數(shù)字顯示儀表畢業(yè)課程設(shè)計(20201001122539

1、東北石油大學課程設(shè)計2013年8月1日東北石油大學課程設(shè)計任務書課程數(shù)字顯示儀表課程設(shè)計題目數(shù)字式壓力表設(shè)計主要內(nèi)容：在面包板上安裝一臺用單片 AD轉(zhuǎn)換器7107或7106組成的通用表頭。配接壓力傳感 器（應變片式、擴散硅式或其它類型壓力傳感器），制成數(shù)字壓力顯示儀表?；疽螅?、學習數(shù)字顯示儀表原理。2、設(shè)計、繪制電路連接圖。3、能夠獨立完成數(shù)字顯示儀表表頭的制作。主要參考資料：1 沙占友.數(shù)字化測量技術(shù)與應用M.北京：機械工業(yè)出版社,2004.2 井口征士 .傳感工程M.北京：科學出版社.2005.3 楊邦文.應用電子小制作150例M.北京：人民郵電出版社.2005.4 常健生.檢測與轉(zhuǎn)

2、換技術(shù)M.吉林：吉林工業(yè)大學出版社.2006.5 路勇.高文煥.電子電路實驗及仿真M.北京：清華大學出版社,2004.6 王松武.于鑫.電子創(chuàng)新設(shè)計J.北京：國防工業(yè)出版社,2005.完成期限 2014.7.21 2014.8.1指導教師專業(yè)負責人2014年7月1日目錄第1章數(shù)顯儀表工作原理 11.1數(shù)字式顯示儀表原理 11.2數(shù)字式顯示儀表結(jié)構(gòu) 11.3數(shù)字儀表的主要技術(shù)指標 21.4線性化問題 31.5信號的標準化及標度變換 3第2章數(shù)顯儀表設(shè)計方案 42.1 ICL7107 雙積分AD轉(zhuǎn)換器42.2 LED 顯示器 72.3主要集成塊、三極管 8第3章數(shù)顯儀表的制作與安裝 83.1 測量

3、電阻83.2測量電容93.3數(shù)顯部分的制作 93.4 電源部分的制作 9第4章結(jié)論與體會 10參考文獻12第1章 數(shù)顯儀表工作原理數(shù)字式顯示儀表是一種具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器并以十進制數(shù)碼形式顯示被測變量值的儀表，它與各種傳感器、 配送器配套，可以顯示出各種不同的參數(shù)。數(shù)字式儀表具有精度高、功能全、速度快、抗干擾能力強等 優(yōu)點，體積小、耗電低、讀數(shù)直觀，且能將測量結(jié)果以數(shù)字形式輸入計算機，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。1.1數(shù)字式顯示儀表原理工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的數(shù)字式儀表有數(shù)字式溫度計、數(shù)字式壓力計、數(shù)字流量計、數(shù) 字電子秤等。數(shù)字儀表的出現(xiàn)適應了科學技術(shù)及自動化生產(chǎn)過程中高速、高準確度測量的需要，它 具有模

4、擬儀表無法比擬的優(yōu)點。數(shù)字儀表的主要特點有：準確度高、分辨力高、無主觀讀 數(shù)誤差、測量速度快、能以數(shù)碼形式輸出結(jié)果。同時數(shù)字量來傳輸信息，可使得傳輸距離不受限制。數(shù)顯儀表按工作原理分為：不帶微處理器和帶微處理器的。其原理框圖如圖1-1所示。1.2數(shù)字式顯示儀表結(jié)構(gòu)不帶微處理器的儀表，通常用運算放大器和中、大規(guī)模集成電路來實現(xiàn)；帶微處理器 的儀表，是借助軟件的方式來實現(xiàn)原理框圖中的有關(guān)功能。不帶微處理器的數(shù)顯儀表一般應具備模數(shù)轉(zhuǎn)換，非線性補償及標度變換三大部分，這 三部分又各有很多種類，三者間相互巧妙的組合，可以組成適應于各種不同要求場合的數(shù) 字式顯示儀表。盡管數(shù)字儀表的品種繁多，原理各不相同，

5、但其基本構(gòu)成形式可由圖1-2所示的主要環(huán)節(jié)組成。模一數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)字儀表的核心，以它為中心，將儀表分為模擬和 數(shù)字兩大部分。圖L2數(shù)字顯示儀表的方框圖儀表的數(shù)字部分一般設(shè)有濾波、前置放大器和模擬開關(guān)等環(huán)節(jié)。來自傳感器或變送器 的統(tǒng)一電量信號一般都比較微弱，并且包含著在傳輸過程中產(chǎn)生的各種干擾成分，因此在 其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量前，首先要進行濾波與放大。前置放大器就是用來提高儀表的靈敏度、輸 入阻抗及信號的信噪比。儀表的數(shù)字部分一般由計數(shù)器、譯碼器、時鐘脈沖發(fā)生器、驅(qū)動顯示電路以及邏輯控 制電路組成。在數(shù)字儀表中，邏輯控制電路起著指揮整個儀表各部分協(xié)調(diào)工作的作用。它 是數(shù)字儀表中不可缺少的環(huán)節(jié)之一。另外，

6、高穩(wěn)定的基準電源和工作電源也是數(shù)字儀表的 重要組成部分。被放大的模擬信號有模-數(shù)轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字量后，經(jīng)譯碼、驅(qū)動，送到顯示器件中 進行數(shù)字顯示。也可以送到報警系統(tǒng)和打印系統(tǒng)中去，進行報警和記錄打印。1.3數(shù)字儀表的主要技術(shù)指標（一）顯示位數(shù)以十進制顯示被測變量值的位數(shù)稱為顯示位數(shù)。能夠顯示“ 09 ”的數(shù)字位稱為“滿 位”；僅顯示1或不顯示的數(shù)字位，稱為“半位”或“位”。工業(yè)用數(shù)字溫度顯示儀表的顯 示數(shù)常為3位，可顯示-19991999。高精度的數(shù)字表顯示位數(shù)目前達到 8位。（二）儀表的量程儀表標稱范圍的上、下限之差的模，稱為儀表的量程。量程有效范圍上限值為滿度值。（三）精度目前數(shù)字式顯示儀

7、表的精度表示法有三種：滿度的土a% n字、讀數(shù)的土 a% n字、讀數(shù)的土 a%滿度的b%（四）分辯力和分辨率數(shù)字儀表的分辯力是指末位數(shù)字改變一個字所對應的被測變量的最小變化值，它表示 了儀表能夠檢測到的被測量最小變化的能力。數(shù)字式顯示儀表在不同量程下的分辯力是不 同的，通常在最低量程上具有最高的分辯力，并以此作為該儀表的分辯力指示。分辯率指 儀表顯示的最小值與最大數(shù)值之比。（五）輸入阻抗數(shù)字式顯示儀表是一種高輸入阻抗的儀表，輸入阻抗可達1012Q。（六）抗干擾能力數(shù)字式顯示儀表一般用串模干擾抑制比和共模干擾抑制比來表征抗干擾能力大小。串模干擾抑制比（SMR為：SMR=20lg共模干擾抑制比（C

8、MR為：CMR=20lgSMF和CMF的單位是分貝，數(shù)值越大，表示數(shù)字儀表的抗干擾能力越強，一般直流電 壓型數(shù)顯儀表的串模干擾抑制比為 2060dB,共模干擾抑制比為120160dB.1.4線性化問題常規(guī)數(shù)字儀表進行非線性補償，主要有兩方面的工作：（1）根據(jù)已知的傳感器非線特性求得所需要的線性化器的非線性特性。非線性特性 的求取可用數(shù)字解析表達式，也可用圖解法求得。（2）根據(jù)所求得線性化器的非線性特性，采用非線性補償電路來實現(xiàn)非線性補償， 而對非線性曲線的處理一般都采用折線逼近法。1.5信號的標準化及標度變換由檢測元件或傳感器送來的信號的標準化或標度變換是數(shù)字信號處理的一項重要任 務，也是數(shù)字

9、顯示儀表設(shè)計中必須解決的基本問題。一般情況下，由于被測量量和顯示的 過程參數(shù)多種多樣，因而儀表輸入信號的類型、性質(zhì)千差萬別。即使是同一種參數(shù)或物理 量，由于檢測元件和裝置的不同，輸入信號的性質(zhì)、電平的高低等也不相同。將不同性質(zhì)的信號，或者不同電平的信號統(tǒng)一起來，這就叫輸入信號的規(guī)格化，或則 稱為參數(shù)信號的標準化。對于過程參數(shù)測量用的數(shù)字顯示儀表的輸出， 往往要求用被測變量的形式顯示，圖1-3 為一般數(shù)字儀表組成的原理框圖。其刻度方程可以表示為：y強護二sx式中s數(shù)字顯示儀表的總靈敏度或稱標度變換系數(shù)；、分別為模擬部分、模-數(shù)轉(zhuǎn)換 部分、數(shù)字部分的靈敏度或標度變換系數(shù)。第2章數(shù)顯儀表設(shè)計方案2.

10、1 ICL7107 雙積分AD轉(zhuǎn)換器ICL7107CPL是三位半雙積分AD轉(zhuǎn)換器大規(guī)模集成電路，其輸出極為異或門結(jié)構(gòu)。它 的作用是把輸入電壓信號變?yōu)閿?shù)字輸出，并驅(qū)動顯示器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含模擬和數(shù)字兩大部分。模擬部分包括積分器、模擬開關(guān)、過零比較器 等電路。數(shù)字部分包括時鐘脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、分頻器、譯碼器、控制器、相位驅(qū)動器 等電路。ICL7107還有以下特點：內(nèi)部有自動穩(wěn)零電路，保證零電壓輸入時，讀數(shù)為零；內(nèi)部有極性判別電路，即使輸入電壓極小也能正確區(qū)別極性，并顯示出來；內(nèi)部有時鐘電路，可以外接 RC器件，產(chǎn)生自激振蕩，也可以由外部時鐘輸 5入； 內(nèi)含供AD轉(zhuǎn)換必需的基準穩(wěn)壓源，可不用外接基

11、準電源；輸出為三位七段譯碼信號，可直接驅(qū)動 LED與其他CMO集成電路相同，這些電路具有輸入電阻高的特點。ICL7107采用標準的雙列直插40引線封裝，弓I線排列如圖2-1所示。 各引線功能如下：AG:個位段驅(qū)動信號AG:十位段驅(qū)動信號AG:百位段驅(qū)動信號AB:千位段驅(qū)動信號G:負號指示信號GND:數(shù)字地OSCOSC:時鐘發(fā)生器接頭端REF及REF :基準電壓的接頭端CRef:基準電容的接頭端INT+及 INT-:模擬信號輸入端AZ:積分發(fā)大器反向輸入端，接自校零位電容BUF:緩沖器輸出端，接積分電阻INT:積分器輸出端，接積分電容TEST:試燈端，接咼電壓位時，顯示-1999V+:正電源（5

12、6V）接頭端V:負電源（-5-9V）接頭端（一）ICL7107D的雙積分AD轉(zhuǎn)換ICL7107D模擬部分每個轉(zhuǎn)換周期分為自校零位、信號積分（采樣）、反相積分（比較） 三個階段。自校零（AQ階段 模擬電路部分的模擬開關(guān) AZ接通，其余開關(guān)全部斷開，電路進 入自交零狀態(tài)。這時模擬輸出端與公共模擬端 COM短路AZ比較器輸出端、輸入端接通負 反饋回路。電路中的總飄逸電壓對自校零電容充電， 以記憶并抵消漂移電壓對轉(zhuǎn)換的影響。 與此同時基準電容被基準電壓充電至。信號積分（INT）階段模擬開關(guān)INT接通，其余開關(guān)均斷開一負反饋回路斷開、輸入端短路解除并對模擬輸入信號進行采樣積分。輸入信號經(jīng)過緩沖器送至積分

13、器，大大提 高了轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗。本階段的積分時間 =1000,既1000個時鐘脈沖計數(shù)時間。比較器 輸出電位送到控制邏輯電路，以決定反相積分階段進入基準電壓的極性。反相積分（DE階段模擬開關(guān)或接通，與輸入電壓反極性的基準電壓接入積分器，同時計數(shù)器從零開始計數(shù)，反相積分階段開始。當積分器輸出電壓為零時，計數(shù)器停止計 數(shù)，鎖存器存儲并計算器的結(jié)果，經(jīng)譯碼由發(fā)光二極管顯示器顯示輸入電壓的數(shù)值，一次 轉(zhuǎn)換結(jié)束。反相積分階段一結(jié)束，電路既自動轉(zhuǎn)入自校狀態(tài)開始了下一個轉(zhuǎn)換周期。受ICL7107本身特性所決定，基本量程為 200MV和2V,每個測量周期為40000,是計 數(shù)脈沖的周期。其中，信號積分時間=

14、1000,固定不變，為一個轉(zhuǎn)換周期。根據(jù)雙積分轉(zhuǎn)換原理求得結(jié)果為：（2）雙積分式AD轉(zhuǎn)換器地優(yōu)點是：對積元件的質(zhì)量要求不高，時鐘振蕩器可以使用普通 的阻容元件代替石英晶體，抗干擾能力強。它作為一種低速、高精度AD轉(zhuǎn)換器，在數(shù)字儀表中廣泛應用。（二）ICL7107的邏輯電路由于ICL7107驅(qū)動LED顯示器，因此它的數(shù)字電路部分較ICL7106略有差異，因為驅(qū) 動LCD不僅要有鎖存器，還要有驅(qū)動LCD的公共電極所需要的對稱方波電源（驅(qū)動 LED無 需這一點源），但驅(qū)動LCD幾乎不需要電流，而驅(qū)動 LED每斷需58V電流（吸入），因此圖2-2 ICL7107 的邏輯圖邏輯電路包括八大單元：時鐘脈沖

15、發(fā)生器；分頻器；計數(shù)器；鎖存器；譯碼器；大電 流反響驅(qū)動器；邏輯控制器；LCD顯示器。時鐘脈沖發(fā)生器由兩個反相器fif2部元件R、C組成。若取 R=120，C=100PF 則 f o=OHz，數(shù)脈沖 fep=100Hz,fcp=0.1ms,T=4000Tcp.=0.4s, 測量速度為2.5次秒。顯示器采用七斷顯示方式，其中個位、十位和百位十字部分分成a b、c、d、e、f、g、七斷，再加上千位K和符號位P,不同斷發(fā)光，可以顯示出不同的數(shù)字。對7107：來說，因為發(fā)光二極管需要極大驅(qū)動電流，故驅(qū)動電流吸入電流增大至8mA對千位數(shù)字，K斷有兩個顯示斷，所以7107的第19腳吸收電流可達16mA（三

16、）時鐘脈沖發(fā)生器由于雙積分式的轉(zhuǎn)換精度與時鐘無關(guān)，所以 7106不必采用晶體振蕩器，只要采用阻 容多諧振蕩器即可。振蕩器是由芯片內(nèi)的兩個與非門外接 R0組成的多諧震蕩器。震蕩頻 率為（3）為提高抗干擾能力，選 RC0使f0與電網(wǎng)頻率成整倍數(shù)關(guān)系，一般 f=40Hz時鐘發(fā)生器 輸出40Hz信號經(jīng)四分頻為10Hz分三路輸出：一路去電子計數(shù)器，作為計數(shù)脈沖，即為液 晶顯示器背電極驅(qū)動。當然時鐘脈沖產(chǎn)生方式也可采用外部時鐘或石英振蕩器。若采用外 部時鐘，只要在芯片（40）腳加峰值5V信號即可，經(jīng)芯片兩極反相器放大整形變?yōu)闀r鐘； 若用晶振作時鐘，只要將晶體接在（39） （40）腳即可。（四）電子計數(shù)器包

17、括計數(shù)、鎖存、譯碼、七段輸出、驅(qū)動。計數(shù)器采用“ 8421 ”編碼，有個、十、百 三個二-十進制計數(shù)器，級聯(lián)使用，每位計數(shù)器有四個觸發(fā)器。另有千位計數(shù)器是“半位”， 只能顯示數(shù)字1,所以用一個觸發(fā)器即可。鎖存器亦采用觸發(fā)器組成，受邏輯電路所存指 令控制，所存指令到來，只接受代碼而不輸出。解鎖指令到來才將代碼送譯碼器。譯碼器 完全是由門電路達成的組合邏輯電路，將 BCD譯碼成七段碼筆劃。譯碼輸出的筆劃信號和 背電極的相位共同決定，異或門的輸入端是段位信號和50Hz方波相異或。（五）時序邏輯控制電路時序邏輯控制電路接受比較器的過零脈沖和計數(shù)器的溢出脈沖，經(jīng)處理后輸出四個指 令：一是各模擬開關(guān)的控制

18、信號，是模擬開關(guān)按規(guī)定時需切換；二是閘門信號，控制技術(shù) 脈沖的個數(shù)；三是判斷被測電壓的極性，輸出“ +”、“- ”號控制；四是超量程控制，超量 稱時，千位顯示“ T,其余數(shù)碼消隱。2.2 LED顯示器數(shù)碼顯示是用來顯示數(shù)字、文字或符號的器件，現(xiàn)在以有多種不同類型的產(chǎn)品， 廣泛應用于多種數(shù)字設(shè)備中。發(fā)光二極管是采用半導體材料制成的，能將電信號轉(zhuǎn)化成光信號的結(jié)型電壓發(fā)光器件。它的特點是：1、低電壓、小電流的條件下工作，即可獲得足夠高的亮度。2、 發(fā)光響應素的快，高頻特性好，能顯示脈沖信息，單色性好，壽命長。若加以 必要的限流措施，就可以長期使用。3、小型、防震、抗沖擊性能好。4、使用靈活，可根據(jù)需

19、要制成各種數(shù)碼管、符號管、電平顯示器等。5、 與數(shù)字集成電路匹配。將條狀發(fā)光二極管按照共陽極或共陰極的方式連接，并組成“8”字型發(fā)光二極管，另一極做筆畫電極，就構(gòu)成了LED顯示器。只要按規(guī)定使某些筆畫餓發(fā)光二極管發(fā)光，就能組成 09的一系列數(shù)字。=1=6o 70 80 90affi 2-1 (a)管腳排列g(shù)%rt;-JJ$A$r*Q1(c) BS341 (共明扱gfAabdpdpddb2.3主要集成塊、三極管除了上述主要集成芯片之外還需要MC1403 ICL7650。MC1403高精度低溫度漂移的基準電路。采用 MC140知獲得精密的電壓基準。輸出電壓誤差：2.51%V輸出電壓溫度系數(shù)：10(

20、)ppmtyp輸出電流：10mA輸出電壓范圍：4.540VICL7650是高精度CMO運轉(zhuǎn)，它具有極低的輸入失調(diào)電壓及漂移； 很低的輸入偏置電 流；極高的開環(huán)電壓增益、共模抑制比和電源電壓抑制比。第3章數(shù)顯儀表的制作與安裝數(shù)字顯示電路部分的安裝要在面包板上進行，壓力傳感器、電源部分不在面包板上。 由于數(shù)顯部分需要土 6V的電源，因此，電源要在另外的印刷電路安裝，以給數(shù)顯部分供電。3.1測量電阻將蓄電池裝入萬用表，利用萬用表測量各個電阻阻值，黑線接“COM,紅線接VQ,然后兩根線另一端接電阻兩端，如果萬用表顯示為“ 1”說明量程不夠，需要在萬用表上調(diào)節(jié)測量的量程，直到測出電阻阻值。并且記下各個電

21、阻的阻值3.2測量電容類似于測量電阻的方法，把各個電容的大小測出來。并且記下電容容量3.3數(shù)顯部分的制作根據(jù)繪制的接線圖，首先在面包板上把7107和四個數(shù)碼管的位置確定好，為了便于顯示，一般要把四個數(shù)碼管放在上方。然后以接線方便為原則，確定7107的位置。同時要考慮“+電源”、“地”線的接法。其它芯片、電阻、電容電位器等圍繞7107就近安排位3.4電源部分的制作圖3-1電源部分由于數(shù)顯部分要使用土 6V的電源，這里采用兩個三端集成穩(wěn)壓器。其中7806為固定標準正電壓穩(wěn)壓器：7906為固定標準負電壓穩(wěn)壓器。圖3-2電子儀表總電路圖調(diào)整電位器大小，得出下圖儀表電路圖0 S 8圖3-3調(diào)整后儀表電路

22、圖電源電路的器件包括電源變壓器、整流橋、集成穩(wěn)壓器及電容。整個電路安裝在一塊印刷線路板上，安裝時要使用電烙鐵。為了使用該電源的安全性、 可靠性。因此，在設(shè)計時要考慮線路布置合理，強電與弱電之間要留有相當?shù)木嚯x。同時 注意220V電源線的引入方向、安全，防止短路，輸出土 6V電源要有“接線端子”。電源的 安裝首先要根據(jù)電原理圖繪制印刷電路板的接線圖，繪制的接線圖需經(jīng)檢查無誤后，才可 以進行實際焊接，焊接過程中要掌握電烙鐵的使用，使焊點大小均勻、光亮、無慮焊。第4章結(jié)論與體會這次的課程設(shè)計也讓我看到團隊的力量，必須發(fā)揚團結(jié)協(xié)作的精神，相互配合，相互 學習，才能共同將電路板及接線方法做到最好。在團體實驗中，個體的力量固然重要，但 更重要的還是集思廣益，群力群策才是試驗成功的關(guān)鍵。在設(shè)計過程中碰到了很多難點，例如在安裝數(shù)字式壓力數(shù)顯表