數(shù)字顯示0100kPa壓力測量系統(tǒng)電路設(shè)計doc

1、數(shù)字顯示0100kPa壓力測量系統(tǒng)電路設(shè)計目錄摘要3關(guān)鍵字 31.引言 42.數(shù)字顯示儀表的一般電路框圖及對各部分要求 52.1 數(shù)字顯示儀表的原理框圖52.2 傳感器輸出信號的特點52.3 傳感器信號的二次變換52.4 傳感器信號二次變換的組成52.5傳感器信號的調(diào)理62.6 DVM的概述83.數(shù)字顯示0100kPa壓力測量系統(tǒng)電路設(shè)計103.1 壓力傳感器供電電源設(shè)計及有關(guān)參數(shù)計算103.2 二次變換電子電路設(shè)計及參數(shù)計算123.3 基于MC14433的DVM電路設(shè)計及有關(guān)參數(shù)計算134.數(shù)字顯示0100kPa壓力測量系統(tǒng)電路設(shè)計 205.關(guān)于本畢業(yè)設(shè)計的進一步思考及總結(jié) 21參考文獻 2

2、2數(shù)字顯示0-100kPa壓力測量系統(tǒng)電路設(shè)計 【摘要】本畢業(yè)設(shè)計課題首先設(shè)計出由傳感器、傳感器供電電路、傳感器信號調(diào)理電路等單元電路組成的以直流電壓信號為輸出量的參量（壓力）測量電路；同時，配套設(shè)計以MC14433為核心的數(shù)字式直流電壓表。在上述參量（壓力）測量電路、DVM的基礎(chǔ)上對外圍電路再進一步進行相應(yīng)的擴展構(gòu)成數(shù)字顯示式壓力測量系統(tǒng)。數(shù)字顯示式壓力測量系統(tǒng)使測量結(jié)果一目了然，保證了讀數(shù)的客觀性與準確性，符合人們的讀數(shù)習(xí)慣，縮短了讀數(shù)和記錄的時間，減小了視覺疲勞。【關(guān)鍵詞】 壓力 數(shù)顯 MC14433 DVM 數(shù)字顯示0-100kPa壓力測量系統(tǒng)電路設(shè)計1.引言在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、醫(yī)

3、療等領(lǐng)域，對壓力、溫度等參量的測量及控制始終占據(jù)著重要地位。 隨著科學(xué)技術(shù)的進步和電子工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)外相繼推出各種傳感器、集成傳感器、大規(guī)模集成電路及超大規(guī)模集成電路，這為開發(fā)各種數(shù)字儀表，智能數(shù)字儀表提供了極大的方便。在數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上配上溫度、壓力等傳感器及相應(yīng)的測量電路，即可構(gòu)成一塊數(shù)字顯示式溫度計、壓力計等各種新型通用、專用數(shù)字儀表或測量系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了高效安全生產(chǎn)，必須有效控制生產(chǎn)流程中諸如壓力、流量、溫度等主要參數(shù)。壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的參數(shù)之一，壓力的檢測和控制是保證生產(chǎn)和設(shè)備安全運行必不可少的條件、意義重大；壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用

4、于各種工業(yè)自控環(huán)節(jié)，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)控制、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。數(shù)字顯示式參量測量系統(tǒng)使測量結(jié)果一目了然，保證了讀數(shù)的客觀性與準確性，符合人們的讀數(shù)習(xí)慣，縮短了讀數(shù)和記錄的時間，減小了視覺疲勞。新型數(shù)字儀表以其高準確度、高分辨率、高性價比等優(yōu)良特性而受到人們的青睞。新型數(shù)字儀表以其高準確度、高分辨率、高性價比等優(yōu)良特性而受到人們的青睞。另外，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、醫(yī)療等領(lǐng)域，對溫度的測量及控制始終占據(jù)著重要地位。 本次設(shè)計是壓力的測量，即是將非電量轉(zhuǎn)換為電量的輸出。非電量的電測法是自動檢測技術(shù)的重要組成部分，內(nèi)容非常廣泛。實際上非

5、電量電測法幾乎可以用來測量各種非電量參數(shù)，這些參數(shù)被用來鑒定各種物理現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象和工業(yè)生產(chǎn)過程。目前普遍采用電子測量線路和電子測量儀表來測量各種非電量（包括除去電參數(shù)的一切物理量）是現(xiàn)代自動檢測技術(shù)發(fā)展的一大特點。這是因為電測法有大家所熟知的一系列的優(yōu)點。這些優(yōu)點主要是：1）便于實現(xiàn)連續(xù)測量；2）便于實現(xiàn)遠距離測量與控制；3）具有高的靈敏度和準確度；4）信號傳輸速度快；5）測量范圍寬廣，能夠測量較大或較小的數(shù)值。通過各種傳感器測得的電參量，不僅隨著所測非電量的變化而變化，而且還與被測對象的其它物理和化學(xué)屬性以及周圍介質(zhì)的物理屬性有關(guān)。如金屬導(dǎo)線的電阻不僅依賴于溫度，并且與導(dǎo)線在拉力作用下的機

6、械變形有關(guān)。如果要利用導(dǎo)線的電阻與拉力的關(guān)系來測量拉力，則必須設(shè)法補償因環(huán)境溫度的變化而引起的導(dǎo)線電阻的變化。因此這不僅對傳感器提出了許多要求，而且對測量裝置的其它部分，如測量電路和二次儀表也提出了許多要求。 2.數(shù)字顯示儀表的一般電路框圖及對各部分要求2.1數(shù)字顯示儀表的原理框圖 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)字式儀表的出現(xiàn)適應(yīng)了科學(xué)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、分辨率高、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)字量傳輸信息，可使得傳輸距

7、離不受限制。 數(shù)字儀表按工作原理可分為：帶微處理器的和不帶微處理器的。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。數(shù)字顯示儀表中由于直接觀察到的是所測參數(shù)的絕對數(shù)字量，所以在數(shù)字式顯示儀表中除模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換裝置外，必須具有另一重要組成部分，即對被測參數(shù)的非線性函數(shù)的線性化及各種系數(shù)的標度變換。標度變換是將儀表顯示的數(shù)字量和被測物理量統(tǒng)一起來；而線性化環(huán)節(jié)的作用是消除或減小敏感元件非線性對測量結(jié)果的影響，使輸出的數(shù)字量與被測參數(shù)間保持良好的線性關(guān)系。其原理框圖如圖2-1-1所示?？?制 邏 輯譯碼、驅(qū)動顯示非線

8、性校正及A/D轉(zhuǎn)換放大電路測量電路設(shè)定機構(gòu)比較環(huán)節(jié)信號輸出控制模式圖2-1-1數(shù)字顯示儀表原理框圖2.2傳感器輸出信號的特點傳感器輸出信號的特點；  1、傳感器的輸出會受溫度的影響，有溫度系數(shù)變化。  2、傳感器的輸出順著輸入物理量的變化而變化，但是他們之間的關(guān)系不一 定是線形比例關(guān)系。  3、傳感器的動態(tài)范圍很寬。  4、由于傳感器的種類很多，輸出的形式也多種多樣。例如，盡管同樣是溫度傳感器，熱電偶順溫度變化輸出的是不同的電壓，熱敏電阻順溫度變化其阻抗發(fā)生變化，而雙金屬溫度傳感器順溫度變化輸出的是開關(guān)信號。  5、傳感器的輸出阻抗都比較高，這

9、樣傳感器輸出信號到測量電路時會產(chǎn)生較大的信號衰減。  6、傳感器的輸出信號一般比較微弱，有的傳感器輸出的電壓最小僅有0.19V。2.3傳感器信號的二次變換 根據(jù)上述的傳感器輸出信號的特點來看，傳感器輸出的信號一般是能直接用于儀器、儀表顯示作控制信號用，往往需要通過=專門的電子電路對傳感器輸出信號進行“加工處理”。如將微弱的信號給予放大，經(jīng)過濾波器將有害的雜波信號濾掉，將非線性的特性曲線線性化，如有必要再加溫度補償電路。這種信號變換一般稱為二次變換。完成二次變換的電路成為傳感器電子電路，一般也成為測量電路，儀表電子電路或調(diào)理電路。2.4傳感器二次變換的組成 傳感器電子電路的組成傳感器電

10、子電路主要是模擬電路，它與數(shù)字電路一樣，是由一些單元電路組成。這些單元電路有:各種信號放大電路、有源及無源濾波電路、絕對值檢測電路、峰值保持電路、采樣-保持電路、A/D及D/A變換電路、V/F及F/V變換電路、調(diào)制解調(diào)電路溫度補償電路及非線性特性化補償電路等。傳感器電子電路是一個中間環(huán)節(jié)，它的輸入端接傳感器，輸出端接儀器、儀表顯示器、記錄儀或控制裝置，其示意圖為所示傳感器傳感器電子線路顯示器、記錄儀控制裝置等 2.4.1傳感器電子電路示意圖2.4.2.傳感器電子電路的要求 傳感器電子電路的設(shè)計要根據(jù)傳感器輸出的特性及儀器、儀表的顯示器、打印機、記錄儀或調(diào)節(jié)器、自動控制裝置對信號的要求，并且還要

11、考慮使用的環(huán)境條件及整個系統(tǒng)呢對它的要求等。在傳感器電子電路設(shè)計上，一般應(yīng)滿足下列要求： 1、在與傳感器連接上，要考慮阻抗匹配問題，必要時加一級電壓跟隨器，并要考慮長電纜帶來的電阻、電容及噪聲影響。2、放大器的放大倍數(shù)（輸出電壓的幅值）要滿足顯示器、A/D變換器或I/O借口的要求。3、電子電路的設(shè)計要滿足儀器、儀表或自動控制系統(tǒng)的精度要求、動態(tài)性能的要求及可靠性要求。4、電子電路中采用集成電路和其它元器件要滿足儀器、儀表或自動控制裝置的使用環(huán)境要求（如濕度、溫度等），或某種特殊要求，如防爆要求。5、電子電路設(shè)計中營考慮外部或內(nèi)部的溫度影響，必要時加溫度補償電路。6、電子電路設(shè)計中（包括結(jié)構(gòu)設(shè)計

12、）應(yīng)考慮內(nèi)部或外部電磁場干擾，要相應(yīng)采取措施解決，如加屏蔽、加光電隔離等等。7、電子電路的結(jié)構(gòu)、尺寸要與儀器、儀表或自動控制系統(tǒng)整體相協(xié)調(diào)。8、電子電路的電源電壓、功耗要與總體想?yún)f(xié)調(diào)。9、電子電路的設(shè)計要考慮成本，滿足經(jīng)濟性要求，使產(chǎn)品更有競爭力。2.5傳感器信號的調(diào)理電路 信號調(diào)理是指測量系統(tǒng)的組成部分，它的輸入時傳感器的輸出信號，輸出為適合傳輸、顯示、記錄或者能更好的滿足后續(xù)標準設(shè)備或裝置要求的信號。例如傳感器的輸出電信號如果不在-10+10V之間，那么在接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器時，必須首先經(jīng)過信號調(diào)理電路。信號調(diào)理電路通常具有放大，電平移動，阻抗匹配、濾波、解調(diào)功能。另外，從數(shù)據(jù)域的角度考慮，可以

13、認為信號解調(diào)電路，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)域之間的變換。如圖所示為數(shù)據(jù)域表示信息的量的名稱。 數(shù)據(jù)域表示信息的量的名稱傳感器輸出信號通?？梢苑譃槟M量和數(shù)字量兩類。對模擬量信號進行調(diào)整匹配時，傳感器的信號調(diào)理環(huán)節(jié)相對復(fù)雜些，通常需要放大電路、調(diào)制與解調(diào)電路、濾波電路、采樣保持電路、A/D及D/A轉(zhuǎn)換電路等。而對于數(shù)字量信號進行調(diào)理匹配時，通常只需使信號通過比較器電路及整形電路，控制計數(shù)器計數(shù)即可。圖分別為傳感器輸出為模擬電子量和數(shù)字量的信號調(diào)理過程示意圖。 傳感器輸出為模擬量的信號調(diào)理過程示意圖傳感器整形電路計數(shù)器存儲器控制系統(tǒng)CPU總線2.5.3傳感器輸出為數(shù)字量的信號調(diào)理過程示意圖測試系統(tǒng)的第二個環(huán)節(jié)

14、為信號的調(diào)理，圖所示為測量系統(tǒng)的信號傳輸過程。被測物理量精傳感環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為電阻、電容、電感、或電壓、電流、電荷等電量的變化，由于在測量過程中不可避免地遭受個種內(nèi)外干擾因素的影響，為了正確使用被測信號，比北方最后驅(qū)動顯示記錄和控制儀器，需進一步將信號輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理，抑制干擾噪聲，提高信噪比，使之利于進一步的傳輸和在后續(xù)環(huán)節(jié)中的處理。傳感器信號處理電路數(shù)據(jù)傳輸識別控制顯示報警記錄測試系統(tǒng)的信號傳輸過程 2.6 DVM的概述 2.6.1、概述 模擬式電壓表具有電路簡單、成本低、測量方便等特點，但測量精度較差，特別是受表頭精度的限制，即使采用0.5級的高靈敏度表頭，讀測時的分辨力也只能達到半格。

15、再者，模擬式電壓表的輸入阻抗不高，測高內(nèi)阻源時精度明顯下降。數(shù)字電壓表作為數(shù)字技術(shù)的成功應(yīng)用，發(fā)展相當快。數(shù)字電壓表（Digital VoIt Me-ter，DVM），以其功能齊全、精度高、靈敏度高、顯示直觀等突出優(yōu)點深受用戶歡迎。特別是以AD轉(zhuǎn)換器為代表的集成電路為支柱，使DVM向著多功能化、小型化、智能化方向發(fā)展。DVM應(yīng)用單片機控制，組成智能儀表；與計算機接口，組成自動測試系統(tǒng)。目前，DVM多組成多功能式的，因此又稱數(shù)字多用表（Digital Multi Meter，DMM）。 DVM是將模擬電壓變換為數(shù)字顯示的測量儀器，這就要求將模擬量變成數(shù)字量。這實質(zhì)上是個量化過程，即將連續(xù)的無窮多

16、個模擬量用有限個數(shù)字表示的過程，完成這種變換的核心部件是AD轉(zhuǎn)換器，最后用電子計數(shù)器計數(shù)顯示，困此，DVM的基本組成是AD轉(zhuǎn)換器和電子計數(shù)器。DVM最基本功能是測直流電壓，考慮到儀器的多功能化，可將其他物理量，如電阻、電容、交流電壓、電流等，都變成直流電壓，因此，還應(yīng)有一個測量功能選擇變換器，它包含在輸入電路中。DVM對直流電壓直接測量時的測量精度最高，其他物理量在變換成直流電壓時，受功能選擇變換器精度的限制，測量精度有所下降A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器輸入電路譯碼器顯示器邏輯控制器圖2-6-1 DVM基本組成框圖模擬部分數(shù)字部分電源電路。2.6.2、主要性能指標1）測量范圍DVM用量程顯示位數(shù)以及超量程能力

17、來反映它的測量范圍。a.量程 DVM的量程是以基本量程（即未經(jīng)衰減和放大的量程）為基礎(chǔ)，借助于步進衰減器和輸入放大器向兩端擴展實現(xiàn)。b.顯示位數(shù) DVM的顯示位數(shù)是指能顯示0-9十個數(shù)碼的完整顯示位c.超量程能力 DVM是否具有超量程能力，與基本量程無關(guān)。2）分辨率DVM能夠顯示被測電壓的最小變化值，稱為分辨率即最小量程時顯示器末位跳一個單位值所需的最小電壓變化量。在不同量程上，具有不同的分辨率，在最小量程上，具有最高分辨率，這里的分辨率應(yīng)理解為最小量程上的分辨率。3）輸入阻抗由于輸入有衰減器，所以輸入阻抗不是固定值。4）測量速度測量是在單位時間內(nèi)以規(guī)定的準確度完成的最大測量次數(shù)?；蛘哂脺y量一

18、次所需的時間（即一個測量周期）來表示。5）測量誤差DVM的固有誤差通常用一下兩種方式表示：（1） Ux=±a%Ux±%Um （2） Ux=±a%Ux±n個字式中Ux被測電壓讀數(shù) Um 該量程的滿度值a%Ux讀數(shù)誤差%Um 表示滿度誤差 3. 數(shù)字顯示0100kPa壓力測量系統(tǒng)電路設(shè)計 數(shù)字電壓表電路框圖如圖3.1所示。該測量系統(tǒng)采用P3000S-102A型絕對壓力傳感器，可測098.0665KPa（約0100K的壓力）。數(shù)字壓力表整機包括P3000S-102A壓力傳感器、恒流源、儀用放大器、調(diào)零電路、數(shù)字電壓表DVM、+15V和+5V穩(wěn)壓電源、-15V和

19、-5V的高效DC/DV負電源變換器等七大部分組成。 穩(wěn)壓電源 高效負電源變換器+15V+5V-15V-5V圖3-0-1基于P3000S-102A數(shù)字電壓表的電路圖P3000S-102A型絕對壓力傳感器儀用放大器數(shù)字電壓表及LED顯示恒流源供電電源調(diào)零電路基準電壓源3.1.壓力傳感器供電電源設(shè)計及有關(guān)參數(shù)計算傳感器采用絕對壓力傳感器P3000S-102A,恒流驅(qū)動，電流為1.5mA,靈敏度是60×10-5180×10-5mV/Pa,額定壓力范圍是098.0665KPa.（約0100KPa）3.1.1.壓阻式壓力傳感器概述壓阻式傳感器piezoresistance type t

20、ransducer是指利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。壓阻式傳感器用于壓力、拉力、壓力差和可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱Φ淖兓钠渌锢砹浚ㄈ缫何?、加速度、重量、?yīng)變、流量、真空度）的測量和控制。這種傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,制成硅壓阻芯片,并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi)，引出電極引線（圖1）。壓阻式壓力傳感器又稱為固態(tài)壓力傳感器，它不同于粘貼式應(yīng)變計需通過彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過硅膜片感受被測壓力的。圖1 中硅膜片的一面是與被測壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通

21、的低壓腔。硅膜片一般設(shè)計成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為2060。在圓形硅膜片(N型)定域擴散4條P雜質(zhì)電阻條,并接成全橋，其中兩條位于壓應(yīng)力區(qū)，另兩條處于拉應(yīng)力區(qū)，相對于膜片中心對稱。圖2中是兩種微型壓力傳感器的膜片，圖中數(shù)字的單位為毫米。此外，也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴散制作電阻條，兩條受拉應(yīng)力的電阻條與另兩條受壓應(yīng)力的電阻條構(gòu)成全橋。壓阻式壓力傳感器特點：1.易于微小型化；2.易于集成化；3.靈敏度高；4.測量范圍寬5.頻率響應(yīng)高；6.精度高，工作可靠，壽命長壓阻式傳感器廣泛地應(yīng)用于航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)

22、學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個領(lǐng)域。在航天和航空工業(yè)中壓力是一個關(guān)鍵參數(shù),對靜態(tài)和動態(tài)壓力,局部壓力和整個壓力場的測量都要求很高的精度。壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例如,用于測量直升飛機機翼的氣流壓力分布，測試發(fā)動機進氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。在飛機噴氣發(fā)動機中心壓力的測量中，使用專門設(shè)計的硅壓力傳感器,其工作溫度達500以上。在波音客機的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中采用了精度高達0.05的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風(fēng)洞模型試驗中，壓阻式傳感器能密集安裝在風(fēng)洞進口處和發(fā)動機進氣管道模型中。單個傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達300千赫,非線性和滯后均為全量

23、程的±0.22。在生物醫(yī)學(xué)方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測工具。已制成擴散硅膜薄到10微米,外徑僅0.5毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測量心血管、顱內(nèi)、尿道、子宮和眼球內(nèi)壓力的傳感器。用于測量腦壓的傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓阻式傳感器還有效地應(yīng)用于爆炸壓力和沖擊波的測量、真空測量、監(jiān)測和控制汽車發(fā)動機的性能以及諸如測量槍炮膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測量。此外，在油井壓力測量、隨鉆測向和測位地下密封電纜故障點的檢測以及流量和液位測量等方面都廣泛應(yīng)用壓阻式傳感器。隨著微電子技術(shù)和計算機的進一步發(fā)展，壓阻式傳感器的應(yīng)用還將迅速發(fā)展。3.1.2.P3000S-102A壓力傳感器供電電源的設(shè)

24、計及參數(shù)計算.1供電電源供電方案比較 橋式電路的壓力傳感器的供電方式有恒壓源供電、恒流源供電兩種方式。 由恒壓源供電的電路如圖3-1-1所示。 圖3-1-1 恒壓源供電設(shè)4個橋臂電阻值起始值相等而且均為R。當有壓力作用時，2個橋臂電阻增加增加量為R，而另外2個橋臂電阻阻值減小，減小量也為R。另外，在溫度變化時，每個電阻隨溫度的變化量為。因此，電橋的輸出：=U×R/(R+)。若=0，則=U×R/R，即電橋的輸出與R/R成正比，并與電源電壓U成正比。若0，則與有關(guān)，說明它有溫度誤差，而且是非線性的。而由恒流源供電的電路如圖3-1-2所示。圖3-1-2恒流源供電設(shè)4個橋臂初始電阻

25、相等。=I/2在有壓力使用時，仍有=I/2,因此，電橋的輸出為:=(I/2)(R+R+)- (I/2)(R-R+)整理后得: =×R由上式可看出，電橋的輸出與溫度無關(guān)。但是由于工藝的原因，電橋的每一個橋臂電阻實際上也不是完全相等的，因此在零壓時，有零位電壓輸出，用恒流源供電仍會有一定的溫度誤差。綜上所述，在它們?nèi)魏螚l件都均等的條件下，用恒流源供電的電橋輸出與溫度無關(guān)，即沒有溫度誤差，所以一般都采用恒流源給傳感器供電。.2恒流源供電電源設(shè)計及參數(shù)計算本設(shè)計采用基于運算放大器、基準電壓源等構(gòu)成的恒流源供電電源，具體電路如圖3-1-3所示。圖3-1-3 恒流源供電電路電路中VD1采用LM3

26、85，其穩(wěn)定電壓為2.5V，作為傳感器提供1.5mA恒流源的基準電壓。因為電源電壓為+15V,所以電阻壓降為12.5V。因VD1的電流范圍是20uA20mA。這樣，電阻選用范圍為625K，（12.5V/20uA）到625（12.5V/20mA）。如果VD1電流選為20mA，應(yīng)選為625，則要消耗250mW功率，VD1要消耗50mW功率，可見其消耗太大。如果VD1電流選的太小，VD1阻抗變大，易受噪聲影響。因此實際電路為100K，VD1電流為125uA。 電阻上的電壓與VD1的電壓相同，也為2.5V，而傳感器的電流也流經(jīng)，為使傳感器電流為1.5mA，而阻值為1.67K（2.5V/1.5mA），電

27、路中選=1.6K。恒流驅(qū)動傳感器的運放A1的輸出電流為1.5mA，采用通用運放LM324。.2.1關(guān)于LM324的簡介 LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器，與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四運算放大器可以工作在低到3.0V或者高到32V的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用上圖所示的符號來表示，他有5個引出腳，其中“”、“”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中Vi-（-）。為反相輸入端

28、，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。3.2二次變換電子電路設(shè)計及參數(shù)計算儀用放大電路的設(shè)計 本設(shè)計選用的壓力傳感器P3000S-102A的應(yīng)變電阻為橋式連接，輸出電壓很小，僅為60180 mV。因此如果要求測量精確度很高時，必須選用輸入阻抗高，放大差動電壓的放大電路。本設(shè)計選用通用運算放大器LM324構(gòu)成的差動輸入、差動輸出的儀用放大電路，具體如圖3-2-1所示。圖3-2-1儀用放大電路如果要求放大電路輸出電壓為1V，則要求放大電路增益為5.517倍可調(diào)，因此電路電壓放大倍數(shù)Av可表示為 Av=1+ (+)/式

29、中與選用相同的阻值。 采用10K電位器。 由上式可見，當值最大時，增益最小，這是增益為5.5倍較好。因此，設(shè)為10K，將Av代入上式，可計算和的阻值,即=22.5K。電路中選= =20K。A2與A3的輸出是電壓差信號，需變換成對地輸出信號。因此，采用A5構(gòu)成差動輸入單端輸出的放大電路，該電路僅放大差動電壓，必須。最后一級A5為單端輸出，輸出電壓為01V,而A5的差動輸入電壓也為01V。因此，A5的增益設(shè)為1，和都采用相同阻值的電阻。電路中A5采用通用運放LM324，輸出可接2K負載電阻。調(diào)零電路的設(shè)計 當被測壓力為0時，P3000S-102A傳感器輸出應(yīng)為0。但實際上，當被測壓力為0時，P30

30、00S-102A傳感器橋路不平衡，約有±5 mV的電壓。如果A2和A3組成的差動放大器的增益為17倍，就將把橋路的不平衡的±5 mV電壓放大17倍，即為±85mV 電壓。若A5增益為1，則輸出就有±85mV 電壓，因此，要進行補償,具體調(diào)零電路（零點補償電路）如圖3-2-2所示圖3-2-2 調(diào)零電路電路中A點電位=+15V/( + )×=15V/(15K+100) ×100=+100 mV，而B點電位 =-15V/(+)×=-15V/(15K+10) ×100=-100 mV。如果接入2K電位器，則兩端的電壓約為&

31、#177;90 mV 。、和這些阻值變動的比率相同，若阻值小，消耗電流就要增大，若阻值大，A4偏置電流會產(chǎn)生影響。影響程度可用A4相同輸入端與地之間電阻和 的合成電阻來計算。圖中參數(shù)，合成電阻最大值為550，而A4(LM324)的偏置電流最大值為250nA，產(chǎn)生最大的電壓為0.14 mV，因此采用的電阻值可稍大于圖中的電阻值。因A4電壓跟隨器的輸入是不平衡的，所以不用失調(diào)電流而用偏置電流來計算其影響。為補償傳感器橋路不平衡所產(chǎn)生的電壓，將電位器所形成的電壓經(jīng)A4進行阻抗變換，再通過加到A5的同相輸入端，就可起到補償作用。接入跟隨器A4，主要是保證流經(jīng)電流恒定，轉(zhuǎn)換的補償電壓也恒定。 壓力傳感器

32、的測量電路圖3-2-3壓力傳感器的測量電路 3.3基于MC14433的DVM電路設(shè)計及有關(guān)參數(shù)計算 DVM電路組成部分及基本原理 數(shù)字電壓表是將被測模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，并進行實時數(shù)字顯示的數(shù)字系統(tǒng)。 該電壓表可由MC14433-31/2位A/D轉(zhuǎn)換器、MC1413七段達林頓驅(qū)動器數(shù)組、CD4511BCD七段鎖存-譯碼-驅(qū)動器、基準電源MC1403和共陰極LED發(fā)光數(shù)碼管組成，電路如圖所示。 31/2位是指十進制數(shù)0000-1999，所謂3位是指個位、十位、百位，其數(shù)字范圍均為0-9.而半位是指千位，它不能由0變到9，而只能由0 變?yōu)?，即二值狀態(tài)，故稱為半位。.1電路各部分功能（1）MC144

33、33-31/2 位A/D轉(zhuǎn)換器：將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 （2）CD4511BCD七段鎖存-譯碼-驅(qū)動器：將二-十進制BCD轉(zhuǎn)換成七段信號,驅(qū)動顯示器的a，b，c，d，e，f，g七個發(fā)光段，推動發(fā)光管進行顯示。 （3）MC1403基準電源：退供精密電壓，供A/D轉(zhuǎn)換器作參考電壓。 （4）LED顯示器：將譯碼器輸出地七段信號進行數(shù)字顯示，讀出A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。.2電路工作過程31/2 位數(shù)字電壓表通過位選信號DS1-DS4進行動態(tài)顯示，由于MC14433電路的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是采用BCD碼多路調(diào)制方法輸出，只要配上一塊譯碼器，就可以將轉(zhuǎn)換器結(jié)果以數(shù)字方式實現(xiàn)四位數(shù)字的LED發(fā)光數(shù)碼管動態(tài)掃

34、描顯示。DS1-DS4 輸出多路調(diào)制宣統(tǒng)脈沖信號，DS選通為高電平，則表示對應(yīng)的數(shù)字被選通，此時該位資料在Q0 -Q3端輸出。每個DS選通脈沖為高電平寬度為18個時鐘脈沖周期，兩個相鄰選通脈沖之間間隔2個時鐘脈沖周期，DS和EOC的時序關(guān)系是在EOC脈沖結(jié)束之后，緊接著是DS1 輸出正脈沖，以下依次為DS2 ，DS3 ，DS4 。其中DS1對應(yīng)最高位，DS4 對應(yīng)最低位。在DS2 ，DS3 ，DS4 選通期間，Q0 -Q3輸出BCD全位資料，即以8421碼方式輸出對應(yīng)的數(shù)字0-9，在DS1 選通期間，Q0 -Q3 輸出千位的半位數(shù)0或1及過量程、欠量程和極性標志信號。在位選信號DS1 選通期間

35、Q0 -Q3 的輸出的內(nèi)容如下： 31/2 位數(shù)字電壓表原理圖Q3表示千位數(shù)，Q3 =“1”代表千位數(shù)的數(shù)字顯示為0.Q2 表示被測電壓極性，Q2 的電平為“1”，表示極性為正，即VX >0，Q2 的電平為“0”，表示極性為負，即VX <0 。顯示數(shù)的負號由MC1413中的一只晶體管控制，符號為的“-”陰極與千位數(shù)陰極接在一起，當輸入信號與VX 為負電壓時，Q2 端輸出置0，Q2 負號控制位使驅(qū)動器不工作，通過限流電阻RM 使顯示器的“-”點亮；當輸入信號VX 為正電壓時，Q2 端輸出置“1”，負號控制位使達林頓管驅(qū)動導(dǎo)通，電阻RM 接地，使“-”旁路而熄滅。小數(shù)點顯示是由正電源通

36、過限流電阻RDP供電點亮，若量程不同，則選通對應(yīng)的小數(shù)點。過量程是當前輸入電壓VX 超過量程范圍時，輸出過量程標志信號OR/。當Q3 =“0”， Q0 =“1”時，表示VX 處于過量狀態(tài)。當Q3 =“1”， Q0 =“1”時，表示VX 處于欠量狀態(tài)。當OR/=0時，|VX|>1999.測溢出。|VX|>VR則OR/輸出低電平。當OR/=1時，表示|VX|<VR。平時OR/為高電平，表示被測量在量程內(nèi)。MC14433的OR端與MC4511的消隱端BI直接相連，當VX 超過量成范圍。則OR/輸出低電平，即OR/=0BI/=0，MC14433譯碼器輸出全0，使發(fā)光數(shù)碼管顯示數(shù)字熄滅

37、，而負號和小數(shù)點依然點亮。3.3.1.3主要器件簡介1）. 31/2A/D轉(zhuǎn)換器-MC14433MC14433電路時一個低功耗31/2位雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，電路總框圖如圖.3所示。 .3 MC14433電路總框圖由圖可知，MC14433轉(zhuǎn)換器主要由模擬部分和數(shù)字部分組成。使用時只要外接兩個電阻和兩個電容就能執(zhí)行31/2 位A/D轉(zhuǎn)換。（1）模擬部分：圖.3.1為MC14433內(nèi)部模擬電路的工作原理示意圖。其中共有3個運算放大器IC1、IC2、IC3和10多個電子模擬開關(guān)，IC1接成電壓跟隨器，以提高A/D轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗。IC2和外接的R1、C1構(gòu)成一個積分放大器，完成V/T即電壓-時間的轉(zhuǎn)

38、換。IC3接成電壓比較器，主要功能是完成“0”電平檢出，由輸入電壓與零電壓進行比較，根據(jù)兩者的差值決定輸出時“1”還是“0”。比較器的輸出用作內(nèi)部數(shù)字控制電路的一個判別信號。電容C0為自動調(diào)零失調(diào)補償電容。 .3.1 MC14433模擬電路工作原理示意圖（2）數(shù)字部分：圖.3中除掉“模擬部分”以外的部分。其中四位十進制計數(shù)器為31/2位BCD碼計數(shù)器，對反積分時間進行計數(shù)（0-1999）,并送到數(shù)據(jù)寄存器；數(shù)據(jù)寄存器為31/2位十進制代碼數(shù)據(jù)寄存器，在控制邏輯和實時取數(shù)信號（DU）作用下，鎖定和存儲A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；多路選擇開關(guān)，從高位到低位逐位輸出多路調(diào)制BCD碼Q0-Q3，并輸出相應(yīng)的多路選

39、通脈沖標志信號DS1-DS4；控制邏輯，這是A/D轉(zhuǎn)換的指揮中心，統(tǒng)一控制各部分電路的工作，它是根據(jù)比較器的輸出極性接通電子模擬開關(guān)，完成A/D轉(zhuǎn)換6個階段的開關(guān)轉(zhuǎn)換和定時轉(zhuǎn)換信號，以及過量程等功能標志信號，在對基準電壓VR進行積分時，令4位計數(shù)器開始計數(shù)，完成A/D轉(zhuǎn)換；時鐘發(fā)生器，它通過外接電阻構(gòu)成的反饋，并利用內(nèi)部電容形成震蕩，產(chǎn)生節(jié)拍時鐘脈沖，使電路統(tǒng)一動作，這是一種施密特觸發(fā)式正反饋RC多諧振蕩器，一般外接電阻為360k時，振蕩頻率為100kHz,當外接電阻為470k時，振蕩頻率為66kHz，當外接電阻為,750k時，振蕩頻率為50kHz.若采用外時鐘頻率，則不要外接電阻，外接時鐘頻

40、率信號從CLKI（腳）端輸入，時鐘脈沖CP信號課從CLKO（11腳）獲得；極性檢測，顯示出入電的VX 的正負極性；過載指示，當輸入電壓VX 超出量程時，輸出過量程標志OR/。 MC14433A/D轉(zhuǎn)換器是雙斜積分式，采用電壓-時間間隔（V/T）方式，通過先后對被測電壓模擬量VX和基準電壓VR兩個積分，將輸入的被測電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔，用計數(shù)器測出這個時間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)目，即可得到被測電壓的數(shù)字值。MC14433為24腳雙列直插式封裝，引腳排列如圖.4所示 .4 MC14433引腳排列圖2）七段鎖存-譯碼-驅(qū)動器CD4511CD4511是專用于將二-十進制代碼（BCD）轉(zhuǎn)換成七段

41、顯示信號的專用標準譯碼器，它由四位閂鎖，七段譯碼和驅(qū)動器三部分組成，其功能如圖.5所示。 .5 CD4511功能圖1）四位閂鎖：它的功能是將輸入的A、B、C、D代碼寄存起來，該電路具有鎖存功能，在鎖存允許端LE端控制下起閂鎖電路的作用。 當LE=“1”時，閂鎖器處于鎖存狀態(tài)，四位閂鎖封鎖輸入，此時它的輸入為前一次LE=“0”時輸入的BCD碼； 當LE=“0”時，閂鎖器處于選通狀態(tài)，輸出即為輸入的代碼。2）七段譯碼電路：將來自四位閂鎖輸出的BCD代碼譯成顯示，輸出，CD4511中的七段顯示器有兩個控制端:LT/燈測試端，當LT/=“0”時，七段譯碼器輸出全為“1”，發(fā)光數(shù)碼管各段全亮顯示；當LT

42、/=“1”時，譯碼器輸出狀態(tài)由BI/端控制。 BI/消隱端。當BI/=“0”時，控制譯碼器全為“0”輸出，發(fā)光數(shù)碼端各位熄滅。當BI/=“0”時，譯碼器正常輸出，發(fā)光數(shù)碼管正常顯示。 驅(qū)動器：利用內(nèi)部設(shè)置的NPN管構(gòu)成射極輸出器，加強驅(qū)動能力。CD4511電源電壓VDD 的范圍為5V-15V。它可與NMOS電路或TTL電路兼容工作。 CD4511為16腳雙列直插式封裝，引腳排列如.6圖所示其真值表如圖所示3）七路達林頓驅(qū)動器MC1413MC1413采用NPN達林頓復(fù)合晶體管的結(jié)構(gòu)，該電路內(nèi)含7個OC門。MC1413結(jié)構(gòu)和引腳如圖.8所示。 4）基準電源MC1403 MC1403的輸出電壓V0

43、的恒溫系數(shù)為零，即輸出電壓與溫度無關(guān)。該電路的特點是：溫度系數(shù)??；噪聲??；輸入電壓范圍大，穩(wěn)定性好；輸出電壓值準確度高，V0 值在2.475-2.525V以內(nèi)壓差小，適用于低壓電源。MC1403引腳功能如圖.9所示.6 CD4511引腳圖 .7 CD4511真值表 .8 MC141引腳和電路結(jié)構(gòu)框圖 .9 MC1403引腳圖 MC14433的主要功能特性及各引腳功能簡介.1，主要功能特性 1.精度：讀數(shù)的±0.05%±1字 2.模擬電壓輸入量程：1.999V和199.9mV兩檔 3.轉(zhuǎn)換速率：2-25次/s 4.輸入阻抗：大于1000M 5.輸入阻抗：大于1000M 6.功

44、耗：8mW（±5V電源電壓時，典型值） 7.功耗：8mW（±5V電源電壓時，典型值） .2.MC14433最主要的用途是數(shù)字電壓表，數(shù)字溫度計等各類數(shù)字化儀表及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換接口。 MC14433為24腳雙列直插式封裝，引腳排列如圖所示。各引腳功能說明如下：1腳：VAG，模擬地，是高阻輸入端，作為輸入電壓VX和基準電壓的參考點地。2腳：VR ，基準電壓端，是外接基準電壓的輸入端。3腳: VX ,被測電壓輸入端。4腳：R1 ，外接積分電阻端。5腳：R1 / C1 ,外接積分組建電阻和電容的特點。6腳：C1 ，外接積分電容端，積分波形由該端輸出。7腳和8腳：CO1 和CO2 ，外接失調(diào)補償電容端。9腳：DU,實時輸出控制端，主要控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。10腳：CLKI，時鐘信號輸入端。11腳：CLKO, 時鐘信號輸出端。12腳：VEE ，負電源端，是整個電路的點位最低端，主要作為模擬電路部分的負電源。13腳：VSS ，負電源端。14腳：EOC，轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標志輸出端。15腳：OR/，過量程標志輸出端。16腳-19腳：對應(yīng)為DS4