数字显示仪表课程设计.doc

数字显示仪表课程设计目录第1章 数显仪表工作原理11.1 数字显示仪表的基本构成11.2 数显仪表的主要技术指标21.3 线性化问题21.4 信号的标准化与标度变换3第2章 数显仪表设计方案42.1 ICL7107双积分A/D转换器42.2 LED显示器62.3 主要集成块7第3章 数显仪表的制作93.1 数显部分的安装93.2 电源部分的安装9第4章 结论与体会11参考文献1211第1章 数显仪表工作原理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。1.1 数字显示仪表的基本构成 20世纪50年代初，世界上出现了世界上出现了第一台数字显示仪表。数显仪表的构成如图1-1所示。图1-1 数显仪表的基本构成 模-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俩部分。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。来自传感器或变送器的统一电量信号一般都比较微弱，并且包含着在传输过程中产生的各种干扰成分，因此在将其转换成数字量之前，首先要进行滤波和放大。前置放大器就是用来提高仪表的灵敏度、输入阻抗及信号的信噪比。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。被放大的模拟信号有模-数转化器转换成相应的数字量后，经译码、驱动，送到显示器件中进行数字显示。也可送到报警系统和打印系统中去，进行报警和记录打印。在需要的时候，亦可将测量结果以数码形式输出，供计算机数据处理之用。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。随着集成电路技术和微型计算机应用技术的迅速发展和不断成熟，以微处理器等集成电路芯片代替了常规数字仪表中的逻辑控制电路，仪表的测量过程可以由软件进行程序控制。微处理器在数字仪表中的应用强有力地推动了数字仪表测量的自动化和多功能化；实现了测量结果的数据变换和误差校正，从而提高了仪表的测量准确程度。数字仪表的出席那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，它的优越性能和广泛的应用使传统的模拟仪表受到严重挑战。一般来说，实验室用高档仪表类数字表明显由于模拟仪表，对于工业现场，应用数字仪表的问题目前还有争议。在功能、精度要求不高，而更注重可靠性和实用的工业过程监测系统中，模拟仪表呈现先出特有的优势。1.2 数显仪表的主要技术指标以十进制测量被测变量值的位数称为显示位数。能够显示“09”上的数字为“满位”：仅显示或不显示的数字位，称为“半位”或“1/2位”。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成为满度值。例如XMZ-101数字式温度仪表，测量范围30180，其量程为150，满度值为180。目前数字式显示仪表的精度表示方法有三种：满度的an字、读数的an字、读数的a满度的b。系数n是显示仪表读数最末一位数字的变化，一般n=1.这是由于把模拟量转换成数字量的过程中至少要产生1个量化单位的误差，它和被测量无关。显然，数字仪表的位数越多，这种量化所造成的相对误差就越小。数字仪表的分辨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辨力是不同的，通常在最低量程上有最高的分辨力，并以此作为该仪表的分辨力指标。数字式显示仪表是一种高输入的阻抗的仪表，阻抗可达1012。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的大小。1.3 线性化问题常规数字仪表进行非线性补偿，主要有两方面的作用：(1)根据已知的传感器非线特性求得所需要的线性化器的非线性特性。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线逼近法。常规数字仪表的非线性补偿方法很多，概括起来可分为下列三种方法：一是可以将非线性被测参数在A/D转换之间的模拟电路进行非线性补偿，这种方法称为模拟非线性补偿法；其二是在A/D转换过程中进行补偿的非线性A/D转换法；其三是在A/D转换之后的数字电路部分进行补偿的数字非线性补偿法。1.4 信号的标准化与标度变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解决的基本问题。一般情况下，由于被测量量和显示的过程参数多种多样，因而仪表输入信号的类型、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、电平的高低等也不相同。将不同性质的信号，或者不同电平的信号统一起来，这就叫输入信号的规格化，或则称为参数信号的标准化。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，图1-2为一般数字仪表组成的原理框图。其刻度方程可以表示为： y=S1S2S3x=Sx （1） 图1-2 数字仪表的标度变换 式中s数字显示仪表的总灵敏度或称标度变换系数；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。 第2章 数显仪表设计方案2.1 ICL7107双积分A/D转换器ICL7107CPL是三位半双积分A/D转换器大规模集成电路，其输出极为异或门结构。它的作用是把输入电压信号变为数字输出，并驱动显示器。实物如图2-1所示。图2-1 ICL7017实物图其内部结构包含模拟和数字两大部分。模拟部分包括积分器、模拟开关、过零比较器等电路。数字部分包括时钟脉冲发生器、计数器、分频器、译码器、控制器、相位驱动器等电路。ICL7017还具有以下特点：内部有自动稳零电路，保证零电压输入时，读数为零；内部有极性判别电路，即使输入电压很小也能正确区别极性，并显出来；内部有时钟电路，可以外接RC器件，产生自激振荡；内含供A/D转换必需的基准稳压源，可不用外接基准电源；输出为3位七段译码信号，可直接驱动LED；与其他CMOS集成电路相同，这些电路具有输入电阻高等特点。 ICL7107采用标准的双列直插40引线封装，引线排列如图2-1所示。可在715V单电源条件下工作。图2-2 7107管脚排列ICL7107D的双积分A/D转换：上述电路的核心部分模拟部分的电路原理图见图2-2。图2-2模拟部分电路原理图ICL7107模拟部分每个转换周期分为自校零位、信号积分(采样)、反向积分(比较)三个阶段：自校零(A/Z)阶段；信号积分(INT)阶段；反向积分(DE)阶段。根据双积分转换原理求得结果为：N=T1V1/TcpVref双积分式A/D转换器地优点是：对积元件的质量要求不高，时钟振荡器可以使用普通的阻容元件代替石英晶体，抗干扰能力强。它作为一种低速、高精度A/D转换器，在数字仪表中广泛应用。2.2 LED显示器 图2-3 LED显示器实物图数码显示是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，广泛应用与多种数字设备中。目前，数码显示器正朝着小型、多位、多彩、平面化的方向发展。将条状发光二级管按照共阳极（正极）或共阴极（负极）的方式连接，并组成“8”字型发光二极管，另一极做笔画电极，就构成了LED数码显示器。只要按规定使某些笔画的发光二级管发光，就能组成09的一系列数字。其原理如图2-4所示。图2-4 LED原理图LED显示器一般采用七段，既把七只LED共阳极（或共阴极）连接，每段具有单只LED的特性及驱动显示方法。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。2.3 主要集成块MC1403是高精度低温度漂移的基准电路，作为8-12位（二进制）数模转换的基准电压源而设计，为避免温度漂移所造成的7107的误差，通常采用具有温度补偿的外接基准稳压源，在这里采用MC1403作为基准稳压源供电，可以获得精密的电压基准。如图2-5所示。(1)输出电压误差：2.5V1；(2)输出电压温度系数：10ppm/（typ）；(3)输出电流：10mA；(4)输出电压范围：4.5-40V；(5)封装：8脚DIL陶封（代码U）；8脚DIL塑封（代码DSM）。图2-5 MC1403管脚排列第3章 数显仪表的制作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。原理图如图3-1。图3-1 数显仪表原理图3.1 数显部分的安装根据绘制的接线图，首先在面包板上把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。其他芯片，电阻，电容，电位器等围绕7107就近安排。3.2 电源部分的安装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。因此，在设计是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，输出6V电源要有“接线端子”。 安装并且调试成功的面包板如图3-2所示。图3-2 调试成功的面包板第4章 结论与体会这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。刚开始的时候，大家就分配好了各自的任务，大家有的绘制原理图，进行仿真实验，有的积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。本次课程设计所设计的数字显示仪表基本符合设计要求，可以将具有模/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。另外，还要考虑到电路的可行性，实用性等。本次课程设计要求多学科知识综合应用，锻炼了设计者的动手能