数显式扭矩测量仪的设计电子技术课程设计报告

1、电子技术课程设计报告题目： 数显式扭矩测量仪的设计 姓名：_ _学号：_班级：_ _成 绩：_ _年月日目 录第一章 引言11.1选题的意义及目前国内外概况11.1.1扭矩测量仪国外发展状况11.1.2扭矩测量仪国内发展状况21.2电路设计的用途及实际应用情况41.3电路设计旨在解决的关键问题5第二章 总体方案设计52.1设计思路及框架52.2设计方法5第三章 电路的工作原理73.1电路原理图73.2电路元器件及其工作原理93.2.1 akc-215系列扭矩传感器93.2.2 位ad 转换器mcl4433103.2.3 七路达林顿驱动器阵列mcl413133.3电路工作原理143.4电路参数计

2、算143.4.1放大电路参数计算143.4.2滤波电路的设计163.4.3数显电压表的设计163.4.4电路元器件一览表18第四章 仿真设计结果204.1信号放大电路仿真204.2滤波电路仿真214.3总体电路仿真22第五章 结论22第六章 课程设计的体会22参考文献23 数显式扭矩测量仪的设计 第一章 引言1.1选题的意义及目前国内外概况1.1.1扭矩测量仪国外发展状况美国阿克来克斯公司(acurex co.)中的一个分公司wdc(无线数据传输公司)，自70年代起，生产“通用海上试验功率测试系统”(universal sea trial power measurement system)，显

3、示板上可显示被测主机的扭矩、转速和功率。此类仪器的扭矩测量是采用卡环式应变传感器敏感被测轴的扭转变形角，变形量与扭矩成正比。量程范围为02106nm，测量精度为1f.s.，转速测量是采用红外线测速法，精度为0.25f.s.，平均无故障时间mtbf为4200h。此外，美国的陶太克(toroductor)公司生产无接触式磁弹性扭矩仪；美国麻省理工学院研制成抗干扰性强的光纤扭矩传感器。这些都代表着世界新潮流。日本小野测试社擅长制造磁电式相位差扭矩测量仪，首期产品多半用于实验室，适用于精测扭矩。其量程范围较宽，小量程为0.210nm，中大量程为1010106nm，已成系列产品，精度可达0.51f.s.

4、。20世纪80年代初，小野测试社和赤版铁工所联合研制出船用主机扭矩测量仪ms25b，可测扭矩(5105 nm，精度0.8%f.s.)、转速(214.7r/min，精度0.1r/min)和功率(1500ps)。德国马霍克(mc.huk)公司历史悠久，生产的振弦式扭矩测量仪闻名世界。该仪器是利用轴扭转时致使传感器中的钢弦拉紧或放松，从而使钢弦自身频率变化测得扭矩；数据传输方式有滑环式和感应式。其生产的mds820产品，被测轴颈范围为501000mm，已形成系列产品。此外，德国的hbm公司(hoffinger baldwin mesefechmik gmhm)生产电阻应变式扭矩测量仪，采用弧齿联轴节

5、，以消除不同轴度带来的测量误差，独具风格。生产电阻应变式扭矩仪的还有英国霍佛科公司(hover-krafe)和荷兰的a.v.d公司，它们在舰船监测上都已亮相。不久前，市场研究机构darnell group在一份报告中指出，2010年扭矩测量仪价格预计将与现有模拟产品持平。扭矩测量仪的平均价格已经从几年前的6美元降到了目前的3美元以下，预计2010年将跌破2美元。darnell表示，随着数字与模拟控制器解决方案价格趋同，更多、更符合具体应用的第二代扭矩测量仪推出，软件开发环境持续改善，以及市场更加了解扭矩测量技术等因素的推动，扭矩测量产品生命周期的“引入”阶段接近结束，扭矩测量仪市场将迎来加速增

6、长。图1.1 扭矩测量仪市场引入期将结束，即将引来快速增长期这对扭矩测量产业无疑是一个非常好的消息。虽然扭矩测量技术被炒了很多年，但市场状况却是概念混乱，供应商的产品五花八门鲜有大批量产出货的成功案例，客户大多处于疑惑和观望之中，市场规模一直很小。不过，供应商们纷纷表示，随着市场对扭矩测量仪的需求更加强烈、对成本和复杂性误解的消除，以及更多更好扭矩测量产品的推出，未来23年内扭矩测量市场将有望起飞。就像所有的新技术一样，扭矩测量概念也充满了混淆和噪声，这主要是缘于不同的人对扭矩测量有不同的理解，不同的供应商有不同的技术路线。iwatt公司系统设计和技术总监郑俊杰表示，谈到扭矩测量，最大的混淆在

7、于扭矩测量 (digital control)和数字管理 (digital management)的不同，“管理”指的是对于开关时序、保护切断及自我诊断等，扭矩测量在这里不仅指“管理”，也是指“控制”，其中控制时核心。 郑俊杰指出，通俗地讲，数字电源就是利用数字化的方法对输入输出进行控制，以实现电路工作于最佳状态，扭矩测量中的“数字”只是一种控制方法而已。他强调说，扭矩测量和模拟控制主要区别在于如何处理反馈信号，扭矩测量是基于时钟的离散数字信号频域控制，扭矩测量平台包括常见的dsp处理器、单片机、pal、gal和fpga等，实现方式大致分为用户可编程控制和预固化两大类，模拟控制完全是在时域控制

8、。1.1.2 扭矩测量仪国内发展状况国内扭矩测量技术的研究和扭矩测量仪的生产已初具规模，从扭矩测量仪的类别、数量和质量来看，绝大部分式电阻应变式和磁电式扭矩仪。电阻应变式扭矩测量仪是拾取粘贴在受扭轴上的电阻应变片的阻值变化来测量扭矩的，故无须断开轴系，而且测量仪表也可采用通用的电阻应变仪。电阻应变式传感器的生产单位较多，如北京机床研究所、中国船舶工业总公司701研究所，上海通用机械研究所，成功的应用于机床和各种动力轴的扭矩测量。在舰船、货船主机扭矩测量上，中国船舶工业总公司上海704研究所生产的卡环型应变式扭矩传感器，测量时只要将卡环卡在轴上就可测量扭矩，测量仪表采用intel mcs-51单

9、片机作为核心的智能仪器，可同时测量扭矩转速、功率，并具有自诊断、数据处理、温度修正、越限报警等功能，集成度高，可靠性好。磁电式扭矩测量仪最早的研制单位是上海电器科学研究所，供应市场的是1000 nm扭矩转速传感器和数字扭矩转速测盆仪。随后上海交通大学、中国船舶工业总公司上海704研究所、天津机械工程研究所、上海第二电表厂、湘西仪表元件厂、哈尔滨东安机器厂、沈阳机电学院相继研制成磁电式扭矩测量仪，这种类型的扭矩仪是目前国内应用最多的扭矩仪。例如中国船舶工业总公司上海704研究所制造的20 -20knm扭矩转速传感器和数字扭矩转速测量仪，成功地应用在地质矿产部钻机上。现场的钻探表演，获得美国、俄罗

10、斯等31国参加联合国亚太地区钻机学术会议专家的好评。该所生产的磁电式扭矩测量仪也可与上述的智能化测量仪连用，系统精度为0 .596 f.s.。振弦式扭矩测量仪较先研制的单位是中国船舶工业总公司702研究所，此外还有中国船舶工业总公司上海708研究所、上海自动化仪表所、海通信工厂等。国内研制成磁弹性时扭矩测量仪的单位有哈尔滨科技大学、天津电气传动所、北京冶金设计院等。现在，中国已成为全球最大的数字式控制产品应用市场。在这一市场里，什么样的产品正在成为主流，未来还会有怎样的变化？为此，科学时报记者采访了在中国市场占有率第一的日本瑞萨科技公司的相关人士。武部秀治和邱荣丰都认为，以中国为中心的亚洲市场

11、已成为全球增长最强劲的扭矩测量仪产品应用市场。汽车电子和工业电子成为维持中国数字是控制器市场增长的关键推动因素。此外，监控、马达控制和测量仪器市场的增长也对中国市场有较大贡献，特别是安全系统、马达控制、电力机车、安全与控制以及车载娱乐系统将成为扭矩测量仪的新驱动力。据市场研究公司isuppli预测，2005年到2010年，中国扭矩测量产品市场将分别达到11%和20%的复合年增长率。“从2008年开始，中国市场会进入一个新的时代，对扭矩测量仪的市场需求会迅速增加，所以瑞萨计划从明年开始推出更多产品。”武部秀治表示。供应商为了提供更高性能的产品，无可避免地要面对功耗挑战。目前，随着市场的发展，单纯

12、通过提高时钟速率提升性能的方式，将带来极大的功耗问题。此外，对厂商来说，未来在汽车应用中对系统安全性的要求会越来越高，特别是发动机管理、安全等直接关系到乘客生命安全的系统，在这些系统中往往会使用更高级扭矩测量技术。为此，各厂商正努力以新的方式寻求突破。现在，国内扭矩测量仪市场基本被国外厂商所垄断。华润矽科、上海海尔集成等国内生产设计公司正在奋起直追。不过，由于中国的应用市场非常分散，从低端电子玩具到高级移动电话基站，对国际供应商来说，继续在中国发展业务也面临很大的挑战。与全球其他区域相比，邱荣丰认为，中国市场的特点是，企业在推出产品的时候，要考虑到整体解决方案。其次，产品一定要在成本方面有竞争

13、力。此外，服务要周到。据他透露，瑞萨目前在中国已经有100多个专门从事技术支持的工程师。1.2电路设计的用途及实际应用情况扭矩测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中必不可少的内容。随着现代科学技术的迅猛发展，扭矩测量技术已充分引起人们的重视，成为测试技术的一个新分支。扭矩已成为众多机械量测量中的一个主要参数。近年来，世界各工业发达国家相继探讨出许多扭矩测试新技术，研制、生产出较多的新颖扭矩测量仪。改革开放以来，我们走技术引进、自主创新之路，极大的推动了扭矩测量技术的发展。在高新技术中，扭矩测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算机等多方面知识的

14、一门学科。扭矩测量应用范围很广泛，主要用于: 1,电动机,发动机,内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测; 2,风机,水泵,齿轮箱,扭力板手的扭矩及功率的检测; 3,铁路机车,汽车,拖拉机,飞机,船舶,矿山机械中的扭矩及功率的检测; 4,可用于污水处理系统中的扭矩及功率的检测; 5,可用于制造粘度计; 6,可用于过程工业和流程工业中。扭矩测量技术的发展取决于传感器、信号传输和测量仪的研究。目前，由于微机的应用，扭矩测量仪性能大大提高，而传感器的研究与测量仪相比稍有逊色。因此必须加强传感器的研究，这就要从传感器种类、精度、规格、安装、信号传递等方面加以研究。目前传感器主要发展动向为：1.传感器

15、从介入式发展成不介入式。以往扭矩传感器大部分属于介入式，即必须作为传动轴一部分才能使用，这样限制了它的应用范围，一般用于实验室、台架测量。现在逐渐推广的卡环式应变型扭矩传感器，即为不介入式扭矩传感器，只要将传感器卡在轴上或安装在轴边，无须断开轴系，这样给实际工况测量扭矩带来很大的方便。再如振弦式传感器、磁弹性传感器都属于不介入式扭矩传感器。2.对新型扭矩传感器的研究的同时并对经典扭矩传感器加以改进。随着新原理、新材料的发现和微细加工、微机械加工技术的发展和应用，正在促进传统传感器的变革，新型磁弹性传感器和光纤扭矩传感器结构简单、使用方便，代表扭矩传感器的新动向。磁电型相位差传感器是一种比较成熟

16、的传感器，现经改型成为不带辅助电机的磁电型传感器，不但减轻了重量、缩小了体积、降低了成本，而且耐振性能好。微扭矩测量传感器的研究。随着家用电器的迅速发展，如电风扇、微电机、缝纫机、剃须刀、电冰箱、洗衣机甚至开关都要测量扭矩，急待解决g ? cm级的扭矩测量，新传感器的研制将成为解决这一问题的关键。在信号传输方面，以往采用的是接触式滑环传输，这种传输方式易磨损、需常清洗、安装难，容易引入干扰信号。近期推出的传感器一般均为无接触式传输。如感应方式或遥测体制，它克服了接触式传输的缺点。随着检测变换集成化和多功能化，将过去先检测传输、后对信号进行变换处理的概念演变为先检测变换处理，后再进行传输，这一变

17、更已成为可能。扭矩测量仪的智能化、微机化是当今测量仪变革的主流，单片微机和软件的开发应用已使信号的检测、采集、比较、相关、数字滤波、域间变换、逻辑和函数运算、程序给定和反馈控制等功能由仪器本身来实现成为可能。软件扩展了结构的性能限制，并使仪器具有智能化。既能适应被测参数的变化来自选量程、自动补偿、自动校正、人机对话、自寻故障，并能方便的与总线接口，进行多台联机通信及控制。在扭矩传感器信号传输及测量仪的总成上，工业化扭矩仪研制的呼声愈来愈高，一改以往扭矩测量仪多半应用于实验室台架测量的情景。工业化扭矩仪的要求是必需满足苛刻的工业应用环境，即可靠性要高，重复性要好，价格要低廉，与机器匹配，安装方便

18、，但精度要求不高，用其作为指导生产、保护机械不受损伤的有效手段。1.3电路设计旨在解决的关键问题扭矩是旋转动力机械的重要工作参数，而扭矩测量已经成为机械量测量中一个重要组成部分。若能准确、可靠、方便地测出受试机械的平均或瞬时的扭矩值、转速和功率，这将有利于改进和提高其性能。同时，装置测试系统可作旋转动力机械日常运行的监视装置，起到故障诊断或可用作自动控制系统的检测装置。第二章 总体方案设计2.1设计思路及框架本设计由四部分构成。首先拉压力传感器将压力大小转化成毫安电级信号，之后微小的电压信号经放大器放大成标准的电信号，之后电信号经滤波器滤波输出，最后数显式电压表接收信号显示电压。总体框图如图2

19、.1。传感器信号放大电路滤波电路数显电压表图2.1 总体框图2.2设计方法方案1 反相串联结构型双运放高共模抑制比放大电路图2.2为反相输入高共模抑制比差动放大电路。图2.2 反相串联结构型其输出电压uo为当,时，输出电压为零，共模信号得到了抑制。通常，为了， 负载相同，取,。由此可见，这种电路的抑制能力只与外接电阻对称精度有关。但该电路外接电阻对称精度很难提高，而且电路的输出阻抗低，所以该电路应用范围狭窄。方案2 三运放高共模抑制比放大电路图2.3所示电路是目前广泛应用的高共模抑制比放大电路。图2.3三运放高共模抑制比放大电路该电路由三个集成运算放大器组成，其中u1,u2为两个性能一致（只要

20、是指输入阻抗、共模抑制比和增益）的同向输入通用集成运算放大器，构成平衡对称（或称同向并联型）差动放大输出级，u3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制u1,u2的共模信号，并适应接地负载的需要。这种电路由于u1,u2的隔离作用，输出级的外部电阻可以取得较小，有利于提高电阻的匹配精度，提高整个电路的共模抑制比。电路中在u3的两输入端接入,和共模补偿电路，通过调节，则可补偿电阻的不对称，获得更高的共模抑制比。综合以上文字的比较，本设计采用方案2。第三章 电路的工作原理 3.1电路原理图本设计由四部分构成。首先拉压力传感器将压力大小转化成毫安电级信号，之后微小的电压信号经放大器放大成标准的电信

21、号，之后电信号经滤波器滤波输出，最后数显式电压表接收信号显示电压。电路原理图如图3.1。电路原理图如图3.13.2电路元器件及其工作原理3.2.1 akc-215系列扭矩传感器一 用途随着现代化程度的不断提高，扭力定值的测量越来越广泛，我司生产的akc系列扭矩传感器主要用于航天，航空，汽车，建筑，化工，机械行业等领域，用来测量扭矩扳手，搅拌力矩，铰链力矩，拖机力矩。二 工作原理1. 扭矩测量基本原理 akc-215系列扭矩传感器是以电阻应变计为转换元件的传感器。电阻应变计是基于金属电阻丝的电阻-应变效应。所谓电阻应变效应是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象

22、。 在传感器的弹性体上粘贴有电阻应变计并组成惠斯通电桥。给电桥加上激励电压，在扭矩的作用下弹性体产生变形,应变计由此产生电阻变化，从而使电桥发生不平衡，电桥输出与扭矩呈线性关系的电压信号。我司结合先进的现代化电子技术，采用供桥电源，输出信号的无接触耦合传输方式，完美解决了旋转状态下扭矩数值的采集。2. 转速测量基本原理。 当测速码盘旋转时，通过光电开关输出具有一定周期宽度的脉冲信号，根据码盘的齿数和输出信号的频率，即可计算出相应的转速。三 主要技术指标1.扭矩精度： 0.1 2.转速精度： 60个脉冲/转（无积累误差） 3.供电电压： 15vdc 4.信号输出幅值：0-5v.coms 5.扭矩

23、频率输出范围： 零扭矩10khz50hz 正向扭矩满量程：15khz50hz 反向扭矩满量程：5khz50hz 6.允许转速： 5000转/分 7.温度补偿范围：-1060 8.允许过负荷：120fs3.2.2 位ad 转换器mcl4433在数字仪表中，mcl4433 电路是一个低功耗位双积分式ad 转换器。和其它典型的双积分a/d 转换器类似，mcl4433ad转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。如果必要设计应用者可参考相关参考书。使用mc14433 时只要外接两个电阻(分别是片内rc振荡器外接电阻和积分电阻ri)和两个电容(分别是积分电容ci 和自动调零补偿电容c)就能执行 位的

24、ad 转换。mc14433 内部模拟电路实现了如下功能：1）提高ad 转换器的输入阻抗，使输入阻抗可达l00m以上；2）和外接的ri、ci 构成一个积分放大器，完成vt 转换即电压时间的转换；3）构造了电压比较器，完成“0”电平检出，将输入电压与零电压进行比较，根据两者的差值决定极性输出是“1”还是“0”。比较器的输出用作内部数字控制电路的一个判别信号；4）与外接电容器c0 构成自动调零电路。除“模拟电路”以外，mc14433 内部含有四位十进制计数器，对反积分时间进行3 位半bcd码计数(01999)，并锁存于 位十进制代码数据寄存器，在控制逻辑和实时取数信号(du)作用下，实现ad 转换结

25、果的锁定和存储。借助于多路选择开关，从高位到低位逐位输出bcd码q0q3，并输出相应位的多路选通脉冲标志信号ds1ds4 实现位数码的扫描方式（多路调制方式）输出。mc14433 内部的控制逻辑是ad转换的指挥中心，它统一控制各部分电路的工作。根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成ad转换各个阶段的开关转换，产生定时转换信号以及过量程等功能标志信号。在对基准电压vref 进行积分时，控制逻辑令4位计数器开始计数，完成ad转换。mcl4433内部具有时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，井利用内部电容形成振荡，产生节拍时钟脉冲，使电路统一动作，这是一种施密特触发式正反馈rc多谐振荡器，一般外

26、接电阻为360k时，振荡频率为100khz；当外接电阻为470k时，振荡频率则为66khz，当外接电阻为750k时，振荡频率为50khz。若采用外时钟频率。则不要外接电阻，时钟频率信号从cpi(原文资料为clki)(10 脚)端输入，时钟脉冲cp 信号可从cpo(原文资料为clko)(11 脚)处获得。mc14433 内部可实现极性检测，用于显示输入电压ux 的正负极性；而它的过载指示(溢出)的功能是当输入电压vx 超出量程范围时，输出过量程标志（低有效）。mc14433 是双斜率双积分ad 转换器，采用电压时间间隔(vt)方式，通过先后对被测模拟量电压ux 和基准电压vref 的两次积分，将

27、输入的被测电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，用计数器测出这个时间间隔对应的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。双积分过程可以做如下概要理解：首先对被测电压ux 进行固定时间t1、固定斜率的积分，其中t1=4000tcp。显然，不同的输入电压积分的结果不同（不妨理解为输出曲线的高度不同）。然后再以固定电压vref 以及由ri,ci 所决定的积分常数按照固定斜率反向积分直至积分器输出归零，显然对于上述一次积分过程形成的不同电压而言，这一次的积分时间必然不同。于是对第二次积分过程历经的时间用时钟脉冲计数，则该数n 就是被测电压对应的数字量。由此实现了ad 转换。积分电阻电容的选择应根据实际条件而

28、定。若时钟频率为66khz，ci 一般取0.1f。ri 的选取与量程有关，量程为2v 时，取ri 为470k；量程为200mv 时，取ri 为27 k。选取ri 和ci 的计算公式如下：ri =式中，uc 为积分电容上充电电压幅度,uc= v-,=0.5vt=4000例如，假定ci=0.1f，vdd=5v，fclk=66khz。当ux(max)=2v 时，代入上式可得ri=480k，取ri=470k。mc14433 设计了自动调零线路，足以保证精确的转换结果。mc14433ad 转换周期约需16000 个时钟脉冲数，若时钟频率为48khz，则每秒可转换3 次，若时钟频率为86khz，则每秒可转

29、换4 次。mcl4433 采用24 引线双列直插式封装，外引线排列，参考图3.2.1 的引脚标注，各主要引脚功能说明如下：(1) 端：vag，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压ux 和基准电压vref 的参考点地。(2) 端：rref，外接基准电压输入端。(3) 端：ux，是被测电压输入端。(4) 端：ri，外接积分电阻端。(5) 端：rici，外接积分元件电阻和电容的公共接点。(6) 端，c1，外接积分电容端，积分波形由该端输出。(7) 和 (8) 端：c01 和c02，外接失调补偿电容端。推荐外接失调补偿电容c0 取0.1f。(9) 端：du，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若

30、在双积分放电周期即阶段5 开始前，在du 端输入一正脉冲，则该周期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出，否则输出端继续输出锁存器中原来的转换结果。若该端通过一电阻和eoc 短接，则每次转换的结果都将被输出。(10) 端：cpi (clki)，时钟信号输入端。(11) 端：cpo (clko)，时钟信号输出端。(12) 端：vee，负电源端，是整个电路的电源最负端，主要作为模拟电路部分的负电源，该端典型电流约为0.8ma，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向vss 端。(13) 端：vss 负电源端(14) 端：eoc，转换周期结束标志输出端，每一ad 转换周期结束，eoc 端输出一

31、正脉冲，其脉冲宽度为时钟信号周期的12。(15) 端： ，过量程标志输出端，当|ux|vref 时，输出低电平，正常量程 为高电平。(16)(19) 端：对应为ds4ds1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端，当ds 端输出高电平时，表示此刻q。q3 输出的bcd 代码是该对应位上的数据。(20)（23）端：对应为q0 一q3，分别是ad 转换结果数据输出bcd 代码的最低位(lsb)、次低位、次高位和最高位输出端。(24) 端：vdd，整个电路的正电源端。3.2.3 七段锁存-译码-驱动器cd4511cd4511 是专用于将二-十进制代码(bcd)转换成七段显示信号的专用

32、标准译码器，它由4位锁存器，7 段译码电路和驱动器三布分组成。(1) 四位锁存器(latch)：它的功能是将输入的a，b，c 和d 代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端（le 端，即latchenable）控制下起锁存数据的作用。当le=1 时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次le=0时输入的bcd 码；当le=0 时，锁存器处于选通状态，输出即为输入的代码。由此可见，利用le 端的控制作用可以将某一时刻的输入bcd 代码寄存下来，使输出不再随输入变化。(2) 七段译码电路：将来自四位锁存器输出的bcd 代码译成七段显示码输出，mc4511中的七段译码器有

33、两个控制端： (lamp test)灯测试端。当= 0时，七段译码器输出全1，发光数码管各段全亮显示；当 = 1时，译码器输出状态由 端控制。 (blanking)消隐端。当= 0时，控制译码器为全0 输出，发光数码管各段熄灭。 = 1时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。上述两个控制端配合使用，可使译码器完成显示上的一些特殊功能。(3) 驱动器：利用内部设置的npn 管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20ma。cd4511 电源电压vdd 的范围为5v 一15v，它可与nmos 电路或ttl 电路兼容工作。cd4511 采用16 引线双列直插式封装，引脚分配和真值表

34、参见图3.2.2。使用cd451l 时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需外接限流电阻。3.2.3 七路达林顿驱动器阵列mcl413mcl413采用npn达林顿复合晶体管的结构，因此具有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受mos 或cmos 集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载该电路内含有7 个集电极开路反相器(也称oc 门)。mcl413 电路结构和引脚如图3.2.3 所示，它采用16 引脚的双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的续流二极管。4高精度低漂移能隙基准电源mcl403mcl403 的输出电压的温度系数为零，即输出电压与

35、温度无关该电路的特点是：温度系数小； 噪声小； 输入电压范围大，稳定性能好，当输入电压从+45v变化到+15v 时，输出电压值变化量小于3mv；输出电压值准确度较高，y。值在2475v2.525v 以内； 压差小，适用于低压电源； 负载能力小，该电源最大输出电流为10ma。mcl403 用8条引线双列直插标准封装，如图3.2.4 所示。输入输出le ei lt d c b ax 0 x x x x xx o x x x x x0 1 1 0 0 0 00 1 1 0 0 0 10 1 1 0 0 1 00 1 1 0 0 1 10 1 1 0 1 0 00 1 1 0 1 0 10 1 1 0

36、 1 1 00 1 1 0 1 1 10 1 1 1 0 0 00 1 1 1 0 0 1a b c d e f g 字1 1 1 1 1 1 1 80 0 0 0 0 0 0 暗1 1 1 1 1 1 0 00 1 1 0 0 0 0 11 1 0 1 1 0 1 21 1 1 1 0 0 1 30 1 1 0 0 1 1 41 0 1 1 0 1 1 50 0 1 1 1 1 1 61 1 1 0 0 0 0 71 1 1 1 1 1 1 81 1 1 0 0 1 1 90 1 1 a到f0000000暗 1 1 1 x输出及显示取决于锁存前数据图 3.2.2 cd4511 引脚分配及其真

37、值表 图 3.2.3 mc1413 引脚分配及内部结构 图3.2.4 mc14033.3电路工作原理本设计由四部分构成。首先拉压力传感器将压力大小转化成毫安电级信号，之后微小的电压信号经放大器放大成标准的电信号，之后电信号经滤波器滤波输出，最后数显式电压表接收信号显示电压。3.4电路参数计算3.4.1放大电路参数计算放大电路采用三运放高共模抑制比放大电路，电路如图3.4.1所示。图3.4.1 三运放高共模抑制比放大电路该电路由三个集成运算放大器组成，其中u1,u2为两个性能一致（只要是指输入阻抗、共模抑制比和增益）的同向输入通用集成运算放大器，构成平衡对称（或称同向并联型）差动放大输出级，u3

38、构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制u1,u2的共模信号，并适应接地负载的需要。由于扭矩传感器输出的是毫伏级的电压信号，所以放大电路放大倍数要达到1000倍，才能将电压信号转换成用于测量的标准信号。由于输入级电路可写出流过，和得电流为由此求得，于是输入级的输出电压，即运算放大器u2与u1输出之差为其差模电压增益为输出级放大器u3的差模增益为所以整个电路的增益，由前面分析，顾令，得电路参数为：；u1,u2和u3选用高精度，低飘逸的集成运算放大器4e325，电路能够获得相当优良的性能。3.4.2 滤波电路的设计本设计的电压信号是直流信号，频率比较低，只有几到几十赫兹，而干扰主要是外界的高频

39、干扰信号，所以滤波电路采用两级的无源rc低通滤波电路。电路图如图3.4.2所示。图3.4.2 滤波电路rc低通滤波电路的回路电压为 增益为截止频率电路中取第一级滤波电路截止频率为，根据公式取，；取第二级滤波电路截止频率为，根据公式取，。3.4.3数显电压表的设计数字电压表将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示。该系统（如图3.4.3 所示）可采用mc14433 位a/d转换器、mc1413 七路达林顿驱动器阵列、cd4511bcd到七段锁存-译码-驱动器、能隙基准电源mcl403和共阴极led发光数码管组成。本系统是位数字电压表， 位是指十进制数00001999。所谓3 位是指个位、十位

40、、百位，其数字范围均为09，而所谓半位是指千位数，它不能从0 变化到9，而只能由0变到l，即二值状态，所以称为半位。各部分的功能如下： 位ad 转换器(mc14433)：将输入的模拟信号转换成数字信号。基准电源(mc1403)：提供精密电压，供ad 转换器作参考电压。译码器(mc4511)：将二十进制(bcd)码转换成七段信号。驱动器(mc1413)：驱动显示器的a，b，c，d，e，f，g 七个发光段，驱动发光数码管(led)进行显示。显示器：将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出ad 转换结果。工作过程如下： 位数字电压表通过位选信号ds1ds4 进行动态扫描显示，由于mcl4433 电路

41、的ad 转换结果是采用bcd 码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的led发光数码管动态扫描显示。ds1ds4 输出多路调制选通脉冲信号。ds选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通，此时该位数据在q0q3 端输出。每个ds选通脉冲高电平宽度为18 个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2 个时钟脉冲周期。ds和eoc的时序关系是在eoc脉冲结束后，紧接着是ds1 输出正脉冲。以下依次为ds2、ds3 和ds4。其中ds1 对应最高位(msd)，ds4 则对应最低位(lsd)。在对应ds2，ds3 和ds4 选通期间，q0q3 输出bcd全位数据，即以

42、8421码方式输出对应的数字09在ds1 选通期间，q0q3 输出千位的半位数0或l及过量程、欠量程和极性标志信号。 图3.4.3 位数字电压表在位选信号ds1 选通期间q0q3 的输出内容如下：q3 表示千位数，q3=0 代表千位数的数宇显示为1，q3=1 代表千位数的数字显示为0。q2 表示被测电压的极性，q2 的电平为1，表示极性为正，即ux0，q2 的电平为0，表示极性为负，即ux1999，则溢出。x r |u |u 则 输出低电平。当 = 1时，表示x r |u |u 。平时 输出为高电平，表示被测量在量程内。mcl4433 的端与mc4511 的消隐端 直接相连，当ux 超出量程范围时， 输出低电平，即 = 0 = 0，mc4511 译码器输出全0，使发光数码管显示数字熄灭，而负号和小数点依然发亮。3.4.4 电路元器件一览表akc-215系列扭矩传