數(shù)字式壓力表設(shè)計(jì)

1、實(shí) 習(xí) 報(bào) 告課程名稱： 數(shù)字式電壓表 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 報(bào)告成績(jī)： 評(píng)閱意見(jiàn)： 評(píng)閱教師 日期 數(shù)字式壓力表的設(shè)計(jì)1. 課程設(shè)計(jì)的目的 壓力表是指以彈性元件為敏感元件，測(cè)量并指示高于環(huán)境壓力的儀表，它幾乎遍及所有的工業(yè)流程和科研領(lǐng)域。利用ICL7107構(gòu)成數(shù)字式壓力表。2. 課題要求 （1）測(cè)壓范圍：060Mpa，主要分為四個(gè)量程段：0.040.6Mpa；0.16Mpa；125Mpa；160Mpa； （2）測(cè)量精度：1.0級(jí)。 （3）具有顯示、變送、報(bào)警等功能，可同時(shí)兩路輸入； （4）模擬輸出：可同時(shí)提供兩組4-20mA或0-10V輸出。 3. 設(shè)計(jì)原

2、理主要器件由芯片ICL7106和液晶顯示器LCD組成 關(guān)鍵詞：芯片ICL7106 液晶顯示器LCD 圖一為簡(jiǎn)易原理方框圖。 由于7106是把模擬電路與邏輯電路集成在一塊芯片上，屬于大規(guī)模CMOS集成電路，因此本方案主要有以下特點(diǎn)：（1）采用單電源供電，可使用9V迭層電池，有助于實(shí)現(xiàn)儀表的小型化。（2）芯片內(nèi)部有異或門(mén)輸出電路，能直接驅(qū)動(dòng)LCD顯示器。（3）功耗低。芯片本身消耗電流僅1。8mA，功耗約16mW。（4）輸入阻抗極高，對(duì)輸入信號(hào)無(wú)衰減作用。（5）能通過(guò)內(nèi)部的模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)顯示極性的功能。（6）噪聲低，失調(diào)溫標(biāo)和增益溫標(biāo)均很小。具有良好的可靠性，使用壽命長(zhǎng)（7）整機(jī)組裝方便

3、，無(wú)須外加有源器件，可以很方便地進(jìn)行功能檢查。 本文設(shè)計(jì)的電壓表,電壓值顯示穩(wěn)定，讀數(shù)方便，能測(cè)量正、負(fù)電壓且能自動(dòng)切換量程，使用方便。系統(tǒng)框圖（如圖1 所示）。本系統(tǒng)可分為測(cè)試電壓轉(zhuǎn)換、模擬電壓通道、數(shù)據(jù)電壓通道（A/D 轉(zhuǎn)換及譯碼鎖存）、數(shù)碼顯示、小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電路5部分。圖1系統(tǒng)框圖4. 設(shè)計(jì)思路4.1 工作原理ICL7107 是雙積型的A/D 轉(zhuǎn)換器，還集成了A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬部分電路，如緩沖器、積分器、電壓比較器、正負(fù)電壓參考源和模擬開(kāi)關(guān)，以及數(shù)字電路部分如振蕩源、計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼器、驅(qū)動(dòng)器和控制邏輯電路等，使用時(shí)只需外接少量的電阻、電容元件和顯示器件，就可以完成模擬到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

4、，從而滿足設(shè)計(jì)要求。顯示穩(wěn)定可讀和測(cè)量反應(yīng)速度快，是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。ICL7107 的一個(gè)周期為用4000 個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)間作為A/D 轉(zhuǎn)換的一個(gè)周期時(shí)間，每個(gè)周期分成自動(dòng)穩(wěn)零（AZ）、信號(hào)積分（INT）和反積分（DE）3 個(gè)階段。內(nèi)部邏輯控制電路不斷地重復(fù)產(chǎn)生AZ、INT、DE 3 個(gè)階段的控制信號(hào)，適時(shí)地指揮計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼器等協(xié)調(diào)工作，使輸出對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)的數(shù)值。而輸入模擬量的數(shù)值在其內(nèi)部數(shù)值上等于計(jì)數(shù)數(shù)值T，即：VIN 的數(shù)值=T 的數(shù)值或Vin=Vref(T/1000) 式中：1000 為積分時(shí)間（1000 個(gè)脈沖周期）；T 為反積分時(shí)間（滿度時(shí)為2000）。ICL7107的管腳排列

5、：管腳1和26是ICL7107的正、負(fù)極。COM為模擬信號(hào)的公共端，簡(jiǎn)稱模擬地，使用時(shí)應(yīng)與IN、UREF端短接。TEST是測(cè)試端，該端經(jīng)內(nèi)部500電阻接數(shù)字電路的公共端（GND），因二者呈等電位，故亦稱做數(shù)字地。該端有兩個(gè)功能：作測(cè)試指示，將它接U時(shí)LCD顯示全部筆段1888、可檢查顯示器有無(wú)筆段殘缺現(xiàn)象；作為數(shù)字地供外部驅(qū)動(dòng)器使用，來(lái)構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)及標(biāo)志符的顯示電路。a1g1、a2g2、a3g3、bc4分別為個(gè)位、十位、百位、千位的筆段驅(qū)動(dòng)端，接至LCD的相應(yīng)筆段電極。千位b、c段在LCD內(nèi)部連通。當(dāng)計(jì)數(shù)值N1999時(shí)顯示器溢出，僅千位顯示“1”，其余位消隱，以此表示儀表超量程（過(guò)載溢出）。PO

6、L為負(fù)極性指示的驅(qū)動(dòng)端。BP為L(zhǎng)CD背面公共電極的驅(qū)動(dòng)端，簡(jiǎn)稱“背電極”。OSC1OSC3為時(shí)鐘振蕩器引出端，外接阻容元件可構(gòu)成兩級(jí)反相式阻容振蕩器。UREF、UREF分別為基準(zhǔn)電壓的正、負(fù)端，利用片內(nèi)UCOM之間的2.8V基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行分壓后，可提供所需UREF值，亦可選外基準(zhǔn)。CREF、CREF是外接基準(zhǔn)電容端。IN、IN為模擬電壓的正、負(fù)輸入端。CAZ端接自動(dòng)調(diào)零電容。BUF是緩沖放大器輸出端，接積分電阻RINT。INT為積分器輸出端，按積分電容CINT。需要說(shuō)明，ICL7106的數(shù)字地（GND）并未引出，但可將測(cè)試端（TEST）視為數(shù)字地，該端電位近似等于電源電壓的一半。圖2 7107

7、管腳示意圖4.2 ICL7107的工作原理ICL7107內(nèi)部包括模擬電路和數(shù)字電路兩大部分，二者是互相聯(lián)系的。一方面由控制邏輯產(chǎn)生控制信號(hào)，按規(guī)定時(shí)序?qū)⒍嗦纺M開(kāi)關(guān)接通或斷開(kāi)，保證A/D 轉(zhuǎn)換正常進(jìn)行；另一方面模擬電路中的比較器輸出信號(hào)又控制著數(shù)字電路的工作狀態(tài)和顯示結(jié)果。下面介紹各部分的工作原理。（1） 模擬電路模擬電路由雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，電路如圖3所示。主要包括2.8V基準(zhǔn)電壓源（E0）、緩沖器（A1）、積分器（A2）、比較器（A3）和模擬開(kāi)關(guān)等組成。緩沖器A4專門(mén)用來(lái)提高COM端帶負(fù)載的能力，可謂設(shè)計(jì)數(shù)字多用表的電阻圖3 ICL7107的模擬電路擋、二極管擋和hFE擋提供便利條件

8、。這種轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度高、抗串模干擾能力強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適合做低速模數(shù)轉(zhuǎn)換。每個(gè)轉(zhuǎn)換周期分三個(gè)階段進(jìn)行：自動(dòng)調(diào)零（AZ）、正向積分（INT）、反向積分（DE），并按照AZINTDEAZ的順序進(jìn)行循環(huán)。令計(jì)數(shù)脈沖的周期為T(mén)CP，每個(gè)測(cè)量周期共需4000TCP。其中，正向積分時(shí)間固定不變，T11000TCP。儀表顯示值, 將T11000TCP，UREF100.0mV代入上式得 N10UIN 或UIN0.1N （1）只要把小數(shù)點(diǎn)定在十位上，即可直讀結(jié)果。滿量程時(shí)N2000，此時(shí)UM2UREF200mV，儀表顯示超量程符號(hào)“1”。 欲測(cè)量2V以上的直流電壓，必須利用精密電阻分壓器對(duì)UI

9、N進(jìn)行衰減。積分電阻應(yīng)采用金屬膜電阻，積分電容宜選絕緣性好、介質(zhì)吸收系數(shù)小的聚苯乙烯電容或聚丙烯電容。為了提高儀表抗串模干擾的能力，正向積分時(shí)間（亦稱采樣時(shí)間）T1應(yīng)是工頻周期的整倍數(shù)。我國(guó)采用50Hz交流電網(wǎng)，其周期為20ms，應(yīng)選 T1n·20（ms） （2）式中，n1，2，3，。例如取n2、4、5時(shí)，T140ms、80ms、100ms，能有效地抑制50Hz干擾。這是因?yàn)榉e分過(guò)程有取平均的作用，只要干擾電壓的平均值為零，就不影響積分器輸出。但n值也不宜過(guò)大，以免測(cè)量速率太低。圖4 ICL7107外圍電路圖圖5 ICL7107的數(shù)字電路（2）數(shù)字電路數(shù)字電路如圖5所示。主要包括8個(gè)

10、單元：時(shí)鐘振蕩器；分頻器；計(jì)數(shù)器；鎖存器；譯碼器；異或門(mén)相位驅(qū)動(dòng)器；控制邏輯；LCD顯示器。時(shí)鐘振蕩器由ICL7106內(nèi)部反相器F1、F2以及外部阻容元件R、C組成。若取R120k，C100PF，則f040kHz。f0經(jīng)過(guò)4分頻后得到計(jì)數(shù)頻率fCP10kHz，即TCP0.1ms。此時(shí)測(cè)量周期T16000T04000TCP0.4s，測(cè)量速率為2.5次秒。f0還經(jīng)過(guò)800分頻，得到50Hz方波電壓，接LCD的背電極BP。LCD須采用交流驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)筆段電極ag與背電極BP呈等電位時(shí)不顯示，當(dāng)二者存在一定的相位差時(shí)，液晶才顯示。因此，可將兩個(gè)頻率與幅度相同而相位相反的方波電壓，分別加至某個(gè)筆段引出端

11、與BP端之間，利用二者電位差來(lái)驅(qū)動(dòng)該筆段顯示。驅(qū)動(dòng)電路采用異或門(mén)。其特點(diǎn)是當(dāng)兩個(gè)輸入端的狀態(tài)相異時(shí)（一個(gè)為高電平，另一個(gè)為低電平），輸出為高電平；反之輸出低電平。4.3時(shí)鐘脈沖發(fā)生器由于雙積分式的轉(zhuǎn)換精度與時(shí)鐘無(wú)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(gè)與非門(mén)外接R0C0組成的多諧震蕩器。震蕩頻率為 （3）為提高抗干擾能力，選R0C0使f0與電網(wǎng)頻率成整倍數(shù)關(guān)系，一般f0=40Hz時(shí)鐘發(fā)生器輸出40Hz信號(hào)經(jīng)四分頻為10Hz分三路輸出：一路去電子計(jì)數(shù)器，作為計(jì)數(shù)脈沖，即為液晶顯示器背電極驅(qū)動(dòng)。當(dāng)然時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生方式也可采用外部時(shí)鐘或石英振蕩器。若采用外

12、部時(shí)鐘，只要在芯片（40）腳加峰值5V信號(hào)即可，經(jīng)芯片兩極反相器放大整形變?yōu)闀r(shí)鐘；若用晶振作時(shí)鐘，只要將晶體接在（39）（40）腳即可。4.4 電子計(jì)數(shù)器包括計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼、七段輸出、驅(qū)動(dòng)。計(jì)數(shù)器采用“8421”編碼，有個(gè)、十、百三個(gè)二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，級(jí)聯(lián)使用，每位計(jì)數(shù)器有四個(gè)觸發(fā)器。另有千位計(jì)數(shù)器是“半位”，只能顯示數(shù)字1，所以用一個(gè)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(lái)，只接受代碼而不輸出。解鎖指令到來(lái)才將代碼送譯碼器。譯碼器完全是由門(mén)電路達(dá)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(hào)和背電極的相位共同決定，異或門(mén)的輸入端是段位信號(hào)和5

13、0Hz方波相異或。4.5 時(shí)序邏輯控制電路時(shí)序邏輯控制電路接受比較器的過(guò)零脈沖和計(jì)數(shù)器的溢出脈沖，經(jīng)處理后輸圖6 時(shí)序邏輯電路出四個(gè)指令：一是各模擬開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)，是模擬開(kāi)關(guān)按規(guī)定時(shí)需切換；二是閘門(mén)信號(hào)，控制技術(shù)脈沖的個(gè)數(shù)；三是判斷被測(cè)電壓的極性，輸出“+”、“-”號(hào)控制；四是超量程控制，超量稱時(shí)，千位顯示“1”，其余數(shù)碼消隱。4.6 LED顯示器數(shù)碼顯示是用來(lái)顯示數(shù)字、文字或符號(hào)的器件，現(xiàn)在已有多種不同類型的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用與多種數(shù)字設(shè)備中。目前，數(shù)碼顯示器正朝著小型、多位、多彩、平面化的方向發(fā)展。（一） 發(fā)光二極管在各種顯示器中，LCD的功耗最低，LED的發(fā)光響應(yīng)時(shí)間最短，壽命最長(zhǎng)。因此，目

14、前的數(shù)字儀表大多采用LED或LCD顯示器，它們都能由集成電路直接驅(qū)動(dòng)。發(fā)光二極管是采用半導(dǎo)體材料制成的，能將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)的結(jié)型電壓發(fā)光器件。它的特點(diǎn)是：低電壓（1.52.2V）,小電流（530mA）的條件下工作，即可獲得足夠高的亮度。發(fā)光響應(yīng)速度快，高頻特性好，能顯示脈沖信息，單色性好，壽命長(zhǎng)。由于LED工作PN結(jié)正向?qū)顟B(tài)，性能穩(wěn)定，只要加以必要的先留措施，就可以長(zhǎng)期使用。使壽命在10萬(wàn)小時(shí)以上，甚至可以達(dá)到100萬(wàn)小時(shí)。小型、防震、抗沖擊性能好。使用靈活、可根據(jù)需要制成各種數(shù)碼管、符號(hào)管、電平顯示器、矩陣板、固體發(fā)光（）板。（二）LED顯示器將條狀發(fā)光二極管按照共陽(yáng)極（正極）或共陰

15、極（負(fù)極）的方式連接，并組成“8”字型發(fā)光二極管，另一級(jí)做筆畫(huà)電極，就構(gòu)成了LED數(shù)碼顯示器。如7-1所示.只要按規(guī)定使某些筆畫(huà)的發(fā)光二極管，就能組成09的一系列數(shù)字。6 7 8 9 10af be ad5 4 3 2 15 4 3 2 1.dpg+它具有重量輕、體積小、耐震動(dòng)、壽命長(zhǎng)、亮度高、單色性好、發(fā)光響應(yīng)速度快、能在低電平條件下與數(shù)字集成電路匹配等優(yōu)點(diǎn)可作為數(shù)字儀表，數(shù)控裝置，計(jì)算 圖7-1 圖7-2機(jī)等的數(shù)字顯示器件。LED顯示器一般采用七段，既把七只LED共陽(yáng)極（或共陰極）連接，每段具有單只LED的特性及驅(qū)動(dòng)顯示方法。如圖7-2所示。4.7 主要集成塊（）MC1403是高精度低溫度

16、漂移的基準(zhǔn)電路，作為8-12位（二進(jìn)制）數(shù)模轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓源而設(shè)計(jì)，為避免溫度漂移所造成的7107的誤差，通常采用具有溫度補(bǔ)償?shù)耐饨踊鶞?zhǔn)穩(wěn)壓源，在這里采用MC1403作為基準(zhǔn)穩(wěn)壓源供電，可以獲得精密的電壓基準(zhǔn)。如圖2-4所示。輸出電壓誤差：2.5V±1%輸出電壓溫度系數(shù)：10ppm/（typ）輸出電流：10mA輸出電壓范圍：4.5-40V封裝：8腳DIL陶封（代碼U）；8腳DIL塑封（代碼DSM）12345678圖8 MC1403的管腳排列圖9 工作原理5.心得體會(huì)在這次課程設(shè)計(jì)當(dāng)中我真正體會(huì)到什么叫做學(xué)以致用，第一次體會(huì)到用自己所學(xué)到的知識(shí)做出了個(gè)數(shù)據(jù)壓力表，在以前想都不敢想。在設(shè)

17、計(jì)過(guò)程中碰到了很多難點(diǎn)，例如不知道用什么芯片，又是如何來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡韧ㄟ^(guò)解決這些難點(diǎn)，提高了我分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力，以及動(dòng)手能力，同時(shí)使我數(shù)字顯示儀表的原理、器件的識(shí)別、以及繪圖能力又了進(jìn)一步提高，為以后有關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)。21世紀(jì)是電子技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)期，而數(shù)字電子技術(shù)又是一門(mén)發(fā)展速度，實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課程。從這本書(shū)中，我們不僅學(xué)到了如何分析設(shè)計(jì)一個(gè)電路，使我們這些以前看見(jiàn)過(guò)它們，卻不知如何去做的人大開(kāi)眼界?？磥?lái)，我們學(xué)習(xí)了這門(mén)課程以后，也可以根據(jù)它的基本原理來(lái)做出它的電路圖，也可以實(shí)現(xiàn)它們的功能，得出我們想要設(shè)計(jì)的電路圖。我覺(jué)得選擇這門(mén)課程是我永遠(yuǎn)不后悔的事。因?yàn)樗梢宰屛覀兏由羁痰淖C實(shí)自己的能力，