数字压力显示仪表设计 毕业设计.doc

毕 业 设 计 2010 年 7 月 30 日 东北石油大学课程设计任务书 课 程 数字显示仪表课程设计 题 目 数字压力显示仪表设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 自动化 08-11 班 学生姓名 学生学号 指导教师 课程 数字显示仪表课程设计 题目 数字压力显示仪表设计 专业 自动化 姓名 学号 080601141127 主要内容 在面包板上安装一台单片 a/d 转换器 7107 或 7106 组成的 02v 通用表头。配接压 力传感器（应变片式、扩散硅式或其它类型压力传感器） ，制成数字压力显示仪表。 基本要求 （1）根据实验室所提供的元件、材料，设计并描绘电路接线图。最后在面包板上接插 显示仪表的电路。 （2）由于元件、材料要反复使用，在接插过程中要小心，不要故意破坏元件。 （3）在整个课程设计中，要学会实验室基本仪器、工具有使用方法。 （4）各小组配备的万用表、工具精心使用，如有故意损坏、丢失、要按价赔偿。 主要参考资料 1刘润华,刘立山.模拟电子技术m.山东：石油大学出版社 ,2003. 2彭介华.电子技术课程设计指导m.北京：高等教育出版社 ,1997. 3孙肖子,刘刚 等.传感器及应用m.北京：电子工业出版社 ,1996. 4徐爱钧.智能化仪表测量控制原理与设计m. 北京：北京航空航天大学出版社, 1995. 完成期限 2010.7.19-2010.7.30 指导教师 专业负责人 2010 年 7 月 12 日 目 录 第 1 章 数字显示仪表的工作原理1 1.1 数字显示仪表的发明 1 1.2 数字显示仪表的构成及原理 1 1.3 数字显示仪表的技术指标 3 1.4 线性化问题 4 1.5 信号的标准化及标度转换 4 第 2 章 数字显示仪表的设计6 2.1 主要部件介绍 6 2.2 数显仪表的设计 7 第 3 章 数字显示仪表的安装10 3.1 数字显示仪表安装所需元器件及介绍 10 3.2 数显部分的安装 12 3.3 电源部分的安装 13 3.3 将数显部分，电源部分与其他部分组合 14 第 4 章 结论与体会16 参考文献17 数字显示仪表课程设计 1 第 1 章 数字显示仪表的工作原理 1.1 数字显示仪表的发明 20 世纪 50 年代初，世界上出现了第一台数字显示仪表。近五十年来，随着 现代科学技术的迅猛发展，尤其是数字化测量技术、半导体技术、大规模集成电 路技术及计算机技术在仪表中的应用，使数字仪表很快地从电子管式、晶体管式 发展到目前集成电路式和带有微处理哭的数字仪表。数字仪表的出现适应了科学 技术及自动化生产过程中高速、高准确度测量的需要，它具有模拟仪表无法比拟 的优点。 数字式显示仪表是一种具有模/数转换器并以十进制数码形式显示被测变量值 的仪表，它与各种传感器、变送器配套，可以显示出各种不同的参数。与模拟显 示仪表相比，数字式仪表具有精度高、功能全、速度快、抗干扰能力强等优点， 它体积小、耗电低、读数直观，且能将测量结果以数字形式输入计算机，以而实 现生产过程自动化。 1.2 数字显示仪表的构成及原理 数字仪表的主要特点有：准确度高、分辨力高、无主观读数误差、测量速度 快、能以数码形式输出结果。 数显仪表按工作原理分为：不带微处理器和带微处理器的。其原理框图如图 1 所示。 图 1 数字显示仪表的方框图 数字显示仪表课程设计 2 不带微处理器的仪表，通常用运算放大器和中、大规模集成电路来实现；带 微处理器的仪表，是借助软件的方式来实现原理框图中的有关功能。 不带微处理器的数显仪表一般应具备模数转换，非线性补偿及标度变换三大 部分，这三部分又各有很多种类，三者间相互巧妙的组合，可以组成适应于各种 不同要求场合的数字式显示仪表。尽管数字仪表的品种繁多，原理各不相同，但 其基本构成形式可由图 2 所示的主要环节组成。模一数转换器是数字仪表的核心， 以它为中心，将仪表分为模拟和数字两大部分。 图 2 数字显示仪表的基本构成 仪表的模拟部分一般设有滤波、前置放大器和模拟开关等环节。 仪表的数字部分一般由计数器、译码器、时钟脉冲发生器、驱动显示电路以 及逻辑控制电路组成。 在数字仪表中，逻辑控制电路起着指挥整个仪表各部分协调工作的作用。它 是数字仪表中不可缺少的环节之一。 另外，高稳定的基准电源和工作电源也是数字仪表的重要组成部分。 数字仪表的出现和发展是与计算机技术、电子技术等现代技术的发展紧密相 关的，它的优越性和广泛的应用使传统的模拟仪表受到严重挑战。目前出现的一 种新型、采用固体电路和模拟显示的面板表一光柱式（条图式）仪表就兼有数字 和模拟式仪表的优点。 数字显示仪表课程设计 3 1.3 数字显示仪表的技术指标 1.3.1 显示位数 以十进制显示被测变量值的位数称为显示位数。能够显示“09”的数字位 称为“满位” ；仅显示 1 或不显示的数字位，称为“半位”或“ 位” 。工业用数 字温度显示仪表的显示数常为 3 位，可显示-19991999。高精度的数字表显示 位数目前达到 8 位。 1.3.2 仪表的量程 仪表标称范围的上、下限之差的模，称为仪表的量程。量程有效范围上限值 为满度值。 1.3.3 精度 目前数字式显示仪表的精度表示法有三种：满度的a%n 字、读数的 a%n 字、读数的a%满度的 b%。 1.3.4 分辩力和分辨率 数字仪表的分辩力是指末位数字改变一个字所对应的被测变量的最小变化值， 它表示了仪表能够检测到的被测量最小变化的能力。数字式显示仪表在不同量程 下的分辩力是不同的，通常在最低量程上具有最高的分辩力，并以此作为该仪表 的分辩力指示。分辩率指仪表显示的最小值与最大数值之比。 1.3.5 输入阻抗 数字式显示仪表是一种高输入阻抗的仪表，输入阻抗可达 1012。 1.3.6 抗干扰能力 数字式显示仪表一般用串模干扰抑制比和共模干扰抑制比来表征抗干扰能力 大小。 串模干扰抑制比（smr）为： smr=20lg 共模干扰抑制比（cmr）为： cmr=20lg smr 和 cmr 的单位是分贝，数值越大，表示数字仪表的抗干扰能力越强， 一般直流电压型数显仪表的串模干扰抑制比为 2060db，共模干扰抑制比为 数字显示仪表课程设计 4 120160db. 1.4 线性化问题 对于显示仪表来说，一般希望它的刻度方程是线性的，以保证在整个测量范 围内有恒定的灵敏度。实际上由于大多数传感器特性非线性，测量电路具有非线 性元件或者转换关系非线性等原因，造成仪表输入信号与被测物力量之间存在程 度不同的非线性。 非线性问题在模拟显示仪表设计中也是同样存在的，但在模拟显示仪表中可 以通过仪表标尺的非线性刻度来解决，以便直接读出被测参数的数值。而在数字 仪表中常用的二进制或二-十进制数码其本身是线性递增或递减的。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化为线性化的数字显示过程中 所采用的各种补偿措施。常规数字仪表的非线性补偿方法很多，有以下三种：一 是可以将非线性被测参数在 ad 转换之前的模拟电路中进行非线性补偿，这种 方法称为模拟非线性补偿法；二是在 ad 转换过程中进行非线性补偿的 ad 转换法；三是在 ad 转换之后的数字电路部分进行补偿的数字非线性补偿法。 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化特性。 非线性特性的求取可用数字解析表达式，也可用图解法求得。 （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，而对非线性曲线的处理一般都采用折现逼近法。 1.5 信号的标准化及标度转换 由检测元件或传感器送来的信号的标准化或标度变换是数字信号处理的一项 重要任务，也是数字显示仪表设计中必须要解决的问题。 一般情况下，由于被测量和显示的过程参数多种多样，因而仪表输入信号的 类型和性质千差万别。即使是同一种参数或物理量，由于检测元件和装置的不同， 输入信号的性质的电平的高低等也不相同。 以测温为例，用热电偶作为测温元件，得到的是电势信号；以热电阻作为测 数字显示仪表课程设计 5 温元件，输出的是电阻信号；而采用温度变送器时，其输出又变换为电流信号。 不仅信号的类别不同，且电平的高低也相差极大。这就不能满足数字仪表或数字 系统的要求。因此必须将这些不同性质的信号，或者不同点评的信号统一起来， 这叫输入信号的规格化，或者称为参数信号的标准化。 这种规格化的统一输出信号可以使电压、电流或其他形式的信号。目前国内 采用的统一直流信号电平有以下几种：010ma,030mv,040.95mv,050mv 等。 对于过程参数测量用的数字显示仪表的输出，往往要求用被测变量的形式显 示，例如：温度、压力、流量、液位等，就存在“标度变换”的问题。图 3 为一 般数字仪表组成的原理框图。其刻度方程可表示为 y=s1s2s3x=sx (1-3) 图 3数字仪表的标度变换 式中 s 为数字式显示仪表的总灵敏度和或称标度变换系数；s1 、s2、s3 分 别为模拟部分、模-数转换部分、数字部分的灵敏度或标度变换系数。因此标度变 换可以通过改变 s 来实现，且使显示的数字值的单位和被测变量或物理量的单位 一致。通常当模- 数转换装置确定后，则模-数转换系数 s2 也就确定了，要改变标 度系数 s，可以改变模拟转换部分的转移系数 s1；也可以通过改变数字部分的转 换系数 s3 来实现。前者称为模拟量的标度变换，后者称为数字量的标度变换。 因此标度变化可以在数字部分进行，也可在模拟部分进行。 y 数字 输出 x 模 拟输入 s1 s2 s3模拟 部分 模数 转换 数字 部分 数字显示仪表课程设计 6 第 2 章 数字显示仪表的设计 2.1 主要部件介绍 2.1.1 电源部分 由于数显部分要使用 6v 的电源，这里采用的两个三端集成稳压器。其中 7806 为固定标准正电压稳压器；7906 为固定标准负电压稳压器。 电源电路的器件包括电源变压器，整流桥，集成稳压器及电容。 整个电路安装在一块印刷线路板上，安装时要使用电烙铁。为了使用该电源 的安全性，可靠性。 2.1.2 表头部分 万用表的组成部分。它是一只高灵敏度的磁电式直流电流表，万用表的主要 性能指标基本上取决于表头的性能。表头的灵敏度是指表头指针满刻度偏转时流 过表头的直流电流值，这个值越小，表头的灵敏度愈高。测电压时的内阻越大， 其性能就越好。表头上有四条刻度线，它们的功能如下：第一条（从上到下）标 有 r 或 ，指示的是电阻值，转换开关在欧姆挡时，即读此条刻度线。第二条标 有和 va，指示的是交、直流电压和直流电流值，当转换开关在交、直流电压 或直流电流挡，量程在除交流 10v 以外的其它位置时，即读此条刻度线。第三条 标有 10v，指示的是 10v 的交流电压值，当转换开关在交、直流电压挡，量程在 交流 10v 时，即读此条刻度线。第四条标有 db，指示的是音频电平。 2.1.3 平衡电桥部分 电桥一般分线式电桥和箱式电桥，其原理基本上是一样的，就是一组接有好 多电阻和电表的电路图，当线路某两个特定的接点的电势相等时，就称其电桥平 衡，常用它来精确地测电阻. 2.1.4 放大器部分 增加信号幅度或功率的装置，它是自动化技术工具中处理信号的重要元件 。放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供 。对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强。对于非线性放大器，输出 数字显示仪表课程设计 7 则与输入信号成一定函数关系。放大器按所处理信号物理量分为机械放大器、机 电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子 放大器。随着射流技术的推广，液动或气动放大器的应用也逐渐增多。电子放大 器又按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器 ，其中又以晶体管放大器应用最广。在自动化仪表中晶体管放大器常用于信号的 电压放大和电流放大，主要形式有单端放大和推挽放大。此外，还常用于阻抗匹 配、隔离、电流-电压转换、电荷-电压转换以及利用放大器实现输出与输入之间 的一定函数关系。 总原理图 2.2 数显仪表的设计 数字显示电路部分的安装要在面包板上进行，压力传感器，电源部分不在面 包板上。由于数显部分需要 6v 的电源，因此，电源要在另外的印刷电路安装， 以给数显部分供电。 2.2.1 电源部分设计 由于数显部分要使用 6v 的电源，这里采用的两个三端集成稳压器。其中 图 4 数显压力表原理图 数字显示仪表课程设计 8 7806 为固定标准正电压稳压器；7906 为固定标准负电压稳压器。 电源电路的器件包括电源变压器，整流桥，集成稳压器及电容。 整个电路安装在一块印刷线路板上，安装时要使用电烙铁。为了使用该电源 的安全性，可靠性。 2.2.2 表头部分设计 对于高阻的数字表头来说，可以近似认为被测电阻串联的电阻上分得的电压 可换算为其阻值，如果恒流，则该电压无法表示被测电阻的阻值。因为阻值越大 时，电流越小，所以被测电阻上的电压越低，而串联的分压电阻上电压相应升高， 与阻值成正比，一旦恒流，总电压就变成可变的，那么另一电阻上的电压就不一 定符合阻值的要求了。 2.2.3 平衡电桥的设计方案 仪器和器材 ：直线电桥，检流计，简式电阻箱，滑动变阻器，单刀开关型） ， 干电池 2 节，导线若干。 实验方法 ： 1. 将直线电桥的电阻丝 ab（附在标尺上） 、电阻箱 ra、rb，检流计 g，滑动 变阻器 r0，电源 e 和开关 s 接成如图 2-3 所示电路。d 为电阻丝上滑动头，并带 有按键开关，将 d 按下时，桥的支路才接通。电阻丝 ab 粗细均匀，故其阻值与 长度成正比。 电路接好后应进行全面检查，特别要检查电阻箱 ra、rb 的接触是否良好， 触头处电路是否畅通。检查后把 r0 的阻值调至最大。 2调整电阻箱 ra 和 rb 的阻值，使 ra/rb15。合上开关 s，将滑动头 d 移至 ab 的中央。瞬时按下滑动头 d 的按键开关，观察检流计指针偏转的大小及 方向，然后将 d 向某方向移动几厘米，再按下按键开关，此时检流计指针如偏转 减小，则继续沿这方向移动 d，直至检流计中的电流为零，这时滑动头 d 所在位 置就是电桥平衡的位置。如果 d 向该方向移动后，在按下按键开关时检流计的指 针偏转增大，说明平衡位置不在这边，应向反方向移动 d。 为了准确找到平衡位置，可减小 r0 的阻值，提高电桥 ab 间的电压，以提 高其灵敏度。缓慢移动 d 的位置，并反复“接通” 和“ 断开”按键开关，若检流计指 针确实不偏转，就可以认为电桥达到平衡了。 数字显示仪表课程设计 9 量出 ad 和 db 的长度 l3 和 l4，连同 ra 和 rb 的值一同记入下表中。 3改变电阻 r1 和 r2 的值，使 ra：rb2 和 ra：rb05，按步骤 2 的 要求重做实验，并将结果填入下表中。 4根据上表的记录，可得出直线电桥平衡时，ra、rb 、rx （l3 ） 、 r0（l4）之间应满足关系： ra：rbrx：r0 2.2.4 放大器部分设计 由 3 个通用型运放 lm741 组成三运放仪表放大器电路形式，辅以相关的电 阻外围电路，加上 a1，a2 同相输入端的桥式信号输入电路，如图 5 所示。 图 5 放大器总电路图 数字显示仪表课程设计 10 第 3 章 数字显示仪表的安装 3.1 数字显示仪表安装所需元器件及介绍 3.1.1 面包板 整板使用热固性酚醛树脂制造，板底有金属条，在板上对应位置打孔使得元 件插入孔中时能够与金属条接触，从而达到导电目的。一般将每 5 个孔板用一条 金属条连接。板子中央一般有一条凹槽，这是针对需要集成电路、芯片试验而设 计的。板子两侧有两排竖着的插孔，也是 5 个一组。这两组插孔是用于给板子上 的元件提供电源。 母板使用带铜箔导电层的玻璃纤维板，作用是把无焊面包板固定，并且 引出电源接线柱。 3.1.2 led 数码显示管 在各种显示器中，lcd 的功耗最低，led 的发光响应时间最短，寿命最长。 因此，目前的数字仪表大多采用 led 或 lcd 显示器，它们都能由集成电路直接 驱动。 发光二极管是采用半导体材料制成的，能将电信号转化成光信号的结型电压 发光器件。 数字显示仪表课程设计 11 3.1.3 icl7107 双积分 a/d 转换器 icl7107d 模拟部分每个 转换周期分为自校零位、信号 积分（采样） 、反相积分（比 较）三个阶段。 由于 icl7107 驱动 led 显示器，因此它的数字电路部 分较 icl7106 略有差异，因为 驱动 lcd 不仅要有锁存器， 还要有驱动 lcd 的公共电极 所需要的对称方波电源（驱动 led 无需这一点源） ，但驱动 lcd 几乎不需要电流，而驱动 led 每断需 58v 电流（吸入） ，因此两 图 7 icl7107 示意图 者输出部分略有不同。 显示器采用七断显示方式，其中个位、十位和百位十字部分分成 a、b、c、d、e 、f、g、七断，再加上千位 k 和符号位 p，不同断发光，可以显示 出不同的数字。对 7107：来说，因为发光二极管需要极大驱动电流，故驱动电流 吸入电流增大至 8ma，对千位数字，k 断有两个显示断，所以 7107 的第 19 脚吸 收电流可达 16ma。 3.1.4 lm324 运算放大器 lm324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源 应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在 低到 3.0 伏或者高到 32 伏的电源下，静态电流为 mc1741 的静态电流的五分之一。 共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必 要性。每一组运算放大器可用图 3 所示的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中 “+”、 “-”为两个信号输入端， “v+”、 “v-”为正、负电源端， “v0”为输出端。两个信号 图 6 管脚排列及内部结构 数字显示仪表课程设计 12 输入端中，vi-（- ）为反相输入端，表示 运 放 输 出 端 v0的 信 号 与 该 输 入 端 的 位 相 反；vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 v0 的信号与该输入端的相位相 同。 图 8 lm324电路图 3.1.5 mc1403 基准电源 mc1403 是低压基准芯片。一般用作 812bit 的 d/a 芯片的基准电压等一些 需要基本精准的基准电压的场合。因为输出是固定的，所以电路很简单。就是 vin 接电源输入，gnd 接底，vout 加一个 0.1uf1uf 的电容就可以了。 vout 一般用作 812bit 的 d/a 芯片的基准电压 输出电压: 2.5 v /- 25 mv 输入电压范围: 4.5 v to 40 v 输出电流: 10 ma 图 9 mc1430示意图 3.2 数显部分的安装 根据绘制的接线图，首先在面包板上吧 7107 和四个数码管的位置确定好， 为了便于显示，一般要把四个数码管放在上方。然后以接线方便为原则，确定 7107 的位置。同时要考虑“电源” 、 “电源” 、 “地”线的接法。其它芯片、电 阻、电容、电位器等围绕 7107 就近安排位置。 学生绘制的接图需经过指导教师检查，检查无误后，才可以进入实际插接阶 段。 数字显示仪表课程设计 13 插接导线时要“细心，细心，再细心!”,丝毫马虎不得，否则日后检查起来将 十分麻烦；插接导线时要注意保证导线的牢固，整齐，美观。 插接导线时要使用“扒皮钳子”， “斜口钳子”和“镊子”等工具。保证插接 牢固。同时掌握以上工具的使用方法。 同组同学要相互研究，分析电路，以保证接插的正确性。人人动脑筋，人人 参与安装，人人有收获。 经指导教师检查面包板的线路插接正确无误后，才可能通电调试。 3.3 电源部分的安装 由于数显部分要使用5v 的电源，这里采用两个三端集成稳压器。其中 7806 为固定标准正电压稳压器；7906 为固定标准负电压稳压器。电源原理图如 图 10 所示。 21 3 2 1 30.3 3 + 20 00 cw78 cw78 2 20v d 1 d 2 d 3 d 4 0.3 3 0.1 0.1 +v 。 - v。 图 10 正，负输出电压电路 数字显示仪表课程设计 14 cw7806、cw7906 的引脚图见图 11 和图 12 所示。 图 11 cw7806引脚 图 12 cw7906引脚 vin vo ut gn d vin v out gn d 电源电路的器件包括电源变压器、整流桥、集成稳压器及电容。 整个电路安装在一块印刷线路板上，安装时要使用电烙铁。为了使用该电源 的安全性、可靠性。因此，在设计时要考虑线路布置合理，强电与弱电之间要留 有相当的距离。同时注意 220v 电源线的引入方向、安全，防止短路，输入 5v 电源要有“接线端子” 。 电源的安装部分首先要根据电原理图绘制印刷电路板的接线图，学生绘制的 接