高精度电机智能芯片ICL7107转速仪设计毕业论文.doc

毕 业 设 计（论 文）题目 高精度电机转速仪设计 摘 要高精度电机转速仪是以智能芯片ICL7107为主控芯片，用槽式光电传感器为电机转速采集元件，产生一系列的转速脉冲。这些脉冲信号通过整形放大后，进入到频率电压F/U转换电路，将转速脉冲信号转换成与其频率成线性关系的电压，从而反映了电机转速与电压的线性关系；最后把模拟电压输入到ICL7107的电压输入端，由共阳极数码管显示出读数。在论文中主要介绍了主控芯片ICL7107的各个功能及应用；着重阐述了电机测速系统所有模块的转换过程，以及电机转速与电压、电压与显示读数之间的转换关系。再根据每个模块的要求制作稳压电源模块，最后生成原理图，实现对电机转速的测量与显示。关键词：智能芯片ICL7107，光电传感器，电机转速测量，频率电压转换电路ABSTRACT High precision motor speed meter is based on intelligence ICL7107 chip as control core, with photoelectric sensor for the motor speed acquisition components, caused a series of speed pulse signal. After the pulse signal plastic amplification, the speed pulse is converted into a linear relationship with the voltage, through the frequency voltage F/U transform circuit, which reflects the motor speed and the voltage of the linear relationship between，Finally the voltage is input toICL7107 simulation of the input voltage, of anode digital pipe display by reading. In the paper, it mainly introduces the main control chip ICL7107 each function and application; and Focuses on the motor speed system all modules of the conversion process, and the motor speed and voltage, voltage and display readings conversion between relations. Again according to the requirements of each module produce the stabilized voltage power supply module, the last generation principle chart, and the realization of the motor speed measurement and display.KEY WORDS: intelligent chip ICL7107，photoelectric sensors，the motor speed measurement，frequency voltage transform circuit目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 电机转速的测量方法11.1.1 电机的发展11.1.2 电机转速的测量方法21.2 电机转速仪设计41.2.1 电机转速仪的设计41.3.3 设计的意义5第2章 主控芯片的选择62.1 主控芯片的选择62.1.1 主芯片ICL710762.2 主控芯片转换原理及应用112.2.1主控芯片ICL7107的转换原理122.2.2 主控芯片ICL7107的应用14第3章 高精度电机转速仪硬件设计163.1 设计方法与步骤163.1.1 具备的能力与思想163.1.2 设计的内容与步骤163.2 硬件电路的实现173.2.1 电机转速脉冲产生电路173.2.2 频率电压转换电路193.2.3 测速系统213.2.4 显示电路243.2.5 电源电路24第4章 总结与展望264.1 总结264.1.1优点264.1.2缺点264.1.3体会274.2 展望28致 谢30参考文献31附录1第1章 绪论随着机械自动化的快速发展，各种电机在工业生产中得到广泛的应用，对电机转速的测量的，也就尤为突出，转速是动力机械性能测试中的一个非常重要的性能参量，其大小和变化关系着机械运转是否正常，同时也关系着产品质量的可靠性，和产品的高效性，所以必须对电机进行适时地监视、调速，正反转运行等一系列控制，它是可靠生产与按要求生产的基础，在自动化高速发展的今天，对电机的转速进行快速的检测，是非常重要的，下面介绍电机的测量方法和电机转速仪的设计。1.1 电机转速的测量方法电机转速的测量方法是伴随着电机的发展而发展，电机的类型不一样测速方法也有不同，下面简单介绍电机的发展。1.1.1 电机的发展电机是工业生产的直接动力，随着电力电子技术的发展，电机本身的电子技术在不断发展，同时它的测速系统也在不断地发展改进。电机是利用电磁感应原理工作的机械，随着生产的发展而不断发展，电机测速仪作为生产设备的一部分，随电机技术的发展不断发展。首先简要介绍电机的发展。从19世纪末期起，电动机就逐步代替了蒸汽机成为拖动生产机械类的原动机，一个多世纪以来，虽然电动机的基本结构变化并不大，但是电机的类型增加了很多，在运行性能上，经济指标上等也都有了很大的变化改进和提高，而且随着自动化控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电机的理论基础上又发展出许多种类的控制电机，控制电机具有高精确度可靠性高响应快的特点，已成为电机电子技术的一个独立分支。电机应用广泛，种类较多。性能各异，分类方法也比较多。通常电机的分类方法主要有两种：一种是按其功能用途分，可分为发电机电动机，变压器和控制电机四大类。电动机的功能是将电能转换成机械能，从而可以作为拖动各种生产机械的直接动力，是在工业生产中应用最多的动力机械，也是最主要的用电设备。另一种分类方法是按照电机的结构或转速分类，可分为变频电机器和旋转电机.根据电源电流性质的不同旋转电机又分为直流电机和交流电机两大类，交流电机又可分为同步电机和异步电机。 在现代化工业生产过程中，按照各种生产工艺的技术要求，需要各种各样的生产机械设备。由于电力拖动具有控制简单调节性能好耗损小经济，能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。 按照电动机的电源电流性质类别的不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。 经过多年的电力电子技术的迅速发展，电动机自身的理论基本成熟。随着电工技术的发展，对电能的转换、控制以及高效使用的要求越来越高。同时电磁材料的性能不断提高，电工电子技术的广泛应用，为电动机的发展注入了新的活力。近年来又出现了各种型号的变频电机等。当然随着电机功能的完善性能参数的要求，电机转速仪的种类和要求也不断发展与完善。近年来，随着电力电子技术、计算机技术及控制技术等的快速发展，电机控制检测系统不断朝着数字化、智能化方向发展，并且使远距离测量成了现实，要满足高性能电机控制检测系统高精度、高可靠性、高安全性等要求，转速检测是实现的这些性能的关键.如何获得电动机高精度的转速信号，以实现转速的高精度控制，就成了现代电机速度测量的一个突出的问题之一。1.1.2 电机转速的测量方法电机转动的速度称为转速，转速通常用单位时间内的转速表示，单位常为转/分或 r/min。每秒钟的转速也称为转动频率，它是转动周期的倒数。 转速的电测法很多，按其测量原理可分为模拟式和数字式。（1）模拟式电测法 测速发电机测速发电机是一种将转子转速转换成电信号的装置，根据结构及工作原理的不同，测速发电机可分为直流发电机和交流发电机两种，交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机两种形式，同步测速发电机有永磁式、感应式和脉冲式；异步测速发电机按其结构分为鼠笼式和杯形转子两种，这些测速发电机的结构虽然不同，但原理基本一样，它们都是根据电磁感应原理做成的专门测速的微型发电机，输出电压正比于输入轴上的转速。除此之外还有磁性转速表、离心式转速表、频闪转速表等。（2）计数式电测法转速的计数式电测法是用转速传感器将转速转换成脉冲频率，再用测频法或测周法对脉冲频率进行数字测量。首先介绍转速传感器，基于不同的种类的传感器和主控元件，可制造出不同的电机转速仪设备。转速传感器种类很多，其共同特点是将转速转速转换成脉冲频率，若每分钟转动圈数为n，每转一圈传感器发出脉冲数为m（m最好为60的整数倍），则传感器脉冲的频率为。因此只要侧得传感器脉冲的频率，即可求得转速。常见的传感器有磁电式、电涡流式和电容式、霍尔式，光电式等。下面简单介绍霍尔式和光电式传感器。霍尔式按照霍尔式传感器的原理可分为两种。一种是将一非磁性圆盘固定在被测转轴上，圆盘的周边上等距离地嵌装着m个永磁铁氧体，相邻两铁氧体的极性相反，由磁导体和置于磁导体间隙中的霍尔元件组成测量头，磁导体尽可能的安装在氧导体边上，当圆盘转动时，霍尔元件感受的磁场强度周期性变化，霍尔元件输出正负交变的周期电压。另一种是在被测转轴上安装一个齿轮型的磁导体，对着齿轮固定着一个马蹄形的永磁铁，霍尔元件粘贴在磁极的端面上，当被测转轴转动时，带动齿轮状磁导体转动，于是霍尔元件中的磁阻发生周期性变化，是霍尔元件感受的磁场强度也发生周期性变化，从而输出一系列频率与转速成正比的单向电压脉冲。根据测速要求可制成基于霍尔效应的高精度电机转速仪。光电式光电式转速传感器分为反射式和透射式两种。反射式转速传感器是用金属箔或反射纸在被测转轴上，贴出一圈黑白相间的反射面，光源发射的光线经透射镜、半透膜、聚焦镜投射在转轴反射面上，反射光经聚焦镜汇聚后，照射在光电器件上产生光电流，该轴旋转时，黑白相间的反射面造成反射光强弱变化，形成频率与转速及黑白间隔数相关的光脉冲，使光电器件产生相应的脉冲，当黑白间隔数m一定时，电脉冲的频率f与转速n成正比。可制成基于反射式光电传感器的电机转速仪设计。透射式光电传感器是利用固定在被测转轴的旋转盘的圆周上开有m道径向透光的缝隙，不动的指示盘具有和旋转盘相同间距的缝隙，两盘缝隙重合时光源发出的光线便经透镜照射在光电器件上，形成光电流，当旋转盘随被测轴转动时，每转过一条缝隙，光电器件接受的光线发生一次明暗变化，因而输出一个电脉冲信号，由此产生的电脉冲的频率f在缝隙数目m确定后，与轴的转速变化成正比。可设计成基于透射式光电传感器的高精度电机转速仪的设计。（3）编码器测速法能把被测模拟量转换成数字量输出的传感器就是数字式传感器，编码器就是一种直接以数字量形式输出的的传感器。这种转速传感器所用的的码盘一般为按一定规律分布着透明窄缝的圆盘，这些码盘可做成增量式和绝对式。增量式转速传感器，它由光源、透镜、测量盘、读数盘及光敏元件组成。由光源发射出的光线，经透镜聚焦后，透过测量盘与读数盘照射到光敏元件上，有光线透过时，光敏元件才发出一个脉冲，没有光线透过则不产生脉冲，此脉冲一方面可以送到数字式速度计进行计数，另一方面，也可以进入计算机，根据相关公式求出转速。绝对式光电码盘上分透明和不透明两种区域，按一定方式编码，码盘上黑色部分表示遮光部分，白色则表示透光部分，用狭窄的光束来代替电刷，当码盘随轴转动时，将输出相应的光束，然后通过光敏元件转换成相应的代码。 基于编码器设计成的高精度电机转速仪输出的直接是数字量，具有使用简单方便，效率高，误差小，安全可靠，可直接与单片机等控制系统等接口连接，外围电路简单，便于连接。基于这些传感器对电机转速的测量方法各不相同，根据不同的测量方法可制作出不同的电机转速仪，下面介绍电机转速仪的设计。1.2 电机转速仪设计随着生产技术的要求以及电力电子技术的发展，对电机转速的要求越来越高，这就需要高精度电机转速仪的出现，目前主要有两种，一种是以单片机作为控制核心，一种是以智能芯片为控制核心。在这几年里，随着各种先进传感器的出现，和微型计算机控技术的迅速发展，利用其高精度，快速、高效、大容量的优势，把传感的模拟量经过一系列的A/D、D/A变换，转换成单片机控制系统能够直接识别的数字量，或用于人机对话的键盘处理接口，LED和LCD显示接口，用于控制输出，从而实现了智能化、自动化、远程化、强电弱控等现代化科技技术。并且大量投入运用到各个生产领域中，给生产带来了高效、可靠、安全等许多优势。电机作为工业生产中十分重要的电气设备，基于单片机系统的高精度电机转速仪大量问世。随着科技的迅速发展，又产生了智能型主控芯片如ICL7107，使高精度电机转速仪的设计更加简单方面。1.2.1 电机转速仪的设计随着电子技术的不断发展，在以单片机为基础的控制系统的基础上，又出现多种多功能智能芯片，从而使硬件电路更加简单，提高了研发效率，价格又便宜，实用性又强，功能性较专一。本次课程设计是就是以智能芯片ICL7107为主控芯片，实现高精度电机转速仪的设计。如图所示，电机转速仪系统主要是由电机转速脉冲产生电路、脉冲频率转换电路，主控电路及显示、稳压电源电路等组成。图1 高精度电机转速仪结构图通过对高精度电机转速仪的设计，了解电机的基本结构，工作原理和性能参数，熟悉掌握电机测速原理、测速系统的组成以及对硬件的绘制与调试，本次课程设计的设计任务、要求如下：要求：（1）利用最低廉的成本，完成一电机转速仪表设计；（2）显示采用LED数码管显示，完成0-1500转每分钟的显示。（3）显示精度到个位，完成整机设计，可以上电工作。任务：完成主电路设计，转速范围为0-1500转每分，选取合适集成芯片，完成显示单元设计；其他毕业设计中需要解决事项的安排。1.3.3 设计的意义毕业设计(论文)是学生毕业前最后一个重要的学习环节，是学习深化与升华的重要过程。它既是学生学习、研究与实践成果的全面总结，又是对学生素质与能力的一次全面检验。同时是了解电力电子的发展及应用，学会对一个项目的独立设计的机会，是非常重要的一个阶段。第2章 主控芯片的选择高精度电机转速仪系统设计是以主控芯片元件为核心，扩展一些外部接口和外围设备，组成电机测速系统，主要用于电机测速等工业生产过程中。2.1 主控芯片的选择在系统设计总体方案的确定中，首先是确定所选择的主控芯片，因为主控芯片是整个设计的核心，所有的外围电路设备都是以主控芯片为中心，是选择其他硬件电路的基础，按照本设计系统的要求，不采用单片机系统，由于在模数混合系统的设计中, 对模拟信号的采样一般是使用专用的A/D 转换器, 再加上专门的译码和锁存电路把模拟信号转换成合适的数字信号。但这样使系统的设计电路较复杂，用到的集成芯片较多，给设计带来不便。为了克服以上设计中的缺点, 在本系统的设计中选择智能型芯片作为主控元件，采用了高集成度芯片ICL7107 作为对模拟信号的采样模块, 使得电路设计更加简单, 可靠性大大提高。2.1.1 主芯片ICL7107ICL7107是美国INTERSIL公司产的高性能、低功耗的三位半A/D转换电路，包含七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。可以直接驱动发光二级管（LED），是一块应用非常广泛的集成电路。 ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好地结合在一起，它有低于10V的自动校零功能，零漂小于1V/oC，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。在用于测量负载单元、压力规管和其他桥式传感器时会有更突出的优点。主要特点：保证零电平输入时，各量程的读值均为零。 真正的差动输入和差动参考源，直接可以驱动LED显示。很低的噪声。（小于15uVp-p） 片上时钟。 低功耗（典型值小于10mW）。不需要外接由于电路。 1pA典型输入电流。基于这些特点本设计采用ICL7107作为主控芯片，要实际运用元件，必须要对它的各个原理、功能特性、引脚功能、电气参数要熟练掌握。这样才会对其功能特性有全面的认识，对实际设计会有更大的好处。下面对ICL7107做全面的介绍。（1）功能说明模拟部分如下图所示为ICL7107的模拟部分，每个测量周期分为三个阶段，分别为1 自动较零阶段（AZ）；2 信号积分阶段（INT）；3 反向积分阶段（DE）。图1 ICL7107模拟图1自动较零阶段在自动校零阶段做三件事。第一，内部高端输入和低端输入与外部管脚脱开，在内部与模拟公共管脚短接。第二，参考电容充电到参考电压值。第三，围绕整个系统形成一个闭合回路，对自动校零电容进行充电，以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压。由于比较器包含在回路中，因此自动校零的精度仅受限于系统噪声。任何情况下，折合到输入端的失调电压小于10。2信号积分阶段在信号积分阶段，自动校零回路断开，内部短接点也脱开，内部高端输入和低端输入与外部管脚相连。转换器将IN HI和IN LO之间输入的差动输入电压进行一固定时间的积分，此差动输入电压可以在一很宽的共模范围内与正、负电源的差距各为IV之内。另一方面，若该输入信号相对于转换器的电源电压没有回转，可将IN LO连接到模拟公共端上，以建立正确的共模电压。在此积分阶段的最后，积分信号的极性也已经确定了。 3反向积分阶段最后一个阶段是反向积分阶段。低端输入在芯片内部连接到模拟公共端，高端输入通过先前已充电的参考电容进行连接，内部电路能使电容的极性正确地连接以确保积分器的输出能回到零。积分器的输出回到零的时间正比于输入信号的大小。对应的数字输出为，显示值=。差动输入输入端能承受输入放大器允许的共模电压范围内的差动电压。即在比正电源低0.5V和比负电源高1V的范围。在此范围内，电路有86dB的共模抑制比。然而必须注意的是积分器的输出不能进入饱和区，一种最坏的情况可能是在输入端有一接近满量程的负向差动电压，同时又有一个较大的共模正向电压，负向的差动电压使得积分器的输出向正方向走，而此时积分器输出的正向摆幅又被正向共模电压所挤占，在这种严格的应用条件下，可适当地牺牲一些精度，将积分器的输出电压摆幅降低到低于所推荐的2V满量程。积分器的输出可在比正电源低0.3V或比负电源高0.3V的范围内摆动而不影响线性度。差动参考源参考电压能够在转换器的电源电压范围内的任意位置上产生。共模误差的主要来源是翻转电压，这是由于参考电容对其接点上的分布电容充电或放电而造成的。如果有一较大的共模电压， 正电压输入下进行反向积分时，参考电容会得以充电（电压增加）。反之，在负电压输入下进行反 向积分时，参考电容会失去电荷。这种由于正负输入电压而在参考电容上造成的电压差异会导致翻转误差。然而通过选择参考电容，使得它比分布电容大许多，则最坏情况下的误差可以控制在0.5 个显示字之内。模拟公共端此管脚主要是为在电池供电的应用场合或输入信号相对于供电电源是浮动的系统中建立一个公共电压而设置的。COMMON管脚设置的电压比正电源约低2.8V，这样的选择可以使电池电压低至接近6V时仍能工作。然而，此模拟公共端有一些参考电压的特征。只有当总的供电电压足够高使得稳压管能工作(7V)，此公共点的电压才有较低的电压系数（0.001%/V)和较低的输入阻抗()，典型情况下的温度系数小于80 ppm/。另外，片上参考源的一些不足也必须充分予以重视。在ICL7107中，由于驱动LED数码管而导致的内部发热会使性能下降。由于塑料的热阻比陶瓷的大，因此塑封电路比瓷封电路在这方面的性能要差，由于参考源的温度系数、片上功耗和封装的热阻等原因，会使接近满量程时的噪声从 25上升到80。另外，高功耗例如显示值为1000，二十段显示）与低功耗（例如显示值为1111，八段显示）使得线性度之差会达到一个字，甚至更多。参考源有正温度系数的电路在量程溢出时会多出几个字。这是因为溢出时三个低位数字均不显示，而处于低功耗状态。相似地，参考源为负温度系数的电路会在溢出和非溢出读值之间来回交替变化。这是由于芯片不断被加热和 冷却的结果。所有这些问题在使用外部参考源时自然就解决了。模拟公共端在自动校零和反向积分期间与低端输入回路相连。如果IN LO不同于模拟公共端，就会在系统中产生一共模电压并会被电路优异的共模抑制特性所抑制，然而在某些应用场合，IN LO 会被设置成一已知的固定电压（比如电源的公共端），这时，模拟公共端也应接至此同一点，以消除电路上的共模电压。此问题对于参考电压也同样重要。如果参考源能方便地接至模拟公共端，就必须要接。因为只有这样才可以消除由于参考源系统而引入的共模电压。在芯片内部，模拟公共端连接至一N沟道场效应管，该管子有约30mA的陷电流能力，以使模拟公共端的电压维持在比电源电压低2.8V(当有一负载将此公共电网正上端拉时)。但是该模拟公 共端只10A的源电流能力。由于此，COMMON端可方便地连接至负电压而不必考虑内部的参考源。数字部分ICL7107的数字部分框图，有6V的稳压二极管和一个很大的P沟管子构成的源极跟随器形成了内部数字地，字符驱动电流为8mA以满足仪表上用的共阳极LED数码管的驱动，并且由于千位的输出（19脚）要驱动两个LED，它的驱动能力加大一倍，达到16mA。当有负电压输入时，极性符号会被显示（点亮。必要时若低端输入(IN LO) 和高端输入(IN HI)反接，则该指示也会反过来。系统定时如图画出了时钟连接方式，可在这两种基本的连接方式中选择一种使用。如图所示，（1）一外接振荡器连接到第40脚。（2）如图RC振荡器所示，用三个管脚构成R-C振荡器。图2 时钟连接方式该振荡频率被除以4，然后再进入下一级计数器，以形成一个测量周期的三个阶段。它们是信号积分阶段1000个计数值），参考源反向积分阶段（0至2000个计数值）和自动校零阶段 (10003000个计数值）。在输入信号小于满量程时，自动校零将参考源中未用足的部分进行反积分，这样，使得一个完整的测量过程为4000个计数值(16000个时钟脉冲），而与输入信号无关。需要每秒三次的读数刷新速率时，可选用48KHZ的振荡频率。为使电路对60HZ的工频有最大的抑制能力，信号积分阶段的时间应为60KHZ工频的整数值，这样，可选的振荡频率为240KHZ、120KHZ、80KHZ、60KHZ、48KHZ、40KHZ等。 同样地，为了对50KHZ的工频有最好的抑制能力，可选的振荡频率有200KHZ、100KHZ、 662/3KHZ、50KHZ以及40KHZ等。请注意，40KHZ的振荡频率（每秒2.5个读数），对50KHZ和 60KHZ的工频均有抑制能力(400KHZ和440KHZ也可以)。（2）引脚功能说明第1引脚：正电源，第26引脚：负电源第21引脚：电源地第220、2225引脚：数字部分，A1-G1,A2-G2,A3-G3：分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极； 19引脚接个千位的两个二极管。第2740引脚：模拟部分，其中第27引脚：积分器第28引脚：缓冲放大器的输出端，接分电容CINT 第29引脚：积分比较器的反相输入端，外接自动调零端第30、31引脚：信号地和信号正端 图3 ICL7107引脚图第32引脚：模拟地第35、36引脚：基准地和基准电压正端第37引脚：数字地，与V+短接进行测试第3840引脚：时钟振荡的引出端，外阻容元件或石英晶体组成振荡器。（3）元器件的选择说明及主要电气参数的选用积分电阻 缓冲放大器和积分器都带有甲类输出放大器，静态电流均为100A左右。输出为4A时的非线性度很小，可忽略不计。积分电阻必须足够大，以使在整个输入信号范围内的积分电流都落在这个现行都很好的区间。同时积分电流又必须大到印刷板上的漏电流可以忽略。对于2V的满量程，470k是最优的，满量程为200mV时，可选用47k。积分电容积分电容的选择须使得最大电压摆幅不达到积分器输出电压的最大饱和摆幅，（约比电源和地底0.3V和高0.3V）。当ICL7107的模拟公共端用作参考点时，积分器输出满量程标称为2V时最佳，当ICL7107用+5V电源供电，模拟公共端接地时，3.5V至+4V的标称输出摆幅为最好。在每秒3个读数时（时钟频率为48KHz），CINT的标称值分别为0.22F和0.10F。当然，在使用不同的振荡频率时，该电容的值也要往相反的方向进行修正，以保持同样的输出摆幅。选择积分电容的另一个要求是其漏电要小，以减少翻转误差。较适合的电容是聚丙烯电容，它的漏电几乎可完全忽略，而成本又很低。自动校零电容自动校零电容的大小对系统的噪声会有些影响。在200mV满量程时，噪声显得很重要。200mV满量程时，推荐使用0.47F电容，这样，噪声在合理的范围内，同时，也加快了过载时的恢复速度。2V时，推荐使用0.047F。参考电容在绝大多数使用场合下，0.1F的电容效果最好。然而，当存在较大的共模电压（即REF LO管脚未与模拟公共端连接）和使用200mV的满量程时，可选用较大的电容，以防止产生翻转误差。一般地，1F的电容在这种情况下可将翻转误差控制在0.5个显示字范围之内。振荡器元件在所有的频率范围内，推荐使用100k的震荡电阻，振荡电容的值用f =0.45/RC推算。在48KHz的振荡频率时，C=100pF。参考电压产生满量程读书只输出所需的模拟输入电压为Vin=2VREF，这样，对于200mV和2V量程，VREF 应分别为100mV和1V。2.2 主控芯片转换原理及应用在第一节主要介绍了主控芯片ICL7107的选择及重要功能的说明，ICL7107作为一种智能型集成芯片，它的应用比较广泛，在本节里，介绍其内部转换原理及其应用。2.2.1主控芯片ICL7107的转换原理双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。它的原理性框图如图2所示，它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。时钟信号源的标准周期Tc作为测量时间间隔的标准时间。它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。图4 ICL7107的转换原理计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲Fc和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号Fc。译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。控制器的作用有三个：第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行；第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示；第三，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1” ，其余码全部熄灭。钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED 。它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段。第一阶段：自动调零阶段AZ转换开始前（转换控制信号VL=0)，先将计时器清零，并接通开关S0使积分电容C完全放电。第二阶段：信号积分INT令开关S1合到输入信号V1一侧，积分器对V1进行固定时间Tl的积分积分结果为：上式说明，在T1固定条件下V0与Vt成正比。第三阶段：反向积分DE令开关S1转至参考电压VREF一侧，积分器反向积分。如果积分器的输出电压上升至必零时，所经过的积分时间T2则可得，故可得到：可见，反向积分到V0=0这段时间T2与Vl成正比。令时钟脉冲CD的周期为Tc，计数扔器在T2时间内计数值为N得：T2=NTc,代入上式得：分析可知：T1,Tc，VREF固定不变，计数值N仅与VIN成正比，实现了模拟量到数字量的转变。下面介绍A/D转化过程的时间分配。假设时钟脉冲频率为40KHz，每个周期为4000Tc,每个测量周期中三个阶段工作自动循环。各阶段时间分配如下：信号积分时间T1用1000Tc 。信号反向积分时间T2用0一2000Tc ，这段时间的长短是由VIN的大小决定的。自动调零时间T0用10003000Tc 。图5 双积分型A/D转换器的电压波形图从上面的分析可知，T1 侍定不变的，但T2随VIN的大小而改变。因为，选基准电压= 100.0Mv ,由：得：VIN=0.1N，满量程时N=2000，同样由上式可导出满量程时VIN与基准电压的关系为：VIN=2VREF。为了提高仪表的抗干扰能力，通常选定的采样时间Tl 为工频周期的整数倍。我国采用50Hz交流电网，其周期为20Ms，应选T1=N20Ms。N= 1,2,3N越大，对串模干扰的抑制能力越强，但N越大，A/D转换的时间越长。因此，一般取T1=100Ms，即f040KHz 。式中T0为振荡周期。由上式可知，当f0=40KHz时，阻容元件的选取并不唯一，只要满足要求即可。 2.2.2 主控芯片ICL7107的应用ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。利用它可以直接输入电压模拟量，可制作成电压表头，也可以制作成多档电压表等，在本次设计中，是作为主控芯片来制作成高精度电机转速仪，系统框图如图所示， 图6 高精度电机转速仪结构框图高精度电机转速仪系统，主要是由转速脉冲采集电路、频率电压转换电路、主控电路ICL7107，共阳极数码管显示以及稳压电源模块组成，电机转速的具体转换过程及其测量显示，将在第三章里做全面的介绍。第3章 高精度电机转速仪硬件设计电机作为工业生产的直接动力，其转速是动力机械性能测试中的一个非常重要的性能参量，其大小和变化关系着机械运转是否正常，直接关系着生产效率的高低。因此对电机转速的准确测量有着严格要求。本毕业设计就是一种高精度电机转速仪的设计。3.1 设计方法与步骤高精度电机转速仪的设计既是一个理论问题，又是一个工程实际问题，它包含了微型计算机几口技术、LED显示技术、自动检测技术理论、计算方法，也包含模拟与数字电路，是一种多种学科的综合应用。下面简述高精度电机转速仪的设计方法与设计步骤。3.1.1 具备的能力与思想高精度电机转速仪的设计首先具备以下几个方面的能力：（1）必须具有一定的硬件基础知识。这些硬件不仅包括控制元件（本课程设计采用智能芯片ICL7107）及其接口，而且还包括对仪器或装置进行信息设定的键盘及开关，检测各种输入量的传感器、A/D或D/A转换电路以及打显示设备。（2）对智能芯片（ICL7107）有个全面透彻的掌握，包括各个引脚功能、输入电压及参考电压的选择。（3）具有综合运用知识的能力。（4）还必须掌握生产过程的工艺性能和被测参数的测量方法，以及被测对象的特性。高精度电机转速仪的设计思想就是将一个高精度电机转速仪设计的任务划分成几个便于实现的模块，再将各个模块分别设计，这样可以提高设计效益。然后选择元件芯片、组织硬件构成所需系统。就一台智能化仪器而言，衡量其设计水平时，往往看它在“软硬兼施”方面的运用能力，但是本设计采用智能芯片，使设计更加简单，硬件电路也相对简单方便。3.1.2 设计的内容与步骤高精度电机转速仪设计的内容与步骤主要包括以下几个方面：(1)控制系统总体方案的选择，包括设计系统的要求、测量方案的选择确定，以及工艺参数的测量范围等。(2)选择各参数 检测元件及变送器。(3)选择主控芯片，单片机控制还是用智能芯片。根据设计要求选用智能芯片。(4)系统硬件设计，包括接口电路、数模转换电路、及显示电路等。(5)选择电路元件，包括主控芯片、检测元件、A/D、D/A转换芯片、及显示。(6)绘制系统原理图。(7).系统的调试及实验。(8)书写设计论文及排版。3.2 硬件电路的实现本测速系统主要由电机转速脉冲产生电路、脉冲频率转换电路，主控电路及显示、稳压电源电路等组成。3.2.1 电机转速脉冲产生电路电机转速脉冲产生电路包括传感器脉冲采集电路和脉冲整形放大电路。（1）光电传感器的脉冲采集电路在电动机的测速系统中，在电机的转轴上安装测光电传感器或光电编码盘等测速装置，利用电机中转子的旋转所产生的脉冲来反映它的转速。通常所用的传感器有霍尔传感器和光电式传感器。霍尔传感器具有结构简单紧凑、灵敏度高以及传送过程无抖动现象，频率响应宽、寿命长等特性。但霍尔传感器存在一定程度的磁不敏感区，会降低电机转速测量的可靠性，增大测量误差，且对安装位置要求精确，因此安装调试比较复杂，并且用于产品开发时，会间接增加开发成本。而光电式传感器是利用光电元件，对带有糟口（或栅）的旋转圆盘的位置进行通断信号变化的接收，产生一系列反映转子转速位置的脉冲信号。其检测分辨率高、性能比较稳定，适用于检测各种设备转速，因此本设计采用光电式传感器来测量电机转轴的位置，从而产生转速脉冲信号。本设计采用透射式光电传感器来测定电机转速的信号。相对于传统的方法而言，该方法将成本低，其性能稳定，器件体积小，适用于进行各种电机测速。光电传感器是选用投射式槽式光电传感器。如图所示：信号盘和槽式光电传感器。 图1 光电传感器实物图如图所示，有一个齿形缺口称为信号盘，中心远点位置用来固定在电机转轴上。传感器固定在支架上，使信号盘放置在槽式传感器的槽中间（发光二极管与光敏电阻之间）。如下图所示电路是光电传感电路及脉冲产生电路转换电路。槽式电传感器由+5V 电源供电使光电二极管持续发光，当槽中无遮蔽挡物时，光敏三极管感光导通，输入到运放为0V，有遮挡物时光敏三极管断截止，输出端out为+5V。信号盘随电机转轴旋转时，信号盘的缺齿经 图2 光电传感器原理图过探头时，光透过缺口产生感应。传感器就输出1个脉冲信号，但是由于光电晶体管导通与关断时，有相应的时间延迟，致使传感器直接产生的脉冲信号，并没有严格的上升沿与下降沿，这对脉冲信号的采集极为不便，因此由传感器产生的脉冲信号还需要一定的整形与放大，这样才能有严格的上升沿与下降沿，便于电机转速脉冲信号的采集，电机转速脉冲信号输出如图所示。传感器输出的脉冲信号的整形与放大是由电压比较器LM339实现的。图3 电机转速脉冲信号输出（2）电压比较器LM339的整形与放大LM339集成块采用C-14型封装，使用灵活，应用广泛，内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。由于这些这些优点，选择该芯片作为整形与放大脉冲信号的电路。电压比较器LM339的4引脚为反相输入端，由变阻器RW1使其反相输入端电压为2.5v（采用VCC为+5V供电）保持不变，5引脚为同相输入端，当光电晶闸管导通时，输出引脚2为高电频，当光电晶闸管截止时2引脚出去低电频。这样就在电压比较器的输出端2输出一些列的脉冲信号，有严格的上升沿与下降沿。此输出脉冲个数的多少，反应了电机转速的快慢，即电机转速的大小。3.2.2 频率电压转换电路通过光电传感器产生一系列的脉冲信号，这些脉冲的个数反应了电机转速的快慢，是数字量，本设计是采用智能芯片ICL7107，作为主控芯片，它能采集的信号只能是电压信号，所以必须将这一系列的脉冲信号转换成可采集的电压信号。单位时间内脉冲的个数即就是电机转速的频率，因此，要将这些脉冲频率转换成电压，就需要频率电压转换电路。（1）频率电压转换芯片常用的频率转换电路F/U是采用集成芯片LM331来完成的，LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片。LM331可用作精密的频率电压（F/V）转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚如图，LM331内部有（1）输入比较电路、（2）定时比较电路、（3）R-S触发电路、（4）复零晶体管、（5）输出驱动管、（6）能隙基准电路、（7）精密电流源电路、（8）电流开关、（9）输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL 图4 LM331原理图和CMOS等不同的逻辑电路。此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为440V，输出也高达40V。I（PIN1）为电流源输出端，在f（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源输出对电容充电。引脚2（PIN2）为增益调整，改变的值可调节电路转换增益的大小。f（PIN3）为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由t和t决定。引脚4（PIN4）为电源地。引脚5（PIN5）为定时比较器正相输入端。引脚6（PIN6）为输入比较器反相输入端。引脚7（PIN7）为输入比较器正相输入端。引脚8（PIN8）为电源正端。（2）频率电压转换电路由LM331构成的频率电压转换电路如图所示，输入脉冲f经R1、C1组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。输入比较器的同相输入端经电阻R2、R3分压而加有约2Vcc/3的直流电压，反相输入端经电阻R1加有Vcc的直流电压。图5 频率电压转换电路当输入脉冲的下降沿到来时， 经微分电路R1、C1产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的VCC上，当负向尖脉冲大于Vcc/3时，输入比较器输出高电平使触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源IR对电容CL充电，同时因复零晶体管截止而使电源VCC通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容CL两端电压达到2Vcc/3时，定时比较器输出高电平使触发器复位，此时电流开关打向左边，电容CL通过电阻RL放电，同时，复零晶体管导通，定时电容Ct迅速放电，完成一次充放电过程。此后，每当输入脉冲的下降沿到来时，电路重复上述的工作过程。从前面的分析可知，电容CL的充电时间由定时电路Rt、Ct决定，充电电流的大小由电流源IR决定，输入脉冲的频率越高，电容CL上积累的电荷就越多输出电压(电容CL两端的电压)就越高，实现了频率电压的变换。按照前面推导V/F表达式的方法，可得到输出电压VO与fi的关系为： 其中为充电时间，RS、RLRtCt 为定值，故输入频率f与输出电压成正比。根据实际分析，电容C1的选择不宜太小，要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输入比较器，但电容C1小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。电阻RL和电容CL组成低通滤波器。电容CL大些，输出电压VO的纹波会小些，电容CL小些，当输入脉冲频率变化时，输出响应会快些。这些因素在实际运用时要综合考虑。3.2.3 测速系统本设计系统采用智能芯片ICL7107为主控芯片，其具体功能在第二章做了详细的说明，在此就其功能特点和引脚参数再做简单的介绍。（1）31/2位双积分型A/D转换器ICL7107功能与特点 ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMOS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100UV，转换精度为0.05士1 个字。 能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN 。 在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF。 能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。 输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。 整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。 噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。 芯片本身功耗小于15Mw（不包括LED）。 不设有一专门的小数点驱动信号。使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+。（2）主控电路是ICL7107智能型芯片，下面介绍ICL7107引脚功能及主要电气参数V和V-分别为电源的正极和负极；A1-G1,A2-G2,A3-G3：分别为个位、十位、百位的数码管显示驱动信号， 依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极；bck：千位笔画驱动信号。接千位LEO显示器的相应的笔画电极；PM：液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极；Oscl-OSc3 ：时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器；第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：Fosc = 0.45/RCCOM ：模拟信号公共端，简称“模拟地”，使 用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连；TEST ：测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”；VREF VREF- ：