数显仪表课程设计.docx
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数显仪表课程设计
第一章数显仪表的工作原理
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。
被测对象
传感器
前置放大
数字显示
打印记录
报警系统
数码输出
模数转换
基准源
模拟开关
计数译码
时钟
逻辑控制电路
标度变换
线性化器
图1-1数字显示仪表的基本构成
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。
另外，高稳定的基准电源和工作电源也会是数字仪表的重要组成部分。
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数字仪表的主要技术指标
1.2.1显示位数
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”。
1.2.2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℃。
1.2.3精度
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。
1.2.4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。
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。
分辨率指仪表现实的最小数值与最大数值之比。
1.2.5输入阻抗
数字式显示仪表是一种高输入的阻抗的仪表，阻抗可达1012Ω。
1.2.6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的大小。
串模干扰抑制比（SMR）为
SMR=20㏒（en／r）（1-1）
式中en-串模干扰电压；
r-en所造成的最大显示绝对误差。
共模干扰抑制比（CMR）为
CMR=20㏒（ec／e′c）（1-2）
式中ec-串模干扰电压；
e′c-ec所造成的最大显示绝对误差。
SMR和CMR得单位是分贝，数值越大，表示数字仪表的抗干扰能力越强。
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是线性的，以保证在整个测量范围内有恒定的灵敏度。
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力量之间存在程度不同的非线性。
非线性问题在模拟显示仪表设计中也是同样存在的，但在模拟显示仪表中可以通过仪表标尺的非线性刻度来解决，以便直接读出被测参数的数值。
而在数字仪表中常用的二进制或二-十进制数码其本身是线性递增或递减的。
所谓数字仪表的“线性化”就是指，在把仪表非线性输入信号转化为线性化的数字显示过程中所采用的各种补偿措施。
常规数字仪表的非线性补偿方法很多，有以下三种：
一是可以将非线性被测参数在A／D转换之前的模拟电路中进行非线性补偿，这种方法称为模拟非线性补偿法；二是在A／D转换过程中进行非线性补偿的A／D转换法；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。
常规数字仪表进行非线性补偿，主要有两方面的工作：
1根据已知的传感器非线性特性求得所需要的线性化器的非线性化特性。
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根据所求得的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。
1.4信号的标准化及标度转换
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要解决的问题。
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和性质千差万别。
即使是同一种参数或物理量，由于检测元件和装置的不同，输入信号的性质的电平的高低等也不相同。
以测温为例，用热电偶作为测温元件，得到的是电势信号；以热电阻作为测温元件，输出的是电阻信号；而采用温度变送器时，其输出又变换为电流信号。
不仅信号的类别不同，且电平的高低也相差极大。
这就不能满足数字仪表或数字系统的要求。
因此必须将这些不同性质的信号，或者不同点评的信号统一起来，这叫输入信号的规格化，或者称为参数信号的标准化。
这种规格化的统一输出信号可以使电压、电流或其他形式的信号。
目前国内采用的统一直流信号电平有以下几种：
0~10mA,0~30mV,0~40.95mV,0~50mV等。
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，就存在“标度变换”的问题。
图1-2为一般数字仪表组成的原理框图。
其刻度方程可表示为
y=S1S2S3x=Sx（1-3）
y
数字输出
x
模拟输入
S1
S2
S3
模拟部分
模数转换
数字部分
图1-2数字仪表的标度变换
式中S为数字式显示仪表的总灵敏度和或称标度变换系数；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。
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一致。
通常当模-数转换装置确定后，则模-数转换系数S2也就确定了，要改变标度系数S，可以改变模拟转换部分的转移系数S1；也可以通过改变数字部分的转换系数S3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。
因此标度变化可以在数字部分进行，也可在模拟部分进行。
第二章数显仪表的制作
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。
它的主要部件简述如下。
图2-1数显压力表原理图
2.1ICL7107双积分A／D转换器
ICL7107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，并显示出来；
③内部有时钟电路，可外接RC器件，产生自激振荡，也可由外部时钟输入；
④内含供A／D转换必须的基准稳压电源，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。
各引线功能如下：
A1~G1-各位段驱动信号；
A2~G2-十位段驱信号；
A3~G3-百位段驱动信号；
AB4-千位（b、c）段驱动信号；
P0∕M-负号指示信号，接千位g段；
GND-数字地；
OSC1~OSC3-时钟发生器接头端；
REF+~REF_-基准电压的接头端；
CREF-基准电容的接头端；
INT+~INT_-模拟信号输入端；图2-27017管脚示意图
A／Z-积分发大器反向输入端，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。
2.1.1ICL7107D的双积分A／D转换
ICL7107模拟部分（电路原理图如图2-3所示）每个转换周期分为自校零位、信号积分、反向积分三个阶段。
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，电路进入自校零状态。
这时模拟输入端和公共模拟端COM短路AZ、比较器输出端、输入端接通成负反馈电路。
电路中的总漂移电压对自校零电容CAZ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CREF被基准电压充电至VREF。
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V1经过缓冲器送至积分器，大大提高了转换器的输入阻抗。
③反向积分（DE）阶段模拟开关DE或DE接通，与输入电压V1反极性的基准电压VREF接入积分器，同事计数器从零开始计数，反向积分阶段开始。
当积分器输出电压为零时，计数器停止计数，锁存器并计数器的计数结果，及译码有发光二极管显示器显示输入电压V1的数值，一次转换结束。
反向积分阶段一结束，电路及自动转入自校状态开始了下一个转换周期。
图2-3模拟部分电路原理图
2.1.2ICL7107的逻辑电路
ICL7107的数字部分的逻辑电路如图2-4所示。
逻辑电路包括八大单元：
时钟脉冲发生器；分频器；计数器；锁存器；译码器；大电流反相驱动器；逻辑控制电路；LED显示器。
时钟脉冲发生器由两个反相器F1、F2，以及脉冲fcp=100KHZ,既Tcp=0.1ms组成。
显示器采用七断显示方式，其中个位、十位和百位数字部分分成a、b、c、d、e、f、g七断，再加上千位K和符号位P，不断发光，可以显示出不同的数字。
对7107来说，因为发光二极管需要较大驱动电流，故驱动电流吸入电流增大至8mA，对千位数字，K断有两个显示断，所以7107的第19脚吸收电流可达16mA。
图2-4ICL7107的数字部分逻辑图
2.1.3时钟脉冲发生器
由于双积分的转换精度与时钟无关，所以7106不必采用晶体振荡器。
振荡器是由芯片内的两个非门外接R0、C0组成的多谐振荡器。
振荡频率
f0=1/（2.2R0C0）（2-1）
为提高抗干扰能力，选R0、C0使f0与电网频率呈整数倍关系。
2.1.4电子计数器
包括计数、锁存、译码、七段输出、驱动。
计数器采用“8421”编码，有个、十、百三个二——十进制计数器，级联使用，每位计数器有四个触发器。
另有千位计数器是“半位”，只能显示数字1，所以用一个触发器即可。
锁存器亦采用触发器组成，受逻辑电路锁存指令控制，锁存指令到来，只接受代码而不输出。
解锁指令到来才将代码送至译码器。
译码器完全是由门电路搭成的组合逻辑电路，将BCD码译成七段码笔划。
译码输出的笔划信号和背电极的相位共同决定，异或门的输入端是段位信号和50HZ方波相异或。
2.1.5时序逻辑控制电路
时序逻辑控制电路接收比较器的过零脉冲和计数器的溢出脉冲，经处理后输出四个指令：
一是各模拟开关的控制信号，使模拟开关按规定时序切换；二是信号闸门，控制计数脉冲的个数；三是判断被测电压的极性，输出“+”“-”号控制；四是超量程控制，超量程时，千位显示“1”，其余数码消隐。
2.2MC1403
MC1403是高精度低温度漂移的基准电路，作为8-12位数模转换的基准电压源而设计，为避免温度漂移所造成的7107的误差，通常采用具有温度补偿的外接基准稳压源。
MC1403的脚管排列如图2-5所示。
图2-5MC1403的管脚排列
输出电压误差：
2.5V±1％
输出电压温度系数：
10ppm/（typ）输出电流：
10mA
输出电压范围：
4.5-40V
封装：
8脚DIL陶封；8脚DIL塑封
2.3LED显示器
将条状发光二极管按照共阳极（正极）或共阴极（负极）的方式连接，并组成“8”字型发光二极管另一极做笔画电极，就构成了LED数码显示器。
只要按规定使某些笔画的发光二极管发光就能组成0~9的一系列数字，可作为数字仪表。
LED显示器一般采用七段，既把七只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显示器的型号很多，发光颜色也不同，以BS342型和BS431型（如图2-6所示）为例，说明其工作原理。
二者外型相同，BS342为共阳极，BS341为共阴极。
脚3与脚8在内部已经连通，作为公极。
使用时，BS342的公共极应接电源正极，BS341的公共极应接电源的负极，如果极性接反了，不仅不能发光，还容易损坏LED。
下表为BS342和BS34的主要参数。
表2-1BS342和BS34的主要参数
参数
符号
规范值
单位
全亮极限功率
Pm
400
mW
全亮极限电流
IFM
200
mA
全亮工作电流
IF
40
mA
正向工作电压（IP=10Ma/段）
VF
≤2.5
V
反向耐压
VR
≥5
V
发光颜色
绿
发光峰值波长
λP
565
法向发光强度
Io
300
Mcd
（a）管脚排列（b）BS342型（共阳极）（c）BS341型（共阴极）
图2-6BS342、BS341管脚排列及内部结构
第三章数显仪表的安装
数字显示部分电路的安装要在面包板上进行，压力传感器、电源部分不在面包板上。
由于数显部分需要±5V的电源，因此，电源要在另外的印刷电路安装，以给数显部分供电。
3.1数显部分的安装
根据绘制的接线图，首先在面包板上吧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。
其它芯片、电阻、电容、电位器等围绕7107就近安排位置。
学生绘制的接图需经过指导教师检查，检查无误后，才可以进入实际插接阶段。
插接导线时要“细心，细心，再细心!
”,丝毫马虎不得，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。
同组同学要相互研究，分析电路，以保证接插的正确性。
人人动脑筋，人人参与安装，人人有收获。
经指导教师检查面包板的线路插接正确无误后，才可能通电调试。
3.2电源部分的安装
由于数显部分要使用±5V的电源，这里采用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。
电源原理图如图3-1所示。
图3-1正，负输出电压电路
CW7806、CW7906的引脚图见图3-2和图3-3所示。
GND
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，在设计时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，输入±5V电源要有“接线端子”。
电源的安装部分首先要根据电原理图绘制印刷电路板的接线图，学生绘制的接线图需经过教师检查无误后才可进行实际焊接，焊接过程中要掌握电烙铁的使用，使焊点大小均匀，光亮，无虑焊。
第四章结论与体会
本次数字显示仪表课程设计，是在数字显示仪表上与数字电路找到结合点，培养识图、设计、安装、调试仪表的能力。
在二个星期内我们小组坚持不懈，在老师和同学的帮助下克服了很多困难终于完成了这次课程设计。
这次的实习让我们增加了自己动手的实际能力，也让我们在一步步的探索中培养了解决问题的能力，任何事情只有一步步的探索才能最终发现解决问题的方法。
通过二个星期的学习，使我们对数显工艺的理论有了初步的系统了解。
我们了解到了焊普通元件与电路元件的技巧、印制电路板图的设计制作与工艺流程的作用等。
这些知识不仅在课堂上有效，对以后的电子工艺课的学习有很大的指导意义，在日常生活中更是有着现实意义；也对自己的动手能力是个很大的锻炼。
实践出真知，纵观古今，所有发明创造无一不是在实践中得到检验的。
没有足够的动手能力，就奢谈在未来的科研尤其是实验研究中有所成就。
在实习中，我锻炼了自己动手技巧，提高了自己解决问题的能力。
这次数字显示仪表课程设计让我深刻的体会到在实际生活或是将来的工作中，光懂得理论知识是远远不够得，还要有足够强的动手能力，这个能力包含各个方面。
这个社会不是光靠嘴巴说的社会，还要去做，去实践。
这样我们才能取得成功。
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