《电气测试技术第5版》 课件 5.12 数字化测量仪表设计

02December20245.12数字化测量仪表设计5.12.1智能温度变送器设计5.12.2单片机电子称重系统的电路设计5.12.3单相电能计量系统设计02December20245.12.1.1智能温度变送器简介智能温度变送器在系统结构上分为电源管理模块、信号处理模块、数据运算模块、V/I变换模块，电路结构如图5-129所示。图5-129变送器结构图02December20245.12.1.2硬件设计1.电源管理模块普通的二线制变送器采用模拟器件来实现，因此对电源的功耗要求比较低，一般采78系列稳压模块，工作电流一般在1~2mA之间，但对于智能变动器来说相对较大。这里我们采用Maxim公司的高电压低功耗线性变换器MAX1616作为电压变换，如图5-130所示。图5-130电源管理模块电路02December20245.12.1.2硬件设计2.信号处理模块图5-131所示为信号处理模块电路，采用TI公司的TLC27L2完成信号的放大，TLC27L2是低功耗精密运算放大器，单电源供电，超低功耗（25℃，5V时，电流为19μA）。采用数字电位器X9c104和X9c504进行信号的调零及满量程调整。图5-131信号处理模块电路02December20245.12.1.2硬件设计3.数据运算模块数据运算模块是变送器的关键部件，它完成A/D转换、被测信号转换、键盘扫描、电压输出、信号分析处理及信息显示等功能。4.V/I变换模块V/I变换部分采用负载共地方式，由TI公司的高速低功耗精密运算放大器TLE2021、精密电阻R3、R4、R5、R6、Rf、T1组成。Vi为输入电压，Io为输出电流，Rf为采样反馈电阻，R5限流电阻，RL为负载电阻，R8为限流电阻。Rf采样电流信号以电压的形式加到运算放大器的输入端，而且极性与输入电压信号反相，形成一个电流并联负反馈电路。图5-134V/I变换模块电路02December20245.12.1.2硬件设计5.系统功耗由于要求智能变送器系统的整体静态电流小于4mA，所以必须保证所选器件为低功耗或超低功耗的芯片。经过实例，其中电源管理部分，主要器件MAX1616的静态电流为80μA、500μA、TLC2712的静态电流为120μA；数据运算部分主要器件C8051F017的静态电流近似为1mA；V/I转换部分主要器件TLE2021的静态电流为230μA、ICL7660的静态电流近似为200μA；其他部分散件的静态电流大约为500μA。02December20245.12.1.3软件设计1.A-D转换为了A/D转换器满足一定的转换精度，就必须让采样电路的保持电容有足够的充电时间，因此必须正确选择A/D转换的时钟源。系统采用1MHz晶振，A/D转换时钟周期选择16个系统时钟周期。图5-135系统软件流程02December20242.线性化处理热电阻的输出电压与被测温度之间也是非线性关系，对非线性的补偿，采用查表法和计算法结合的插值法。首先通过精密电阻箱模拟铂电阻的分度表，每隔5℃获取其10位A/D转换结果显示在LCD上，得到关于被测温度与A/D转换数值对应表。表5-15所示为温度在0~300℃时，C8051F017内部10位A/D转换器对应的数值。温度/℃A/D值温度/℃A/D值温度/℃A/D值0010536021071815371204132257673091135464240816451471505162558646020116576727092875254180618285977903071956683001023表5-15温度/(A/D)值对照表02December20243.D-A转换C8051F单片机的DAC（数模转换模块），可以将CPU运算处理的数字量转换为模拟量。C8051FDAC模块是12位、R阶、电压输出地数模转换模块。在使用的过程中可以被置成8位或12位转换模式，并能够与DMA控制器结合使用。当CPU内部有多个DAC模块时，CPU可以对他们统一管理，并能够做到同步更新。4.LCD显示由于该智能温度变送器具有现场显示功能，这里采用二线式串行接口的LCD液晶显示器进行显示。5.测试结果02December20245.12.2单片机电子称重系统的电路设计最近，国内相继开发出一批技术先进、功能强大的电子称重专用集成电路，典型产品有重庆中易电测技术研究所生产的ZEM系列、S8和S9系列专用IC，为实现电子称重系统的优化设计创造了有利条件。ZEM系列包括ZEM207、ZEM301、和ZEM303共3种型号，他们均属于多功能电子称重集成电路。其外围电路简单，成本低廉，无须配A/D转换器芯片。其运算精度可达16位以上，适合设计从最大称量为1g（分辨力为0.0002g）到最大称量500t（分辨力为0.1t）的全系列、几百个品种的电子称重系统，符合国际法制计量组织（OLML）No76-1规范中Ⅲ级电子秤的标准。02December20241.ZEM207型多量程电子称重成电路ZEM207支持6位共阳极LED数显和7个符号位、4×4键盘扫描、键盘标定、按键蜂鸣（即按下键时蜂鸣器发声）。具有自动清零、自动去皮（直接去皮或采用预置数的方法来去皮），清除、累计次数、累计重量、自动零位调整、零位自动跟踪等先进功能。

2.ZEM301型定量称重集成电路ZEM301除保留ZEM207的功能外，还增加了定量称重的新颖功能，可满足工业现场定量测控的需求。其静态设定精度为0.2%～0.02%，适用于液体定量灌装或固体的定量包装。

3.ZEM303型计价/称重集成电路

ZEM303增加了七位计价功能，金额累计可达十万元，适用于各种计价电子台秤。4.由ZEM系列构成的单片电子称重系统

02December20241.AD7751的性能特点AD7751是一种带故障检测功能的高精度单相电能计量IC。它是用CMOS工艺制成的高精度电能计量专用IC，可对50Hz或60Hz单相交流电进行电能计量。能将被测电功率转换成频率信号。内部有故障检测电路。电流通道中采用了增益可编程放大器（PGA）。抗干扰强。电流通道和电压通道的输入端专门设置了过压保护电路，可承受±6V的过电压。低能耗。采用+5V供电时典型功耗仅为15mW。5.12.3单相电能计量系统设计02December20242.电能计量的基本原理对于大多数电子式电能表，测量电能的原理基本相同，主要包括对电压和电流实时采样，将采样得到的电压和电流相乘，计算出有效值、有功功率、无功功率等。

3.AD7751的工作原理AD7751的基本工作原理是首先对电网电流和电压进行采样，再经过信号处理后以频率的形式输出，送给单片机