数显仪表工作原理-课程设计

第1章数显仪表工作原理

1.1数字显示仪表概述

用数字显示被测值的仪表。把测量转化为数字量并以数字形式显示出来的仪表。工业测量中被测量变或位移、电流、电压、空气压等模拟量，经模数转换器，把模似量换成数字量（简称模数转换）。数字仪表以数字的形式显示被测量，读数直观。一般包括:用标度盘和指针指示电量,用电磁力为基础的电括测量线路,模数转换和数字显示三部份。

1.2数字仪表的主要技术指标

(一)显示数位

以十进制显示被测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”。

(二)仪表的量程

仪表标称范围的上，下限之差的模。量程有效范围上限为满度值。

(三)精度

目前数字显示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%±ｎ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。

(四)分辨力和分辨率

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，他表示了仪表能够检测到的被测量最小变化的能力。

分辨率指仪表现实的最小数值与最大数值之比。

(五)输入阻抗

数字是显示仪表是一种高输入阻抗的仪表，输入阻抗可达12

10Ω。

(六)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来表征抗干扰能力大小。

1.3数字显示仪表的特点

1）数字显示，读数不存在视觉误差。

2）精确度一般较高，数字电工仪表由于没有机电类仪表的可动部分，所以机械摩檫，变形的影响极小，只要元器件的质量、性能上没问题，数

字仪表是比较容易制成很高精准度的仪表，比如深圳科立恒电子有限公司的生产的KM显示表精度都已经达到了0.01%，，代理的CSS系列产品已经达到了十万分之一的精确度，而目前一般机电类仪表精准度达0.1%已很不容易，而数字仪表可轻易达到0.05%，目前有些数字仪表以达到0.01%的精确度。

3）灵敏度高。由于有些数字仪表内多设有各种放大线路或器件，所以可测量较小的信号，如1mA左右的电流信号号、0.01Hz的频率信号

4)输入阻抗高。数字仪表一般本身有工作电源，除测量电流外，一般阻抗都可以制得较高，使在测量时对被测物理量影响很小。

5）使用方便。特别是实验室用便携式、台式仪表，可制成多量程（目前有-1999~9999显示量程的KM表系），多功能仪表（可测量电流电压频率功率线速转速）。

6）性价比高

7）抗干扰性能教差，由于数字仪表灵敏度高，其副作用就是抗干扰性能差，外磁场和电场等变化容易引起读书变化，为了解决这一现象；深圳科立恒公司，在技术方面投入巨资，应用先进的表面贴装工艺和电磁隔离技术，弧型设计面板确保仪表的长期稳定。

8）数字仪表的精确度，表示方法不同于指针式仪表，数字仪表一般多以上量限或读数值为基准值的百分数再加上几个数字来表示该表的精确度，比如KM系列数显仪表，系统精度0.1%(直流)，0.2%（交流）满刻度1字。一般多功能，多量程的数字多用表的各功能、量程档位不同时，精确度也不一样。

1.4压力传感器的工作原理

在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体，如果对这一电阻体施加压力，由于压电电阻效应，其电阻值将发生变化。受到应变的部分，即膜片由于容易感压而变薄，为了减缓来自传感器底座应力的影响，将压力传感器片安装在玻璃基座上。

当向空腔部分加上一定的压力时，膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。，受到拉伸的电阻R2和R4的阻值增加；受到压缩的电阻R1和R3阻值减小。由于各压电电阻如那样组成桥路结构，如果将它们连接到恒流源上，则由于压力的增减，将在输出端获得输出电压ΔV，当压力为零时的ΔV等于偏置电压V offset,在理想状态下我们希望V offset=0V，实际上在生成扩散电阻体时，由于所形成的扩散电阻体尺寸大小的不同和存在杂质浓度的微小差异，因此总是有某

个电压值存在。压力为零时，R1=R2=R3=R4=R，我们把加上一定压力时R1、R2电阻的变化部分记作ΔR；相应R3、R4电阻的变化部分记作-ΔR，于是ΔV=ΔRI。这个ΔV相对压力呈现几乎完全线性的特性，只是随着温度的变化而有所改变。

压力传感器的工作原理是当压敏电阻受压后产生电阻变化，通过放大器放大并采用标准压力标定，即可进行压力检测。压力传感器的性能主要取决于压敏元件（即压敏电阻）、放大电路，以及生产中的标定和老化工艺。在目前的压力传感器封装工艺中，通常可以将压阻式敏感芯体做得体积小巧、灵敏度高，而且稳定性好，并将压敏电阻以惠司通电桥形式与应变材料（通常为不锈钢）结合在一起，这样一来，就能确保压力传感器过载能力强和抗冲击压力强。该类传感器适合测量高量程范围的压力变化，尤其在1Mpa以上时，线性很好，精度也很高，并适合测量与应变材料兼容的各类介质。陶瓷压阻在结构上，该类传感器将压敏电阻以惠司通电桥形式与陶瓷烧结在一起。其过载能力较应变片类低一些，抗冲击压力较差，但灵敏度较高，适合测量50Kpa以上的高量程范围，而且耐腐蚀，温度范围也很宽。抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，可以和应变式传感器相兼容。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度大于2kV，输出信号强，长期稳定性好。与上述两种结构不同，扩散硅采用在硅片上注入粒子形成惠司通电桥形式的压敏电阻。被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。因此扩散硅传感器灵敏度和精度最高，适合测量1kpa到40Mpa的压力范围。一般情况下，扩散硅传感器分为带隔离膜片和非隔离膜片两种，非隔离膜片只能测量干净的气体，隔离膜片为软性膜片和刚性膜片，适合测量各种类型的介质。压电式传感器是利用某些晶体的极化效应，即当晶体沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应。压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢胺、钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等，其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，磷酸二氢胺属于人造晶体，而压电陶瓷等则属于多晶体。压电压力传感器主要应用在压力和力等

的测量中，比如在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用。特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。

第2章 数字仪表的制作

数显仪表的工作原理图如图2-1所示，它是配接硅压卒式压力传感器，利用0~2000mV 发光二极管显示标准表头，制成数字式压力显示仪表

图2-1 数显压力表原理图

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。

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。

ICL7107D 模拟部分每个转换周期分为自校零位、信号积分（采样）、反相积分（比较）三个阶段。

1) 自校零（A/Z ）阶段

模拟电路部分的模拟开关A/Z 接通，其余开关全部断开，电路进入自交零状态。这时模拟输出端-+INT INT 及与公共模拟端COM 短路AZ 、比较器输出端、输入端接通负反馈回路。电路中的总飘逸电压对自校零电容充电，以记忆并抵消漂移电压对转换的影响。与此同时基准电容REF C 被基准电压充电至REF V 。

2) 信号积分(INT )阶段

模拟开关INT 接通，其余开关均断开—负反馈回路断开、输入端短路解除并对模拟输入信号进行采样积分。输入信号1V 经过缓冲器送至积分器，大大提高了

转换器的输入阻抗。

3) 反相积分（DE ）阶段

模拟开关+DE 或-DE 接通，与输入电压I V 反极性的基准电压REF V 接入积分器，同时计数器从零开始计数，反相积分阶段开始。当积分器输出电压为零时，计数器停止计数，锁存器存储并计算器的结果，经译码由发光二极管显示器显示输入电压I V 的数值，一次转换结束。反相积分阶段一结束，电路既自动转入自校状态开始了下一个转换周期。

2.2 发光二极管

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。

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，电阻，电容，电位器等围绕7107就近安排。

图3-1 实物连接图

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”。

3.3结果分析

经过安装与调试，实验成功

由测量可知该表测量电压较准确，与万用表有一定的差异应是分压电阻和模拟开关的导通电阻引起的，可以实现自动切换量程功能能够实现。

测量数据则可知该表测量电压较准确，与万用表有一定的差异应是分压电阻和模拟开关的导通电阻引起的，可以自动切换量程功能能够实现。并且此面包板可以自动的进行量程的切换，可以根据上述的测量结果说明我们连接的面包板无误，可以精准地测量，实现对液体流量、气体流量和液体密度测量，这都将是我们以后研究的方向。

注意事项：

（1）导线短路。为了防止裸露的引线短路，必须使用带套管的导线，一般不剪断元件引脚，以便于重复使用。

（2）走线方法不正确或引脚弯曲。对多次使用过的集成电路的引脚，必须修理整齐。引脚不能弯曲。所有的引脚应稍向外偏，这样能使引角与插孔可靠接触。要根据电路图确定元器件在面包板上的排列方式，目的是走线方便。为了能够正确布线并便于查线，所有集成电路的插渗入渗出方向要保持一致。不能为了临时走线方便或缩短导线长度而把集成电路倒插。一般不要插入引脚直径〉0.8mm的元器件，以免破坏插座内部接触片的弹性。

（3）安装电路时导线混杂。元器件安装之后，先连接电源线和地线。为了查线方便。连线尽量采用不同颜色。例如：正电源一般采用红色绝缘皮导线面包板的使用负电源用蓝色，地线用黑线，信号线用黄色，也可根据条件选用其它颜色。（4）裸线露在外面，与其它导线断路。面包板宜使用直径为0.6mm左右的单股导线。根据导线的距离以及插孔的长度剪断导线，要求线头剪成45o斜口，线头剥离长度约为6mm左右，要求全部插入底板以保证接触良好。

（5）造成接触不良。连线要求紧贴在面包板上，以免碰撞弹出面包板。必须使连线在集成电路周围通过。不允许跨接在集成电路上，也不得使导线互相重叠在一起，尽量做到横平竖直，这样有利于查线，更换元器件及连线。

（6）瞬变过程中电流的影响。最好在各电源的输入端和地之间并联一个容量为几十微法的电容。为了更好地抑制电源中的高频分量，应该在该电容两端再并联一个高频去耦电容。

克服上述问题后，我们小组顺利的完成了这次实验课题。

第4章心得与体会

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。

在设计过程中碰到了很多难点，例如在安装数字式压力数显表头时，如果稍有马虎就会出错，所以要细心再细心，否则检查起来会很麻烦。在连接电源部分的时候要注意电源线的引入方向，仔细分析，防止短路等问题发生。

通过解决这些难点，提高了我分析问题，解决问题的能力，以及动手能力，同时使我数字显示仪表的原理、器件的识别、以及绘图能力又了进一步提高，为以后有关课程的学习打下感性认识的基础。使我进一步明确所学知识是如何和实际结合起来的，有效地把理论和实际结合起来。

参考文献

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