数字显示仪表课程设计

目录

第1章数显仪表工作原理 (1)

1.1 数字显示仪表的基本构成 (1)

1.2 数显仪表的主要技术指标 (2)

1.3 线性化问题 (2)

1.4 信号的标准化与标度变换 (3)

第2章数显仪表设计方案 (4)

2.1 ICL7107双积分A/D转换器 (4)

2.2 LED显示器 (6)

2.3 主要集成块 (7)

第3章数显仪表的制作 (9)

3.1 数显部分的安装 (9)

3.2 电源部分的安装 (9)

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

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仪表，它与各种传感器、变送器配套，可以显示出各种不同的参数。与模拟显示仪表相比，数字式仪表具有精度高、功能全、速度快、抗干扰能力强等优点，它体积小、耗电低、读数直观，且能将测量结果以数字形式输入计算机，以而实现生产过程自动化。

1.1 数字显示仪表的基本构成

20世纪50年代初，世界上出现了世界上出现了第一台数字显示仪表。数显仪表的构成如图1-1所示。

图1-1 数显仪表的基本构成

模-数转换器是数字仪表的核心，以它为中心，将仪表分为模拟和数字俩部分。

仪表的模拟部分一般设有滤波、前置放大器和模拟开关等环节。来自传感器或变送器的统一电量信号一般都比较微弱，并且包含着在传输过程中产生的各种干扰成分，因此在将其转换成数字量之前，首先要进行滤波和放大。前置放大器就是用来提高仪表的灵敏度、输入阻抗及信号的信噪比。

仪表的数字部分一般由计数器、译码器、时钟脉冲发生器、驱动显示电路以及逻辑控制电路组成。被放大的模拟信号有模-数转化器转换成相应的数字量后，经译码、驱动，送到显示器件中进行数字显示。也可送到报警系统和打印系统中去，进行报警和记录打印。在需要的时候，亦可将测量结果以数码形式输出，供计算机数据处理之用。

在数字仪表中，逻辑控制电路起着指挥整个仪表各部分协调工作的作用。它

是数字仪表中不可缺少的环节之一。随着集成电路技术和微型计算机应用技术的迅速发展和不断成熟，以微处理器等集成电路芯片代替了常规数字仪表中的逻辑控制电路，仪表的测量过程可以由软件进行程序控制。微处理器在数字仪表中的应用强有力地推动了数字仪表测量的自动化和多功能化；实现了测量结果的数据变换和误差校正，从而提高了仪表的测量准确程度。

数字仪表的出席那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使传统的模拟仪表受到严重挑战。一般来说，实验室用高档仪表类数字表明显由于模拟仪表，对于工业现场，应用数字仪表的问题目前还有争议。在功能、精度要求不高，而更注重可靠性和实用的工业过程监测系统中，模拟仪表呈现先出特有的优势。

1.2 数显仪表的主要技术指标

以十进制测量被测变量值的位数称为显示位数。能够显示“0~9”上的数字为“满位”：仅显示或不显示的数字位，称为“半位”或“1/2位”。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成为满度值。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℃。目前数字式显示仪表的精度表示方法有三种：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的变化，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，数字仪表的位数越多，这种量化所造成的相对误差就越小。

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。它表示了仪表能够检测到的被测量最小变化的能力。数字式显示仪表在不同量程下的分辨力是不同的，通常在最低量程上有最高的分辨力，并以此作为该仪表的分辨力指标。数字式显示仪表是一种高输入的阻抗的仪表，阻抗可达1012Ω。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的大小。

1.3 线性化问题

常规数字仪表进行非线性补偿，主要有两方面的作用：

(1)根据已知的传感器非线特性求得所需要的线性化器的非线性特性。非线性特性的求取可用数字解析表达式，也可用图解法求得。

(2)根据所求得线性化器的非线性特性，采用非线性补偿电路来实现非线性

补偿，而对非线性曲线的处理一般都采用折线逼近法。

常规数字仪表的非线性补偿方法很多，概括起来可分为下列三种方法：一是可以将非线性被测参数在A/D转换之间的模拟电路进行非线性补偿，这种方法称为模拟非线性补偿法；其二是在A/D转换过程中进行补偿的非线性A/D转换法；其三是在A/D转换之后的数字电路部分进行补偿的数字非线性补偿法。

1.4 信号的标准化与标度变换

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，也是数字显示仪表设计中必须解决的基本问题。一般情况下，由于被测量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、电平的高低等也不相同。

将不同性质的信号，或者不同电平的信号统一起来，这就叫输入信号的规格化，或则称为参数信号的标准化。

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，图1-2为一般数字仪表组成的原理框图。其刻度方程可以表示为： y=S1S2S3x=Sx（1）

图1-2 数字仪表的标度变换

式中s数字显示仪表的总灵敏度或称标度变换系数；s1、s2、s3分别为模拟部分、模-数转换部分、数字部分的灵敏度或标度变换系数。

第2章数显仪表设计方案

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。实物如图2-1所示。

图2-1 ICL7017实物图

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。ICL7017还具有以下特点：

①内部有自动稳零电路，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，并显出来；

③内部有时钟电路，可以外接RC器件，产生自激振荡；

④内含供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2-1所示。可在7~15V单电源条件下工作。