计

我们要了解数字显示仪表设计的一般问题：如构成原理、标度变换、数字仪表的线性化等仪表设计中的实际问题。§6.1数字显示仪表的构成一数字显示仪表的基本构成原理（一）滤波

1.RC滤波

2.数字滤波

①算术平均法；②中值法；③加权平均法。（二）前置放大1.线性度好

2.具有高精度和高稳定性的放大倍数

3.具有高输入阻抗和低输出阻抗

4.零漂和噪声要小

5.抗干扰能力要强

6.具有较快的反应速度和过载恢复时间（三）参数的标准化和标度变换1.模拟量的标度变换①电阻信号的标度变换

一般说来，当数字显示仪表以电阻、电感、电容等元件参数的变换量作为输入信号时，通常都采用电桥来进行标度变换，以适当选取供桥电压或桥路电阻来达到标度变换的目的。

②电势信号的正确变换其标度变换就是通过选取前置放大器的放大倍数来解决的

③电流信号的标度变换④频率信号的标度变换数字仪表的输入为频率信号（如涡轮流量计的输出）时，可以采用频率－电压转换器，将频率转换为电压；也可采用计数累积的办法等来实现标度变换。由于频率计数的办法较容易实现，所以对频率信号的标度变换通常是在数字部分用乘系数的办法来解决

2.数字量的标度变换当被测参数经过模-数转换，从模拟量转换成数字量，以计数脉冲形式输出时，不将此计数脉冲直接送到计数译码器显示电路，而先经过数字运算器，乘或除以一个从0.1～0.9的任意值（根据需要也可乘除两位以上的多位数如0.001至0.999中的任意值）。

（四）数字显示、记录、报警和数字信号输出

1.数字显示

①被测量（包括正负极性、数值大小及小数点位置）②被测量单位③有的仪表附有时钟显示

2.记录打印

3.报警

4.数字量输出二工业数字显示仪表的特点（一）显示直观明了，无视差（二）大规模集成电路（三）仪表采用模块化设计（四）仪表品种繁多（五）线性化电路（六）数字编码输出（七）仪表外形标准化§6.2工业参数测量值的线性显示问题0℃≤t≤50℃－200℃＜t≤0℃

所谓数字仪表的“线性化”就是指，在把仪表非线性输入信号转换为线性化的数字显示过程中所采用的各种补偿措施。

对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。

(数字解析表达式，图解法)②根据所求得的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.

(折线逼近法)一线性化器特性的求取方法（一）开环补偿方式温度测量系统信号转换电路的方框图（二）反馈补偿方式

若测量仪表采用如图所示的非线性反馈环节进行补偿，则称之为闭环式非线性补偿方法。（三）增益补偿控制方式

工作在闭环负反馈状态，稳定性比较好。非线性补偿

常规数字仪表的非线性补偿方法三种方法：

1模拟非线性补偿法；

2非线性A／D转换法；

3数字非线性补偿法。式中xi

－折线的各转折点；

ki－

各折线段的斜率，ki＝tgαi。

由此可见，折线段数越多，折线越逼近曲线，准确度越高，但在进行补偿时实现的电路和计算也越复杂。（一）模拟非线性补偿

（二）非线性模－数转换补偿法非线性A／D转换补偿法是在将模拟量转换成数字量的过程中完成非线性补偿的。此时，仪表的整机方框图如图6－2－7所示。

在常用的A／D转换方法中，由于逐次反馈比较型采用了解码网络，所以只要适当选取解码网络中的电阻阻值，就可获得所要求的非线性A／D转换特性。

同样，若采用双积分A／D转换方式时，则可在转换过程中的第二次反向积分时不断改变积分电阻以改变积分时间常数，或利用基准电压的变化来达到积分电容放电速率的不断变化，从而获得所要求的非线性特性，以补偿输入信号的非线性，这就是非线性补偿的实质。①实际特性曲线；②线性特性曲线；③“以直线代替曲线”的折线

若按直线②进行转换，数字仪表的显示值N与温度t成线性关系，即

当被测温度变化了Δt时，根据直线②所确定的线性关系，对应的热电势为ΔUt

根据双积分线性转换原理，转换器输出的数字量为代入式（6－2－22）

而实际上仪表输入的是非线性信号，从图6－2－8中折线③可看出，对应于同一个Δt，实际热电势应为ΔUt′

显然，ΔUt与ΔUt′相差很大，若仍用线性转换则带来很大的误差。为了消除这种非线性影响，实现线性显示，可在转换器的正、反向积分阶段分别采用不同电阻值，这样转换器输出数字量为非线性补偿就是要使ΔN′＝ΔN，即整理后得式（6－2－22）和（6－2－25）分别代入式（6－2－27），可得

由此，可按照仪表所要求的线性斜率与各折线段斜率的比值来选取各反向积分电阻值，使反向积分的速度随各折线的斜率的变化而变化，进而实现非线性的模－数转换。

非线性模－数转换原理及转换器输出波形如图6－2－9所示。当输入一个Ui量，首先在T1时间内对输入信号进行正向积分。待采样阶段T1结束后，比较阶段开始。此时，开关V断开，V1接通，基准电压UR经电阻R1和电容C对积分器进行反向积分。同时打开计数门开始计数。

当计数时间达到T21时，逻辑控制将V1断开，V2接通，UR通过电阻R2和C对积分器进行反向积分，由于R1和R2阻值不同，所以积分器输出的斜率发生了变化。其波形见图6－2－9b。在T22、T23、T24时刻，使开关V3、V4、V5依次接通，直到积分器的输出为零。此时，计数器计得的数为

在对基准电压UR的反向积分过程中，每个开关是否全都动作一次，或依次接通几个完全由输入信号的大小来决定。②

A／D转换线性化(非线性A／D转换)是通过A／D转换直接进行线性化处理的一种方法。例如，利用A／D转换后的不同输出，经过逻辑处理后发出不同的控制信号，反馈到A／D转换网络中去改变A／D转换的比例系数，使A／D转换最后输出的数字量N与被测量x成线性关系。常用的有电桥平衡式非线性A／D转换。图为电桥平衡式非线性A／D转换的典型电路。图1电桥平衡式非线性A／D转换器图中热电阻Rt是电桥的一个桥臂，其余桥臂电阻分别为R1、R4、R2+R3和权电阻网络。由R～R／100组成的权电阻与R2并联，各权电阻由译码器通过相应的模拟开关控制。

图1电桥平衡式非线性A／D转换器当电桥平衡时，检零器输出为零，计数器不计数。随着温度升高，热电阻Rt阻值增加，电桥不平衡，检零器输出高电平，打开CP脉冲控制门，计数器进行加法计数，计数输出控制模拟开关，直至电桥平衡。

模拟开关根据计数值决定接上哪几只权电阻，一是使电桥趋于平衡，二是完成非线性校正。上式表明，热电阻Rt与接入的权电阻Rq成非线性关系。通过恰当地选取电桥的有关参数，可使被测温度t与权电阻Rq成线性关系。

Rt=R0(1+t)由图可见，电桥平衡时有（三）数字非线性补偿法

经A／D转换后，模拟量已经转化为数字量，但数字量与被测变量之间仍存在非线性，这时要对已获得的数字量进行线性化修正，实现数字式非线性补偿，常用方法是折线乘系数法，即仍是采用以折线代曲线的方法。

以图6－2－8所示的热电偶特性曲线为例来加以说明。实现数字非线性补偿的逻辑框图如图6－2－10所示。事先将图6－2－8中直线②的斜率与折线③各段斜率之比ki设置在系数运算器中。

一旦输入信号Ut≥Uti时，即计数器计至Nti值时，则发出一个信号到系数控制器，系数控制器使系数运算器进行乘k2运算，此时计数器的总输出脉冲为≤

依次类推，可得对应输入信号Ut＝Utn时，计数器的输出脉冲数为

当输入信号Ut小于Ut1时(图6－2－8及图6－2－9b所示)，系数控制器使系数运算器实现乘k1运算，计数器输出脉冲Nt为<

综上所述，所谓非线性补偿的基本方法是以折线代替曲线，把非线性曲线用线性折线来分段逼近，然后使各段折线的斜率变换成同一斜率，得到近似的线性。显然，当折线的线段越多，折线逼近曲线的程度越好，线性补偿的误差就越小。§6.3国产典型数字显示仪表一XZMA－200系列数字显示仪表它能与热电偶（E、K、S、B、T型分度号）；热电阻（Pt10、Pt100、Cu50、Cu100型分度号）；霍尔压力变送器；差压计；电阻远传压力计；电流输入信号有0～10mADC、4～20mADC；电压输入信号

0～5VDC、1～5VDC等各种工业参数进行数字显示。（一）仪表的主要技术指标1．测量范围

配用热电偶和热电阻的XZMA－200仪表的测量范围见表6－3－1；

2．显示准确度

0.5级；3．输入阻抗

电压信号≥100kΩ；电流信号等于10Ω；

4．工作环境

环境温度：0～50℃；相对湿度≤85％；无腐蚀性气体的场合；5．电源电压

220V±10％；50Hz/60Hz；6．消耗功率

≤6.5W。（二）配接热电偶电路

前置放大器的第一级为高精确度运算放大器构成的同相放大电路，它提高了仪表的输入阻抗，降低了包括外线电阻在内的信号源内阻对测量结果的影响。对于热电偶由于冷端温度变化而引起的热电动势的变化，仪表采用不平衡电桥构成的冷端补偿器进行补偿。设A1为理想运算放大器，从图中可见，其输出U01为RCu（t）－

温度t℃时，铜电阻阻值，RCu（t）＝R0＋ΔRt。令电阻R14＝R0（0℃时铜电阻阻值），R2＝R3＞＞RCu，即认为补偿器两桥臂电流相等。同时由于R8／R7＞＞1，故式（6－3－1）可化简为适当选择R2＝R3及R0的阻值，使

即可对热电偶冷端温度变化进行补偿。

前置放大器的第二级为反相放大电路，其输出热电偶热电动势经前置放大后，再送入非线性校正电路中进行非线性补偿。

（三）配接热电阻电路

采用了由运算放大器构成的R－V变换电路，如图6－3－3所示，R－V电路对热电阻提供一个恒定的电流it，则可在热电阻上取出与温度有关的电压信号。对于铜热电阻来说，该电压与被测温度呈线性关系，放大后直接送入A／D转换器转换成数字量；而对于铂热电阻，该电压在进行A／D转换之前，还需进行非线性校正。

推导R－V变换电路输出电压U0与电阻Rt的关系。首先假定运算放大器开环放大倍数K0和开环输入阻抗为无穷大，则可得以下三式：又因

U3＝K0（U2－U1）将式（6－3－4）、式（6－3－5）代入上式，并化简得将式（6－3－4）、式（6－3－5）代入上式，并化简得从式（6－3－6）得比较式（6－3－7）和式（6－3－8）得令R2＝R3＝R4＝RA，R1＝RA＋R5则式（6－3－9）可写成

式中

i＝Us／R5为常数，所以U0与Rt成比例。这里Us＝6V，取R5＝2kΩ，则流过Rt的电流i＝3mA。

随温度变化的热电阻变换为电压信号后，由放大器进行放大，放大电路原理线路图如图6－3－4所示。在忽略放大器输入阻抗等因素后，运算放大器A4的输出电压Ut为调节电位器RW，使则

最后，放大器的输出（四）非线性补偿电路在仪表中，对热电偶、热电阻与温度的非线性采用模拟非线性补偿法进行补偿。即根据实际测量要求以及所配传感元件，将热电偶、热电阻与温度的特性关系曲线分成数段，以折线代替曲线。然后利用二极管单向导电特性与运算放大器配合构成相应的折线电路。（五）A／D转换与显示电路

A／D转换采用了单片位CMOS双积分A／D转换器ICL7107。ICL7107除了具有转换准确度高，抗干扰能力强，输入阻抗高等其它型号的A／D转换器所共同的优点以外，还能直接驱动共阳极LED显示器，使仪表的结构进一步简化，降低了仪表的成本。

二XMZ型数字温度显示仪表

XMZ型数字显示仪表与上述XZMA－200系列数显仪表的最大不同是用软件实现非线性补偿和标度变换，去掉了复杂的硬件电路，使不同量程、不同分度号的改变只要更换EPROM芯片即可，十分灵活、方便，通用性强。

XMZ－101H型温度数字显示仪表的特点。（一）主要技术指标测量范围和分度号：－200～1999℃各种分度号热电偶；精确度：满度±0.5％±1个字；分辨力：1℃采样速率：3次／秒；显示方式：位LED数码管显示。（二）基本工作原理

XMZ－101H型仪表为单点简易数字式温度显示仪，配接热电偶测温，其原理方框图如图6－3－6所示。

仪表采用PN结冷端温度补偿器，制造工艺简单，补偿精度高；采用EPROM线性化器，精度高，不同热电偶只要更换EPROM芯片，就可以实现对应的温度非线性补偿。

（三）热电偶预处理电路热电偶预处理电路具有冷端温度补偿、断偶保护和滤波放大等功能。

由于二极管D1的PN结两端电压随温度变化，0℃时，PN结间电压约668mV，温度每升高1℃。，电压下降约2mV。设I1＝1mA，取I2＝0.05mA，由于I1＞＞I2，可以认为I1全部渡过R2，在0℃时有R5、R6选取用以补偿上限50℃时的E（50，0），对于S型热电偶，

在调试时，调节W1，使A点电位为688mV；将热电偶短接，调节W2，使仪表指示室温即可。

这样，数字式温度仪表本身具有了冷端温度自动补偿功能，相当于表内预置E（t0，0），