数显仪表课程设计3

目录

第1章数显仪表工作原理 (2)

1.1数字式显示仪表的基本构成 (2)

1.2数字仪表的主要技术指标 (3)

1.3线性化问题 (4)

1.4信号的标准化及标度变换 (5)

第2章数显仪表的制作 (6)

2.1 总电路图如下图 (6)

2.2 ICL7107双积分A/D转换器 (6)

2.3 MC1403 (8)

2.4 LM324 (9)

2.5 LED显示器 (9)

第3章数显仪表的安装 (10)

3．1 数显部分的安装 (10)

第4章结论与体会 (11)

参考文献 (12)

第1章 数显仪表工作原理

1.1数字式显示仪表的基本构成

1.1 数字式显示仪表的基本构成

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

在生产过程中大量的工艺参数，经过变送器变换后多数是转换成相应的电参量的模拟量。因此，对数字显示仪表所要求的模数转换装置，都以电信号为输入量，由此可见数字式显示仪表实际上是以数字电压表为主体组成的仪表。

图1-1 数字显示仪表的方框图

数字仪表按工作原理分为：不带微处理器和带微处理器的。其原理图如图1-1所示。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；代微处理器的仪表，是借助软件的方式来实现原理框图中的有关功能。

在生产过程中要求显示仪表反映的显示制式被测参数的函数，并且要求能自动地补偿其他干扰因素（如室温等）。这些函数关系有些是线性的，但多数是非线性的。为了将被测参数以绝对值的形式和量纲反映出来，对显示仪表就必须将被测参数进行一些的运算、处理及非线性补偿、同时补偿其他参数对被测参数的影响。在一般模拟量显示仪表中，对被测参数与显示值之间的非线性函数关系，可以采用非等分标尺等方法方便地加以解决。对各种不同的量限的转换系数可以

测量

电路

电平放大

比较环节 非线性校正及A/D 转换

设定

机构 译码、驱动、显示

控 制 逻 辑

控制模式

信号输出

传感器

使用相应的量限标尺来显示。但在数字显示仪表中由于直接观察到的是所测参数 的绝对数字量，所以在数字式显示仪表中除模数转换装置外，必须具有另一重要组成部分，即对被测参数的非线性函数的线性化及各种系数的标度变换。标度变换是将仪表显示的数字量和被测物理量统一起来；而线性化环节的作用是消除或减小敏感元件非线性对测量结果的影响，使输出的数字量与被测参数间保持良好的线性关系。这两个环节的功能既可以在数字仪表的模拟部分实现，也可以在数字部分实现，在微机化仪表中，也可利用软件来实现。

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，它的优越性能和广泛的应用是传统的模拟仪表受到严重挑战。模拟仪表会不会被数字仪表所取代，已引起人们的关注和争议。一般来说，实验室用高档仪表类数字仪表明显优于模拟仪表，对于工业现场，应用数字仪表的问题目前还有争议。当前就捡个二轮，数字面板表已能和模拟仪表相竞争，而且可靠性方面和使用也有了一定保证。但是模拟仪表的一些固有特点，如可作趋向显示等仍为人们所欣赏，数字仪表尚难完全取代模拟仪表。另外在功能、精度要求不高，而更注重可靠性和实用的工业过程检测和控制系统中，模拟仪表更显现出特有的优势。因此一种可能的发展方向，尤其在面板类仪表中，是将数字仪表和模拟仪表的优点结合起来，开发出新一代显示仪表。目前出现的一种新型、采用固体电路和模拟显示的面板表-光主体（条图示）仪表就兼有数字和模拟式仪表的优点。

图1-2数字显示仪表的基本构成

1.2数字仪表的主要技术指标 （1）显示读数

线性化器

记数译码

标度变换

逻辑控制电路

被测对象

传感器

前置放大

模数转换

基准源

模拟开关

时钟

数字显示

打印记录

报警系统

数码输出

以十进制显示被侧变量值的位数称为显示位数。能够显示“0~9”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“21

位“。工业用

数字温度显示仪表的显示数常为2

1

3位，可显示－1999~1999。高精度的数字表显

示位数目前达到2

18位。

（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。例如XMZ —101数字式温度仪表，测量范围30~180℃，其量程为150 ℃，满度值为180℃。 （3）精度

目前数字式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%。系数n 是显示仪表读数最末一位数字变化，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，数字表的位数越多，这种量化所造成的相对误差就越小。 （4）分辨力和分辨率

数值仪表的分辨能力是指末尾数字改变一个字所对应的被测量变量的最小变化值，它表示了仪表能够检测到的被测量的最小变化能力。数字式显示仪表在不同的量程下的分辨力是不同的，通常在最低量程上具有最高分辨能力，并以此作为该仪表的分辨力指标。

分辨率指仪表显示的最小数值与最大数值之比。例如，最低测量范围为0~999.9℃的数字温度显示仪表，最小显示0.1℃（末位跳变一个字），最大显示999.9℃，则分辨率为0.01%。显然，分辨力即分辨率与最低量程的乘积。上述仪表的分辨力为0.01%*999.9℃=0.1℃ （5）输入阻抗

数字式显示仪表是一种高输入的仪表，输入阻抗可达1012 。 （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。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20~60dB ，共模干扰抑制比为120~160Db 。 1.3线性化问题

对于显示仪表来说，一般希望它的刻度方程式线性的，以保证在整个测量范围内具有恒定的灵敏度。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理量之间存在程度不同的非线性。例如：铂电阻，其阻值随温度变化是非线性的，特征方程为

t R =to R (1+At+B 2t ) 0≤t ≤850

t R =to

R [1+At+B 2t +c(t-100)3t ] -200

式中t R ——温度为t 时铂电阻阻值；

to

R ——温度为0时铂电阻阻值；

A 、

B 、

C ——温度系数，为常数。

显然，铂电阻的阻值与被测温度呈非线性关系。其他诸如热电偶产生的热电势和被测温度之间，差压变送器的差压ΔP 和Q 之间都不是线性关系。

在微机化数字仪表中，利用微机具有的数据计算及检索查表功能，可用软件进行非线性补偿。软件线性化的方案很多，是查表法和采用最小二乘法原理等等。 1.4信号的标准化及标度变换

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，也是数字显示仪表中必须解决的基本问题。

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、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、电平的高低等也不同。

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，这就存在一个量纲还原问题，通常称之为“标度变换”。图2-2-3位一般数字仪表组成的原理框图。其刻度方程可以表示为：

y=S 1S 2 S 3 x=Sx

图1-3 数字仪表的标度变换

式中S 为数字显示仪表的总灵敏度或称标度变换系数，S 1 、S 2 、S 3 分别为模拟部分、摸一数转换部分、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相一致。通常当模一数转换装置确定后，则模一数转换系数S 2 也就确定了，

数字部分

模拟转换

模拟部分

y x

S 1 S 2 S 3 数字输出

要改变标度变换系数 S ，可以改变模拟转换部分的系数S 1 ，例如传感器的转换系数以及前置放大级系数等；也可以通过改变数组部分的转换系数S 3 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。因此标度变换可以在模拟部分进行，也可以在数字部分进行。

第2章 数显仪表的制作

2.1 总电路图如下图

图2-1 数显压力表原理图

2.2 ICL7107双积分A/D 转换器

目前3位半的CMOS 双积分A/D 转换器系列产品较多，型号有ICL7106、7107、7116、7117、7126、7136。上述各芯片的内部电路、引脚功能基本相同，主要技术指标相同，仅个别指标不同。如7106、7116、7120、7136可驱动LCD 数码管，属低功耗型，用9V 叠层电池供电即可，适于作袖珍仪表：7107、7117输入电流较大，能驱动LED 发光二极管型数码管，显示亮度高，用±5V 电源供电，适于台式仪表。此外，7116、7117具有数据保持功能，廉价的便携式万用表多采用7106芯片。

34

33

32

2R

680Ω

1T 3DJ7G

S V +

(+6V)

24k Ω 1k Ω

0.1μF

36 35 2~20 22~25

0.47μ 0.047μ 160k Ω 0.1μ

7650 200k Ω

47P

W

20k Ω

1k Ω 1k Ω

1k Ω 1k Ω ICL - 7107

MC 1403

- +

26 1 29 28 27

31 30

0.1μF

100k Ω 10 7

11

9 4

5 1

8 2 2×0.1μ 1R 1k Ω

5.1k Ω

1k Ω

40 39 38

S V - (-6V)

S V +

(+6V) S V +

(+6V) S V -

(-6V)

S

V +

(+6V)

图2-2 7107管脚示意图

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。ICL7107还有以下特点：

①内部有自动稳零结构电路，保证零电压输入时，读数为零；

②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，并显示出来；

③内部有时钟电路，可以外接RC 器件，产生自激震荡，也可以由外部时钟输入；

④内部供A/D 转换必需的基准稳压源，可不用外接基准电源； ⑤输出为3位七段译码信号，可直接驱动LED ；

⑥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2-2所示。ICL7106与ICL7107的原理、结构、封装等基本相同，差别在于需配接液晶显示器，可在7~15V 单电源条件下工作。各引线功能如下： P 0/M ——负号指示信号，接千位g 段；

V + D 1 C 1 B 1 A 1 F 1 G 1 E 1 D 2 C 2 B 2 A 2 F 2 E 2 D 3 B 3 F 3 E 3 1 2 3 4 5 6 7

8 9

10

11

12 13 14 15 16 17 18 19 20

40 39 38

37 36 35

34 33

32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22

AB 3 P O

/M

OSC 1 OSC 2 OSC 3 TEST REF + REF - C REF C REF COM IN + IN - A/Z BUF INT V - G 2(101) C 2(102

) A 3(102) G 3(102) GND

7107 7126

GND ——数字地；

OSC 1~OSC 3——时钟发生器接头端； REF +~REF -——基准电压的接头端； C REF ——基准电容的接头端； INT +、INT -——模拟信号输入端；

A/Z ——积分放大器反向输入端，接自校零位电容； BUF ——缓冲器输出端，接积分电阻； INT ——积分器输出端，接积分电容；

TEST ——试灯端，接高电位V +时，显示“－1999”； V +——正电源(5~6V )接头端； V -——负电源(－5~－9V )接头端。

ICL7106和ICL7107除显示方式不同外，两者的内部电路结构、设计思想和工作原理基本相同，但是译码和驱动的部分在电路结构和驱动能力上有所区别。

满量程时N=2000，此时V M =2V REF =200mv 。三位半的最大显示数为1999，满量程时将显示过载符号“1”。

为了提高仪表抗串模干扰的能力，选定的采样时间（即信号积分时间）T I 应是工频周期的整数倍。我国采用50HZ 交流电网，其周期为20ms ，应选ms n T I 20?=

其中，n=1,2,3,……。例如T I =40ms 、80ms 、100ms 等。N 愈大，对串模干扰的抑制能力愈强，但测量速率会降低。现取T I =100ms ，恰好是20ms 的五倍，能有效抑制50HZ 干扰。 2.3 MC1403

MC1403是高精度低温度漂移的基准电路。采用MC1403可获得精密的电压基准。输出电压温度系数：10/()ppm typ 。

输出电流：10mA 输出电压范围：4.540V -

图2-3MC1403的管脚排列

V in

V out GND NC

NC

NC NC NC 1 5 2 6 3 7 4

8

2.4 LM324

14 13 12 11 10 9 8

V-

LM324

V+

1 2 3 4 5 6 7

图2-4 lm324引脚图

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，lm324原理图如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用右图所示的符来表示，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，“Vo”为输出端。两个信号输入。端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。lm324引脚图见上图。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

2.5 LED显示器

在各种显示器中，LED得功率最低，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LED显示器，他们都能由集成电路直接驱动。LED显示器一般采用七段，即把七只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。LED显示器的外形尺寸我国尚未制定标准。型号是由厂家指定的，LED显示器一般指定双列直插式，相邻脚的距离为2.5mm。大型LED显示器大多采用印刷板插入式，便于安装。LED显示器，采用静态驱动显示或动态扫描显示均可，但后者能在基本不影响亮度的情况下简化线路，节约耗电。

图2-5 BS342、BS341管脚排列内部结构

第3章 数显仪表的安装

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、电容、电阻、电位器等围绕7107就近安排位置。

绘制的接线图经指导教师检查无误，即进入实际插接阶段。

插接导线时做到“细心、细心、再细心！”，丝毫不能马虎，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。

经指导教师检查面包板的线路插接正确无误后，就可以通电调试了。

(a) 管脚排列

(-) (-) +

+ dp

g

f

e d

c b

a

6 7 8 9 10

5 3 2 1 （b ） BS342型（共阳极） +

+

e

d c dp b a f g -

e

d c dp b a f g -

（c ） BS341型（共阴极）

第4章结论与体会

学校在实习阶段为我们安排了数字显示仪表课程，目的旨在加强我们的动手能力，使我们在以后的工作中遇见相同的情况时可以从容应对。通过对数字显示仪表课程的学习增强了我们的动手能力，巩固了我们以前学过的知识，加强了我们的专业基础。能接触到真正的电路电子元件，连接真正的电路是我们感到兴奋。同时在试验中我们遇到的问题也让我们感到棘手，这使我们认识到了自己动手能力的不足，这是我们难得的锻炼的机会！将所学专业与现实连接起来才能在未来的工作中有所作为！

感谢学校给我们的这次难得的实习机会，虽然以后我们所遇到的问题可能比这次实习的内容更加复杂但我坚信有了这次的锻炼我们会有能力应对！实践与理论相互结合才能使理论为实践所用，希望以后这样的课程能多一些！

参考文献

[1]邱关源，罗先觉，电路[M].北京：高等教育出版社，2006.5.

[2]华成英，童诗白，模拟电子技术[M].北京：高等教育出版社，2006.5.

[3]华成英，模拟电子技术基础习题解答[M].北京高等教育出版社，2007.3.

[4]阎石，数字电子技术基础[M].北京高等教育出版社，2006.5.

[5]孙梅生.电子技术基础课程设计[M]. 北京：高等教育出版社