2013第四章第二节数字显示仪表(2013)

反馈式线性化就是利用反馈补偿原理，引入非线性的 负反馈环节，用负反馈环节本身的非线性特性去补偿 检测元件或传感器的非线性，使输入和输出具有线性 关系特性。 Ui f ( X )
U 0 SX U0 U f Ui f ( X ) f ( ) S
X
传感器
Ui
+
ΔU
_
放大器
U0
Uf
非线性反馈 反馈式线性化原理图
驱动器 EPROM 锁存器 A/D转换器
Ux
K分度号热电偶温度测量范围为0~999℃ ，999℃ 时 的热电势为41.237mV，量化单位为：
Δ= 41.237/999=0.04128≈0.0413mV。
为了节省成本，采用三位LED数码管显示温度值，用 个位数数码管的小数点代表0.5 ℃或0.0 ℃。小数点亮 代表0.5 ℃ ；小数点不亮，代表0.0 ℃。当≤0.25 ℃时， 小数点不亮；当大于0.25 ℃ 并小于0.75 ℃ 时，小数 点亮；当≥ 0.75 ℃ 时，进位显示1 ℃。
数字式检测仪表就是以十进制测量数据形式显示测 量结果的检测仪表。测量数据包括测量数字和测量单位 两部分，二者缺一不可。只有数字，没有单位，这样的 数字只有相对意义没有绝对意义。因此，被测量 X 总是 以其测量数字N(十进制数)和测量单位x1表示：
X x1 N
X N x1
测量单位x1，就是N=1所对应的被测量X。例如，压力数 字的单位是Pa，流量数字的单位是m3/h，温度数字的单 位是℃等。
常
把0~1V的模拟电压量化为三位二进制代码，划分量化电平的两 种方法如图所示。(a)图Δ =1/23，量化误差为Δ ；(b)图Δ = （2×1）/（2× 23 -1），量化误差为Δ /2 。
A/D转换器实际上是一个编码器，若量化单位用Δ 表 示，A/D转换器的输入电压用Vi表示，A/D转换器的输 出用十进制数D表示，则有：
组成数字式显示仪表的三要素： A/D转换器、 线性化器（非线补偿器 ）和标度变换。
被测 变量
检测元件 或传感器
前置放大
A/D 转换
非线性 补偿
标度变换
显示 (a) 数字式非线性补偿方案
被测 变量
检测元件 或传感器 标度变换
前置放大
非线性A/D 转换
显示
(b) 非线性A/D补偿方案 前置放大 非线性 补偿
G
E
C ΔU’ ΔU A
N O t
B
ΔN’ ΔN
Δt
见右图，可看出：
K3
U U
E G
对于任一折线段，可得到：
U Ki U
ΔU’ ΔU A
N O
C
B
式中ΔU为基础段（OA）的电 势增量， ΔU’为除基础段之外 的任一段电势的增量。
对应于ΔU的计数器脉冲数为：
t
ΔN’ ΔN
Δt
示数字最末位为1即N=1代表的被测量。
数字式检测仪表对被测量进行测量的过程中，通 常要用传感器将被测非电量转换成电量，再用适当的 测量电路和数字转换电路，将模拟电量转换成数字量。 被测量在这一系列转换过程中，量纲会发生多次变化， 最后得到的数字 D 虽然与被测量 X 是唯一对应的，但往 往不是以被测量的量纲为单位的数字，即D≠N。在这 种情况下，如果把数字转换电路输出的数字D作为测量 数字显示出来，显然是错误的。因此，必须把数字转 换电路输出的数字 D 变换成真正的测量数字 N 。这种变 换便是标度变换。 下面介绍的方法是通过相关电 路调整或软件设计，使数字转换电 路输出的数字D直接等于测量数字N.
（3) 最终转换结果与电路参数R、C无关，可大大降低对 R、C的要求。
（二）非线性补偿
非线性补偿的方法较多。 依实现方式 用软件方式实现 用硬件方式实现 依非线性补偿环节的位置 模拟式非线性补偿 非线性A/D转换 数字式非线性补偿 1 模拟式非线性补偿 接入方式 串联方式 反馈方式 2 非线性A/D转换 3 数字式非线性补偿 （1）折线乘系数法 （2）软件查表法
被测 变量
检测元件 或传感器
标度变换
A/D 转换
显示
(c) 模拟非线性补偿方案
（二）主要性能指标
1 显示位数：以十进制显示被测变量值的位数。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“1/2位”；若数字温度显示 仪表的显示位数为3 ½位，则它可显示-1999~1999，高 精度的数字表显示位数目前可达8 ½位。 2 量程：仪表标称范围的上下限之差。量程有效范围上 限值称为满度值。
3 精度： 精度表示法有三种：
满度的b%
其中n是指显示仪表读数最末一位数字变化，即改 变n个字。一般n=1，最直接的原因是把模拟量转 换成数字量的过程中，至少要产生约±1个量化单 位误差。
4
分辨力和分辨率
分辨力：指仪表示值末位数字改变一个字所对应的被 测变量的最小变化值。它表示仪表能够检测到的被测 量最小变化的能力。数字显示仪表在不同的量程下的 分辨力不同，通常在最低量程上具有最高的分辨力， 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（在 最低量程上）例如：数字温度显示仪表测量范围为佳 0~999.9℃，最小显示0.1 ℃（末位跳变一个字），最 大显示999.9 ℃，则分辨率为0.1/999.9≈0.01%。
X
模拟输入
S1
模拟部分
S2
S3
Y 数字输出
A/D转换
数字部分
一般数字仪表的组成原理框图
仪表的刻度方程为：Y=S1S2S3X=SX
其中S为数字仪表的总灵敏度或标度变换系数。 S1、S2、S3 分别称为模拟部分、A/D转换和数字部分的灵敏 度或标度变换系数。因此，标度变换可以通过改变S来实现， 通常通过改变 S1 或 S3 来实现标度变换，前者称为模拟量标 度变换，后者称为数字量标度变换，即标度变换可在模拟 部分或数字部分进行。
N CU CKi U
此特性见图 第二象限所 示直线
模拟输入 模-数转换 计数门 计数器
计数输出
E G
C ΔU’
钟频 系数运算 器 系数控制器
ΔU A
B
数字线性化器逻辑原理图
N
O
t
ΔN’ ΔN
Δt
0 U U1 CK1U N C[ K1U1 K 2 (U U1)] U1 U U 2 C[ K U K (U U ) K (U U )] U U U 1 1 2 2 1 n n 1 n 1 n
K分度号热电势与EPROM温度值对照表（见老教材P317）
查表法线性化的特点是：精确度高，非线性误差小， 成本低，使用广泛，当传感器输入输出特性关系比较 复杂而离散性又较大时，只要有实测数据，都可以用 查表法进行非线性校正。
（三）标度变换
对于被测变量，常要求数字显示仪表以其工程单 位进行显示。但在检测仪表中，为测量被测变量，常 需进行一系列的变换处理。例如，用热电偶测温，温 度信号被转换为热电势，再经前置放大、A/D转换等环 节转换为数字量，最后要求以被测变量的工程单位的 形式显示被测变量，例如，以℃单位显示被测温度， 这就存在一个“量纲还原”的问题，即要求被测变量 与输出的数字量一致 （数值一致），这通常称之为 “标度变换”。
X DN x1
1、A／D转换式仪表的标度变换
X 传感器 u 放大器 V A/D转换 D 数字 显示器
A/D转换式数字检测仪表简化框图
如果数字式检测仪表的组成环节可简化成上图的 框图。由图可见，A／D转换结果D与被测量X存在 着关系：
XS0 K D Vm DFS
XS0 K x1S0 K D N Vm Vm DFS DFS
1、模拟式非线性补偿
X 传感器 U1 放大器 U2 线性化 器 U0 A/D
串联式线性化原理图
U1 f ( X ) U 2 KU1 U 0 SX U2 U0 U0 Kf ( ) S 1 U 2 Sf ( ) K
X
传感器
Ui
+
ΔU
_
放大器
U0
Uf 非线性反 馈
反馈式线性化原理图
转换原理：将输入电压转换为时间t2，再利用周期为Tc 的脉冲在时间t2内记数，脉冲记数器上得到的脉冲数N， 即为A/D转换的数字量。
双积分A/D转换器的特点：
（1）转换过程本质上是积分过程，所以是平均值转换， 因此对叠加在信号上的交流干扰有较好的抑制能力；
（2）转换速度较低，特别是为了提高对工频（50HZ） 和工频整数倍信号干扰的抑制能力，一般选择t1时间 为工频周期（20ms）的整数倍，如40ms，80ms等，所 以转换速度不高于20次/S。
举例一
右图所示为一数字式手 提电子秤。该电子秤的 秤盘下面有一个 S 形弹 性元件，其上粘贴 4 个 应变片，连接成全桥差 动等臂电桥。电桥输出 电压 U 与秤盘所承载的 荷重X成正比。
二、数字式显示仪表的主要环节
（一）模数转换——双积分A/D转换器 数字信号不仅在时间上是离散的，数值上也是不连续的。 即任何一个数字量的大小都是最小量化单位的整数倍。 A/D转换的任务是把连续变化的模拟量转换成断续变化的 数字量，以便进行数字显示，这就需要对其进行采样和量 化。 把采样信号转换为最小量化单位整数倍的过程叫做量化。 最小量化单位用Δ 表示。 把量化的结果用代码（二进制或二-十进制等）表示出来， 称为编码。
第二节 数字式显示仪表
定义：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显示仪表。
特点：与模拟仪表相比，它具有精度高、功能全、速
度快、抗干扰能力强、体积小、耗电低、读数直观、且 能将测量结果的数字形式输入计算机等优点。
一、数字式显示仪表的构成和主要性能指标