数字显示仪表

被测参变

送

器

前

置

放

非线性

补偿

标

度

变

模/数

（A/D）转换

计

数

显

被测参变

送

器

前

置

放

非线性

补偿

标

度

变

模/数

（A/D）转换

计

数

显

数字显示仪表

概述：

数字显示仪表可以与不同的传感器（变送器）配合，对压力、温度、流量、物位、转速等参数进行测量并以数字的形式显示被测结果，故称为数字显示仪表。它显示直观、没有人为视觉误差、反应迅速、准确度高等优点。目前数字显示仪表在各个行业已等到广泛的应用。

第一节数字显示仪表的分类及组成

1、数字显示仪表的分类

按输入信号的形式分

电压型：输入信号是电压或电流（1-5VDC/4-20mADC）

频率型：输入信号是频率(Hz)。

按仪表具有功能分

数字显示仪、数字显示报警仪、多功能数字显示仪表。

2、数字显示仪表的组成及工作原理

数字显示仪表的组成

由五部分组成：前置放大、模/数（A/D）转换、非线性补偿、标度变换及计数显示。

电压型数字仪表的构成方案如下：

被测参变

送

器

前

置

放

标

度

变

非线性模/数

（A/D）转换

计

数

显

(a)

(b)

方案（a ）模拟非线性补偿：被测量在模拟信号时就已被线性化了，其测量准确度较低，一般只能达到％％，优点是可以直接输出线性化的模拟信号。

方案（b ）非线性模/数（A/D ）变换补偿：利用非线性的模/数（A/D ）转换电路，在完成模/数（A/D ）转换的同时也完成了线性化，因而结构简单，准确度高，缺点是只能适用于测量特定模拟量，多用在单一参数测量的数字式仪表中。

方案（C ）数字线性补偿及标度变换：它可组成多种方案，适用面宽，主要用于直接数字控制系统（DDC ）及计算机设定系统（SPC ）等较大规模的控制系统及测量系统中。其测量准确度高，结构较复杂。

第二节 模/数（A/D ）转换

模/数（A/D ）转换部分是显示仪表的重要组成部份。其功能是将连续变化的模拟量转换成与其成比例的数字量，以便进行数字显示。

上图(a)表示模拟式仪表的指针读数与输入电压V i 关系;图（b ）表示了将这种关系进行整量化，即用折线代替图（a ）中的直线。

在实际测量中经常是先把非电量转换成电压；然后再由电压转换成数字信号，即A/D 转换。A/D 转换有多种，常用的有两种：双积分型和逐次比较反馈编码型。

1、 双积分型A/D 转换电路

基本原理：将一段时间内的模拟量电压值通过两次积分

(c)

指针读数

输入电压V i

0110010101000011输入电压V i

量化单位i

数字量

（a ）

（b ）

越小转

换准确

变换成与其成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，从而得到数字量。

从波形图中可以看出：输入电压V i 越大，则积分器输出电压V 0也越大，t2时间间隔越长，计数器所记的数N 也就越大。因此，计数所计的数，就是输入电压V i 在t1时间内的平均值Vi 的数字值，从而完成了模拟量/数字量的转换。因为这个转换器在一次转换过程中进行了两次积分，所以称为双积分转换器。

双积分转换器的特点：

（1） 电路元件参数要求不苛刻。 （2） 很强的抗工频干扰能力。 （3） 不宜用在快速测量系统中。 2、 逐次比较电压反馈编码型 基本原理：用一套标准电压与被测电压进行比较并不断逼近，最后达到一致。标准电压值的大小就表示了被测电压的

V S

检零比较器

K1 K2

控制器

门

计数器 显示 时钟

R

C

Vi

K3

双积分模/数转换原理框图

V t 22 t 1

t 21

V i1

V i2 t

V i2>V i1

V A2>V A1

积分器输出电压V 0波形图

V

V

大小。将这一与被测电压相平衡的标准电压以二进制形式输出，就实现了模/数转换过程。

用实验方法加以说明

天平称物：现砝码有2mg、1mg、、、、共6种，按固定顺序排列。后面一个砝码是前一个质量的1/2，相互之间可以看成是二进制的关系。假设被称物体质量为m=,其称量过程如下：依次交砝码放到天平上，如加砝码后质量小于m，则保留并记为“1”，如加砝码后质量大于m则，撤去此砝码并记为“0”。如此进行下

砝码重量21

二进制数111001二进制数为“1”的砝码重量加起来等于，和实际质量相差mg，这就是称量误差。

根据以上实验，现在我们研究如何将一个3V的电压转换成

标准电压

5.2

2

1

⨯5.2

2

1

2

⨯5.2

2

1

3

⨯5.2

2

1

4

⨯5.2

2

1

5

⨯5.2

2

1

6

⨯5.2

2

1

7

⨯

二进

制数

10010010

由上述过程要以看出，要把一个电压值转换为二进制数码表示的数值，必须具备以下条件：

（1）有一套相邻为二进制的标准电压—解码网络。

（2）有一个比较签别器，并确定是否保留此电压。

（3）有一个数码寄存器，把每次比较所得的结果保存下来。

（4）有一个控制器，以完成如下任务

a)比较由最高位开始，从高位往低位逐次比较；

b)根据每一次的比较结果，使相应位的数码寄存器记“1”

或“0”并由此决定是否保留这个“解码网络”来的电压。