数字显示调节仪表原理和维修.doc

数字显示调节仪表原理及维修华东化工学院出版社目 录1 概述-（1）1.1 数字显示调节仪表的特点和组成-（1）1.2 数字显示调节仪表的分类和命名-（4）1.3 主要技术指标-（6）2 电路基础-（8）2.1 运算放大器-（8）2.2 A/D转换器-（19）3 模块电路原理-（38）3.1 DVM模块-（38）3.2 热电偶信号变换和放大模块-（44）3.3 非线性补偿模块-（51）3.4 折线法开方模块-（57）3.5 RV转换及热电阻的非线性补偿模块-（59）3.6 六端电桥RV转换模块-（66）3.7 IV和VV交流电平转换模块-（70）3.8 VI转换模块-（72）3.9 LED电平显示模块-（78）3.10 巡检模块-（81）3.11 位式调节模块-（86）3.12 时间比例调节模块-（89）3.13 比例积分微分连续调节模块-（97）4 整机电路及仪表的调校与维修-（107）4.1 XMB型数字显示报警仪-（107）4.2 XMZA 105K型数字显示仪-（116）4.3 XMT 131型数字显示调节仪-（120）4.4 XMT 192型数字显示调节仪-（129）4.5 XMD 12型数字显示巡检仪-（135）4.6 无触点数字显示巡检仪-（141）5 数字显示调节仪表应用实例-（149）5.1 XMZA 105K型仪表的应用实例-（149）5.2 带外供电源的XMZB 105型仪表的应用实例-（151）5.3 XMTA 122型仪表的应用实例-（151）5.4 XMT 141型仪表的应用实例-（152）5.5 位式调节仪表的应用-（153）附录 思考题与习题-（158）附录 数字温度指示仪检定规程-（164）附录 常用元器件技术数据-（177）附录 典型仪表的外形-（202）1 概 述数字显示仪是一种具有模数转换器并以十进制数码形式显示被测量值的仪表，仪表内部再配置某种调节电路或控制机构就成为数字显示调节仪。人们习惯上将各种不同功能的数字显示调节仪通称为数显仪表。数显仪表的发展已有数十年的历史。自从英特希尔（INTER-SIL）公司率先推出单片集成电路 位模数转换器以来，仪表的结构和性能有了新的突破：线路得以简化，精度显著提高，仪表的可靠性也大大增强。微电子技术的迅速进展和新型半导体器件的不断出现，更使其功能日臻完善。数字显示调节仪正以其明显的优越性冲击着传统的模拟仪表，并逐渐取而代之。数字显示调节仪表能与多种传感器配合，对工业生产过程的温度、压力、流量、液位等各种工艺参数及电流、电压等电工量进行数字显示，并可进行巡回检测、越限报警和实现生产过程的自动控制。它能广泛地取代指针式电流电压表、动圈式指示调节仪及各种简易调节器，应用于石油、化工、冶金、电力、轻工、纺织、医药、食品等工业部门。数字显示调节仪按其结构可分为带微处理器和不带微处理器的两种类型，本书主要阐述不带微处理器的简易型数字显示调节仪表。1.1 数字显示调节仪表的特点和组成1.1.1 数字显示调节仪表的特点数字显示调节仪表得到如此广泛的应用，主要由于它具有以下特点：（1） 用数码管和光柱显示测量值或偏差值，直观明了，读数方便，无视差；（2） 表内普遍采用中、大规模集成电路，线路简单，可靠性好，耐振性强。由于采用先进的CMOS 模数（A/D）转换器、线性集成电路和半导体发光器件（LED），所以电路稳定、寿命长、耗电省，使用、维修方便；（3） 仪表采用模块化设计方法，即不同品种的数字显示调节仪，都是由为数不多的、功能分离的模块化电路组合而成。这不仅有利于制造厂实现流水线生产，降低生产成本，而且便于调试和维修；（4） 仪表品种繁多，配接灵活。仪表内设置不同的变换电路，即可输入不同类型的测量信号，而配置不同的调节电路，则可输出多种控制动作和报警信号；（5） 与热电偶配套或与热电阻温度计配套的仪表均具有线性化电路。前者还具有冷端温度补偿的功能，后者考虑了外线电阻的补偿，因而仪表的测量精度较高。在与差压变送器连用的仪表中配置了开方运算电路，从而使仪表可直接显示流量值；（6） 仪表除具有显示、调节和报警功能外，还可用作变送器，输出统一标准的电流信号（010mADC或420mADC）；（7） 船用型仪表能耐受振动、盐雾等恶劣环境。耐大气腐蚀型仪表允许在环境污染严重的场所使用；（8） 仪表外形尺寸和开孔尺寸均按国家标准或国际IEC标准设计。1.1.2 数字显示调节仪表的组成数字显示调节仪表包括信号变换电路、放大电路、非线性校正或开方运算电路、A/D转换和驱动器、标度变换电路、光柱电平驱动电路、电压电流（V/I）转换器以及各种调节电路。其构成原理如图1.1.1所示。 信号变换电路是将来自各种检测元件或变送器（例如热电偶、热电阻、霍尔压力变送器、差压变送器等）及电压、电流信号转换成一定范围的电压值。仪表具有多种信号变换模块，以便与不同类型的输入信号相配接。放大电路是将热电偶的热电势或其它毫伏信号放大到伏级的幅度，以便使线性化电路或A/D 转换器能正常工作。非线性校正（即线性化）电路的作用是克服测温元件（热电偶、热电阻）的非线性特性，以提高仪表的测量精度；开方运算电路的作用是将差压信号转换成流量值。A/D转换和驱动器的任务是使连续变化的模拟量转换成断续变化的数字量，再加以驱动，以便直接点燃数码管进行数宇显示。数显仪表通常采用位或位的CMOS A/D转换芯片。 图1.1.1 数字显示调节仪表构成原理标度变换电路的作用是对被测信号进行量纲运算，从而使仪表能以绝对值形式真实地显示被测参数的大小。标度变换的功能可由模数转换的模块来完成，也可以另设电路。光柱电平驱动电路是将信号与一组基准值比较，驱动一列半导体发光管，使被测值以光柱形式进行显示。V/I转换器的作用是将电压信号转换成统一标准的直流电流信号010mA DC或420mA DC，从而使该系列仪表能同电动单元组合仪表、可编程调节器以及其它可接受标准电流信号的仪表或计算机控制装置连用。调节电路接受偏差信号，并按一定规律运算后，输出断续的（继电器触点动作）或连续的（直流电流）控制信号。其调节方式有位式、时间比例和比例微分积分（PID）等几种。以上这些电路是仪表功能部件的基本单元，即由其中的一个或几个电路构成仪表的模块，将几个模块组装起来便成为一台完整的数字显示调节仪。1.2 数字显示调节仪表的分类和命名1.2.1 数字显示调节仪表分类我国数字显示调节仪表的生产经过近十年的努力，品种规格已趋于齐全。按仪表功能可分为显示型、显示报警型、显示调节型和巡回检测型四种，其外形图见附录4。显示型仪表常与热电偶、热电阻和辐射感温器配合，用来测量、显示温度；若与霍尔效应式压力变送器或电阻应变压力传感器配合，可用来显示压力；若与差压变送器配合，可用来显示差压或流量。显示报警型仪表与变送器配合，除可显示各种参数外，也用作有关参数的越限报警。显示调节型仪表除具有测量、显示功能外，还可将工艺参数控制在规定范围之内。这类仪表的调节方式有以下几种：继电器接点输出的二位调节、三位（狭中间带和宽中间带）调节，时间比例调节，连续PID调节。巡回检测型仪表定时地对各路信号进行巡回检测和显示。1.2.2 数字显示调节仪表型号命名法数字显示调节仪表的型号一般有三节：第一节有三位，以大写汉语拼音字母表示仪表的名称和类型。第二节由若干位拼音字母组成，表示仪表的某些附加功能和结构特点。第三节由三位阿拉伯数字和一位拼音字母组成，其中，第一位通常为1，表示一个被测量；第二位表示调节方式；第三位表示配接的检测元件或传感器、变送器的类型；拼音字母表示仪表的适用场合。仪表型号及其所表示的意义见表121 所示。型号示例：XMTAJ122表示数字显示调节仪，带变送输出，面板尺寸为96mm X 96mm，三位调节，配接热电阻。表1.2.1 数字显示调节仪型号命名第一节第一位代号X意义显示仪表第二位代号M意义模拟输入数字式第三位代号ZTBD意义显示仪显示调节仪显示报警仪巡回检测仪第二节若干位代号ABGJH意义带变送输出外供24V电源7272()面板尺寸9696()面板尺寸竖式面板(80160)第三节第一位代号12意义显示一个被测变量显示二个被测变量第二位代号0123469意义对XMZ无意义对XMT为二位调节三位调节（狭中间带）三位调节（宽中间带）时间比例调节时间比例调节加二位调节连续PID加二位调节连续PID调节第三位代号123456意义配接热电偶或辐射感温器配接热电阻配接霍尔压力变送器配接电阻远传压力计输入电流电压信号配接半导体热敏电阻传感器第四位代号CFK意义船 用耐 大 气 腐 蚀开 方1.3 主要技术指标(1) 显示方式 位或位LED数码管显示，最大读数范围为-1999+1999或-19999+19999（计量单位任选）；(2) 分辨率 末位1个字；(3) 精度等级 0.5级或0.2级；(4) 采样速度 3次/s；(5) 输入信号 热电偶有E、K、S、B、T型等；热电阻有Pt10、Pt100、Cu50、Cu100型；辐射感温器为F2型；霍尔压力变送器为020mV；电阻远传压力计有YTZ150、YCD150、YTWR150型；电流、电压输入信号有010mA DC、420Ma DC、05V DC、15V DC等；(6) 外接和外线电阻 热电偶型表外接电阻不大于100；热电阻型表外线电阻允许05（两根导线电阻之差不大于基本误差的110）；(7) 输出方式 变送输出：010mA DC（负载电阻1k）或420mA DC（负载电阻500），当负载电阻在01k（010mA信号制）和0500（420mA信号制）范围内变化时，输出变化不大于量程的0.5；继电器接点输出：容量，交流3A、220V（无感负载）；(8) 巡检仪自动切换周期 102s；(9) 控制点偏差 0.5；(10) 设定范围 上、下限设定范围均为量程的0100，但下限设定值不得大于上限设定值；(11) 时间比例调节 比例带范围为220，连续可调；调节周期为4010s；(12) 连续PID调节 比例度（带）约2.5%；积分时间约4min；微分时间的lmin；输出电流信号为010mA DC或420mA DC；(13) 正常工作条件 温度-10+50；相对湿度90（耐大气腐蚀型为95）；大气压力86106kPa；(14) 电源电压 ，502Hz；(15) 功耗 显示型；调节型；(16) 外界对仪表技术指标的影响 电源电压变化+10、-15时，示值变化不大于量程的0.25；共模干扰电压为250V时，示值变化不大于量程的0.5；串模干扰电压为50mV时，示值变化不大于量程的O.5；交流外磁场为400A/m时，示值变化不大于量程的0.25；外线电阻变化时，示值变化不大于量程的0.25；环境温度在 -10+50范围内，每变化10，示值变化不大于量程的0.25。2 电 路 基 础一台完整的数字显示调节仪包括多种模拟电路和数字电路，其中运算放大器和A/D转换器是完成信号处理、模数转换、调节报警等功能的主要器件。运算放大器担负着放大、运算、比较和驱动等任务，A/D转换器则将模拟输入信号转换成数字量。本章着重阐述这两种器件的特性、原理、参数及使用。2.1 运算放大器运算放大器实质上是一种高性能的直接耦合放大器，它在测量技术、自动控制、仪器仪表等领域均有十分广泛的应用。运算放大器按结构形式可分为分立型和集成型两种。集成型器件发展极为迅速，仪表中现大多使用集成运算放大器。2.1.1 运算放大器符号及主要参数运算放大器的符号如图2.1.1所示。它有两个输入端和一个输出端。在两个输入端中，一个称为同相输入端，用符号（）表示；另一个为反相输入端，用符号（）表示。信号从同相端输入时，输出信号与输入信号的相位差为零，即同相位；信号从反相端输入时，输出信号与输入信号相位相差180，即反相位。如果在同相端和反相端均输入信号，则输出与输满足以下关系式：V0=A0(Vp-Vn ) （2.1.1） 图2.1.1 运算放大器符号其中，A0是放大器的电压增益。集成运算放大器（简称集成运放）性能的好坏，可用一系列的参数来衡量。这些参数是选择集成运放的依据。下面仅对集成运放的一些主要参数进行简要的介绍。A 开环电压增益A0运算放大器在不加反馈时的输出电压增量(V0)与输入差值电压增量（Vi）之比称为开环电压增益，用A0表示： （2.l.2）如果用分贝表示，则开环电压增益是集成运放的重要参数之一。开环增益越大越好，其值一般为70120dB。B 输入失调电压VOS对于实际的运算放大器，当输入信号为零（两个输入端都接地）时，输出端电压不一定为零。我们称输入为零时的输出电压为输出失调电压。把输出失调电压换算到输入端，即除以开环电压增益，就是输入失调电压，用VOS表示。输入失调电压也可以这样定义：即在运算放大器输入端外加一直流补偿电压使放大器输出电压为零，此时外加的直流补偿电压就是输入失调电压。C 输入偏置电流IIb在零输入（两个输入端都接地）时，运算放大器两个输入端的静态偏置电流（IB1、IB2）的平均值称为输入偏置电流，以符号IiB表示：IiB（IB1+IB2） (2.1.3) 输入偏置电流是集成运放的重要参数之一，它能反映放大器动态输入电阻的大小。IiB越小，输入电阻越大。D 输入失调电流IOS对于实际的运算放大器，由于输入级不可能完全匹配，因而两个偏置电流也不相等。定义零输入时两个输入偏置电流之差为输入失调电流，即IOS=|IB1-IB2| （2.1.4）E 输入失调电压温漂和电流温漂对于实际的运算放大器，即使将输入端接地，输出电位也会随时间而变，这种现象称零点漂移。零点漂移可分为温度漂移和时间漂移。由于前者与放大器本身特性有关，而后者主要取决于外界条件，所以一般只给出温度漂移。在规定的环境温度范围内，单位温度变化所引起的输入失调电压变化量称为输入失调电压温漂，以符号 表示；把单位温度变化所引起的输入失调电流的变化量称为输入失调电流温漂，以符号表示。F 共模抑制比CMRR定义两个输入信号的平均值为共模输入信号，以Vcm表示：其差（Vn-Vp）称为差模信号。一个实际的运算放大器，当加以共模信号时，输出端也有被“放大”了的共模信号输出。共模信号的电压增益称为共模增益Acm，差模信号的电压增益称为差模增益（即开环增益A0)。差模增益与共模增益之比称为共模抑制比，以CMRR表示：CMRR （2.1.5）如果用分贝表示，则CMRR（dB）=20log集成运放的共模抑制比越大越好，通用型集成运放的CMRR约为70100dB。G 共模输入电压范围 Vicm当输入的共模电压过大，破坏了放大器的正常工作状态，使之饱和或截止，那么放大器就不再具有共模抑制能力了。我们称运算放大器的正常工作状态不被破坏，而在其两个输入端所允许加的最大共模电压值为最大共模输入电压范围。也可把共模抑制比（在规定的共模电压下测得CMRR）下阵6dB时所加的共模电压称为运算放大器的最大共模输入电压。H 最大差模流入电压Vidm运算放大器两个输入端所允许加的最大电压差称为最大差模输入电压。Vidm比较小的运算放大器，有时需要外加差模保护电路。I 输入阻抗Zi由于运算放大器有共模输入与差模输入两种输入方式，所以输入阻抗也分差模输入阻抗Zid与共模输入阻抗Zicm两种。前者是指两个输入端之间的阻抗，它等于运放的差模输入电压变化量与差模输入电流变化量之比；后者则是两个输入端对地的阻抗。输入阻抗包括输入电阻和输入电容，但在一般参数表中所给的只是输入电阻，而且在不特别注明的情况下，所说的输入阻抗均指差模输入电阻Rid。J 输出阻抗Z0在不加反馈时，运算放大器的输出电压变化量与输出电流变化量之比称为输出阻抗Z0。输出阻抗的大小反映了放大器的负载能力，输出阻抗越小越好。参数表中一般给出了集成运放的输出电阻R0值。K 开环带宽fBW和单位增益带宽GB运算放大器的开环电压增益是频率的函数。在直流或低频下，开环增益是常数，随着频率的升高，开环增益下降。当开环增益下降到直流增益的0.707倍（-3dB）时的信号频率，称为运放的开环带宽，或-3dB带宽，以符号fBW表示。而开环增益降到1倍（0dB）时所对应的信号频率称为单位增益带宽，或零分贝带宽，以符号GB表示。L 最大输出幅度Vp-p在额定电压下，运算放大器所能输出的最大峰 - 峰电压，称为最大输出幅度，以Vp-p表示。M 静态功耗PW在不接负载且输入信号为零时，运算放大器本身所消耗的正、负电源的总功率称为静态功耗PW。一般通用型集成运放的静态功耗为几十到上百毫瓦。N 电源抑制比PSRR当运算放大器的电源电压变化时，其输出电压也发生变化。把输出的变化换算到输入端（即除以开环电压增益）之后，就相当于输入失调电压的变化。定义运放供电电源的单位电压变化所引起的输入失调电压的变化称为电源抑制比，用PSRR表示：PSRR （2.1.6）电源抑制比表征着运放对电源变化的抑制能力，PSRR越小越好。2.1.2 理想运算放大器及其运算电路2.1.2.1 理想运算放大器具有理想参数的运算放大器称为理想运算放大器，它的主要特点是：(1) 开环电压增益A0；(2) 输入阻抗Zi；(3) 输出阻抗Z00；(4) 输入失调电压、输入偏置电流、输入失调电流为零；(5) 共模抑制比CMRR；(6) 开环带宽fBW。由于理想运算放大器的输入阻抗为，所以它的静态输入偏置电流和从信号源汲取的电流都是零,又由于它的开环增益为，所以两个输入端的电压差（VpVn）0。利用这两点，可使运算放大器的电路分析变得非常简便。事实上，在电路设计时只要选择合适参数的集成运放，用理想运放来分析各种运算电路，所得的结果与实际情况是很接近的。2.1.2.2 运算电路在实际应用时，除了少数情况（如作比较器）之外，运算放大器都要接负反馈。这是因为，运算放大器的闭环特性，如闭环增益，主要取决于外接反馈网络。因此，加接不同的反馈网络，可使输出与输入成为不同的运算关系，例如比例、加法、减法、微分、积分等，以获得不同的运算功能。下面给出几种常用的运算电路以及它们的输入输出关系（为简便起见，电路中运算放大器的供电电源等未画出）。A 比例运算电路（比例放大器）比例运算电路是运算放大器最为重要的应用之一。它有反相输入的比例运算电路和同相输入的比例运算电路两种。如果信号从反相端输入，放大器外接由Rr、Rf组成的反馈网络，就构成了反相输入比例运算电路如图2.1.2所示。由于VnVp=0，即N点的电位近于地，而不能接地（如果接地，则输入信号被短路），称为“虚地”。所以有， 又因IBO；故Ii=If 可求得V0 = （2.1.7）由上式可知，电路的输出与输入之间成比例关系，两者的相位相反。 图2.1.2 反相输入比例运算电路 图2.1.3 同相输入比例运算电路若信号从同相端输入，再将图2.1.2中Rr的一端接地，就成了同相输入的比例运算电路，如图2.1.3所示。因为Vp = Vi 而 VnVp 故 又 , 且IiIf可求得 （2.1.8）式（2.1.8）表明，电路的输出与输入之间同样成比例关系，但两者的相位相同。反相输入和同相输入运算电路的比例系数相差无几，特别是在高放大倍数时，两者更为接近，只不过它们的相位差为180。从上面的电路分析可知，运算放大器加接反馈网络后，电路特性只取决于反馈网络的特性，而与放大器本身无关。B 加法运算电路加法运算电路是比例放大器的延伸，图2.1.4为反相输入的三路加法电路。它的基本原理是电流求和。由于N点可看作为“虚地”，所以， 又 I1I2I3= If 所以 若取 R1R2R3R 则 （2.1.9）上式表明，图2.1.4电路的输出与它的各路输入的代数和成比例关系，从而实现了加法运算功能。图214加法运算电路 图215 减法运算电路C 减法运算电路差动放大器具有减法运算功能。如图2.1.5所示，两个信号分别从运放反相端和同相端输入，再加接反馈网络，就构成了减法运算电路。由图可知： 由Ii=If,可得 又 Vn Vp从以上三式可求得 若取， 则 （2.1.10）从式（2.1.10）可看出，图2.1.5的电路输出与两输入信号的差成比例关系。D 积分运算电路在加法或减法运算电路中，放大器的反馈网络是纯电阻。如用电容、电感之类的元件代替电阻作反馈元件，就能构成微、积分等运算电路。图2.1.6是一个输出与输入呈积分关系的运算电路。由于N点可看作为“虚地”，所以 ， 又 IR = IC所以 （2.1.11）这表明，图2.1.6的电路能完成积分运算的功能。图2.1.6 积分运算电路 图2.1.7 微分运算电路E 微分运算电路将图2.1.6电路中的电阻R和电容C的位置互换，就构成了如图2.1.7所示的微分运算电路。由图2.1.7可知： ， 又IC = IR所以 显然，图2.1.7电路的输出与输入信号的微分成比例关系。通过对上述几个电路的分析可以看出，每一种运算电路，均是由运算放大器和反馈网络两部分组成，而电路的运算关系则由反馈网络决定。因此，适当交换反馈网络的结构，就可构成不同运算功能的实用电路。2.1.3 集成运算放大器接法和使用要点集成运放分为通用型（例如A741）和专用型两类。专用型又有低漂移（例如ICL7650）、高阻型（例如CA3140）、高速型（例如LM318）、低功耗型（例如 LM4250）等。使用时，应根据实际需要来选择集成运放的类型。集成运放的型号和参数可在有关手册中查得。不管哪一种集成运放，在用作运算电路（或信号放大器）时，除了需外接反馈网络外，还应接上正、负工作电源、调零电路，有时还要加接校正网络，电路才能正常工作。现例举两种电路的接法。图2.1.8和图2.1.9分别为反相输入比例放大器和同相输入比例放大器的实际电路。集成运放分别采用A725（DG725）和A741（F007），电源电压约为15V。图中100k和10k电位器用来调零，以消除失调电压影响。470电阻和0.01F电容的作用是防止电路自激振荡。 图2.1.8 反相输入比例放大器 图2.1.9 同相输入比例放大器运放A741内部己有校正网络，故无需外接。R*为输入端平衡电阻，其阻值分别为 Rr/Rf和Rfl/Rf2。使用集成运放应注意以下几点：(1) 按产品说明书连接引脚，接上合适的工作电压 不同型号的集成运放，其引脚及工作电压可能各不相同，因此，使用前必须搞清各引脚的意义，按规定连接，以免造成集成运放不应有的损坏。有些集成运放的工作电压有一定范围，例如5V和20V，这时要注意选择合适的工作电压，并配用适宜的外接电阻及电位器。(2) 调整零位，克服失凋电压的影响 使运放的输入为零，调节调零电位器，将集成运放的输出电压调至零。然后锁紧电位器或换上固定电阻。如果失调电压过大，以致按上述方法不能将输出电压调到零，这时最好另行挑选运放。如无备件，也可采用改变外接平衡电阻的阻值或加大调零电位器的阻值等方法来实现零位调整。但是，若运放输出电压为两个极限状态（接近正、负电源电压），或输出虽不为极限值，但调节调零电位器却不起作用，则可能接线有错误，或有虚焊点，也可能器件内部损坏。(3) 接上校正网络，消除自激振荡 如不能消除，则可试用小电容并联于反馈电阻，或在两个输入端间试加小电容或RC支路。如仍不能消除振荡现象，则应查找其它原因，如外界干扰等。除此之外，为了避免损坏集成运放，可在输入端并上两个反向并接的二级管，在输出端并上两个反向串接的稳压管，以限制输入、输出电压的幅度；在电源端串接二极管，防止电源极性接反而造成的损坏。2.2 AD转换器A/D转换器的品种很多，常用的有以下几种：双积分型（VT转换型）、脉冲宽度调制型、电压频率转换型（V/F转换型）和逐次逼近比较型前三者属于间接型，即模拟量（电压）首先转换成某一个中间量（时间间隔T或频率F），再由中间量转换成数字量。后一种为直接型。即将模拟量直接转换成数字量。数字显示仪表大多使用间接型的器件，本节主要讨论双积分型A/D转换器。2.2.1 AD转换器工作原理和主要参数2.2.1.1 工作原理双积分型A/D转换器的转换原理框图如图2.2.1所示。它先将输入模拟电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，然后在此时间间隔内，计数器对时钟脉冲计数，所计得的数便是模数转换结果。A/D转换的工作过程分为采样和测量两个阶段。开始工作前，控制电路使开关K接地，积分器输出为零，电路处于休止状态。图 2.2.1 双积分A/D转换器原理图(1) 采样阶段 控制电路将开关K与被测电压Vx接通， 图2.2.2 双积分转换器积分器对Vx积分，同时使计数门打开，计数器计数。在被测电 的主要波形压为直流电压或变化缓慢的电压时，积分器将输出一斜变电压，其方向取决于Vx的极性，例如Vx为负，则输出波形向上斜变（见图2.2.2）。经过一固定时间T1后，计数器达到满量限N1值，复零而送出一个溢出脉冲。此溢出脉冲使控制电路发出信号将K接向与被测电压极性相反的基准电压+VR，至此采样阶段结束。此阶段的特点是采样时间T1是固定的，而积分器最后输出的电压V0值取决于被测电压Vx的平均值。(2) 测量阶段 当K接向+VE后，积分器开始反方向积分（第二次积分），使其输出电压从原来的V0值向零电平方向斜变。与此同时，计数器又从零开始计数。当积分器输出电压达到零时，检零器动作，发出关门信号，计数器停止计数，所计得的数为N2，N2就代表了输入电压的数值。这个阶段的特点是被积分的电压是固定的基准电压VR，因此积分器输出电压的斜率固定，而计数值N2所对应的积分时间T2则取决于VO之值。如果V0的幅值小，则积分时间就短。如波形图中的T2（见图2.2.2）。由上分析可知，输入电压Vx决定了定时积分的最后输出值V。，而V0又决定了第二次积分时间T2，从而也就决定了输出数字值N2。N2与Vx的关系推导如下：在采样阶段，积分器从零开始积分，经T1时间，其输出为： Vx在T1期间的平均值为 则 （2.2.1）在测量阶段，积分器最终输出为 由于VR为常数，所以 （2.2.2）这说明在T1和VR均为常数的情况下，测量阶段的时间间隔T2正比于输入电压的平均值。设计数器输入的时钟脉冲周期为Tc，则 T1 = N1TC， T2 = N2TC所以 (2.2.3)上式表明，计数器输出的数字值N2（即A/D转换结果）与输入电压的平均值Vx成比例关系。2.2.1.2 主要参数A/D转换器的特性参数有很多，这里仅对几个主要参数作一简要的说明。转换误差（或精度）：是指A/D转换结果的实际值与真实值之间的偏差。用偏差的绝对值或满量程的百分数来表示。转换误差包括量化误差（因量化单位有限所造成的误差）、偏移误差（零输入信号时输出信号的数值）、量程误差（转换器在满度值时的误差）、非线性误差（转换特性偏离直线的程度）等。转换时间（或转换速率）：A/D转换器从启动工作到转换结束（即完成一次模数转换）所需的时间称为转换时间。这个指标也可表述为转换速率，即A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。双积分型A/D芯片的转换速率通常为每秒几次到几十次。分辨率（或位数）：是指AD转换器所能分辨的被测量的最小值，它等于模拟输入量的满度值除以输出数字的最大值。可见，分辨率与输出数字位数有直接关系，因此也可用输出位数的多少来反映分辨率的大小。双积分型A/D芯片的位数(BCD码)通常有位和位，其分辨率分别为输入量的1/2000和1/20000。上述指标是选择A/D转换器的主要依据，因为这些指标直接影响仪表的测量、控制精度和响应速度。2.2.2 7107 A/D转换器2.2.2.1 7107的特点和引线功能7107是CMOS单片位（BCD码）AD转换器，该芯片具有以下特点：(1) 集成度高 电路内部包括双积分A/D转换器所必须的全部有源器件，即运算放大器、模拟开关和数字电路，设有自动校零和自动极性转换电路，并且内含时钟振荡器、基准电压、7段译码器和LED驱动器，可直接与数码管连接，使用方便；(2) 转换误差小 总误差小于1个字；(3) 输入阻抗高 约为1010，故信号损耗小；(4) 转换速率13次/s 该速率能满足一般数字显示仪表的需要；(5) 功耗低 在5V电源条件下，芯片功耗小于15mW（不包括LED）；(6) 整机组装方便 无需外接有源器件，且所用无源元件在市场上极易购得。 图2.2.3 7107的典型应用线路7107采用40引脚双列直插式封装，其引线端子排列见图2.2.3。该芯片各端子功能说明如下:V+电源（正）V-电源（负）POL极性显示BP公共电极INT外接积分电容BUFF一外接积分电阻A/Z外接校零电容IN+输入电压（正）IN-输入电压（负）OSC1、2、3时钟振荡器外接元件A1G1个位数段驱动信号A2G2十位数段驱动信号A3G3百位数段驱动信号AB4千位数段驱动信号COM一模拟公共端C-REF基准电压寄存电容（负）C+REF基准电压寄存电容（正）VREF-基准电压（负）VREF+基准电压（正）TEST数字地设置及测试（接+5V时，所有段被点亮，显示1888）2.2.2.2 7107的工作原理7107的原理如图2.2.4(a)、(b)所示。该芯片包括了AD转换所需的模拟电路和数字电路两大部分。模拟电路有跟随器、积分器、模拟开关、基准（参考）电压源等，如图2.2.4(a)所示，数字电路有内部时钟振荡器、逻辑控制电路、十进制计数器、锁存器、译码器及LED驱动器，如图2.2.4(b)所示。 图2.2.4 7107 A/D转换器原理框图(a)7107完成一次转换需要三个阶段，即：（1）自动校零；（2）被测电压积分I（3）基准电压积分。(1) 自动校零阶段 在此阶段AZ（自动校零）开关接通，INT（被测电压积分）和DE（基准电压积分）开关断开。此时内部电路与被测电压脱开，跟随器和积分器的同相端（即7107的两个输入端）与模拟公共端COM短接；积分器和比较器构成全闭环，它们的失调电压和跟随器的失调电压寄存在校零电容CAZ上；同时基准电压寄存电容CREF充电，其电平充到基准电压的大小。(2) 被测电压积分阶段在此阶段DE和A/Z开关断开， 图2.2.4 7107 A/D转换器原理框图(b)而INT开关接通。电路开始对转换器两输入端IN+和IN-之间的模拟电压进行积分。输入电在的共模范围很宽，但是如果输入电压与电源之间没有回路，IN-端可接到COM端，以建立正确的共模电压。本阶段最后要判别出被测电压的极性。(3) 基准电压积分阶段本阶段一开始，根据前一阶段对被测电压极性的判断，接通DE（+）或DE（-）开关。若输入电压为正，则接通DE（+）开关，反之，则接通DE（-）开关，以保证积分器输出回到零。积分器回到零电平所需要的时间与被测电压大小成比例，而输出读数的大小则由该段时间所决定，其值为l000VINVREF。三个阶段的时间分配如图2.2.5所示。时钟信号先经4分频再送入十进制计数器， 图2.2.5 7107一个转换周期时间分配示意图即每计一个数需要4个时钟脉冲。被测电压积分阶段需要4000个时钟周期（1000个计数）。基准电压积分阶段需要 08000个时钟周期（02000个计数）之间。自动校零阶段最少需4000个时钟周期（1000个计数），最长可达 12000个时钟周期。在对基准电压反向积分时，只要积分器输出一过零，就开始校零阶段。每个转换周期总共16000个时钟周期（4000个计数）。本电路的时钟频率可在1648kHz之间选择，其转换速率为13次s。2.2.2.3 7107的工作条件和元件选择7107的典型应用线路如图2.2.3所示。A 时钟信号和振荡元件7107的时钟信号有三种形式，即外部时钟（信号从OSC1输入）；外接晶体；外接RC相移网络。见图 2.2.6。在用外部时钟时，输入信号加在TEST和OSC1之间，振荡幅度约5V。如果用RC振荡，一般电容 C取50pF，电阻值R可由下式估算： 图2.2.6 7107的振荡线路时钟频率在1648kHZ范围内选择，为了抑制工频干扰，时钟频率应取50Hz的整数倍。对于48 kHz的时钟频率（每3次/s读数），R = 180k。16kHz时，R = 560k。B 基准电压及其寄存电容基准电压值VREF应根据下式选择：要得到满量程输出1999，应取。对于200mV和2V的基本量程来说，基准电压分别取100mV和lV。对于其它的量程，只要传感器的满度输出在200mV2V 图2.2.7 基准电压电路图之间，取其电压的一半作为基准电 (a)利用内部基准电压源；(b)外接齐纳稳压管作基准电压源压，就能取得2000个刻度的对应 (c)外接能隙基准电压源值。例如某电子秤系统，希望在传感器的输出电压为0.682V时出现1999的读数，只要取0.341V的基准电压就可以了。如果对温度漂移要求不十分严格，可利用电路内部的基准，用外接电位器调节，如图2.2.7(a)所示。但为避免温度漂移所造成的误差，通常采用具有温度补偿的外接基准稳压源，如图2.2.7(b)、(c)所示。图(b)使用齐纳稳压管。图(c)由高精度低漂移能隙基准稳压源（例如MC1403）供电，可获得精密的电压基准。基准电压的寄存