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第六章工業(yè)自動(dòng)化數(shù)字顯示儀表設(shè)計(jì)

我們要了解數(shù)字顯示儀表設(shè)計(jì)的一般問(wèn)題:如構(gòu)成原理、標(biāo)度變換、數(shù)字儀表的線性化等儀表設(shè)計(jì)中的實(shí)際問(wèn)題?!?.1數(shù)字顯示儀表的構(gòu)成一數(shù)字顯示儀表的基本構(gòu)成原理(一)濾波

1.RC濾波

2.數(shù)字濾波

①算術(shù)平均法;②中值法;③加權(quán)平均法。(二)前置放大1.線性度好

2.具有高精度和高穩(wěn)定性的放大倍數(shù)

3.具有高輸入阻抗和低輸出阻抗

4.零漂和噪聲要小

5.抗干擾能力要強(qiáng)

6.具有較快的反應(yīng)速度和過(guò)載恢復(fù)時(shí)間(三)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和標(biāo)度變換1.模擬量的標(biāo)度變換①電阻信號(hào)的標(biāo)度變換

一般說(shuō)來(lái),當(dāng)數(shù)字顯示儀表以電阻、電感、電容等元件參數(shù)的變換量作為輸入信號(hào)時(shí),通常都采用電橋來(lái)進(jìn)行標(biāo)度變換,以適當(dāng)選取供橋電壓或橋路電阻來(lái)達(dá)到標(biāo)度變換的目的。

②電勢(shì)信號(hào)的正確變換其標(biāo)度變換就是通過(guò)選取前置放大器的放大倍數(shù)來(lái)解決的

③電流信號(hào)的標(biāo)度變換④頻率信號(hào)的標(biāo)度變換數(shù)字儀表的輸入為頻率信號(hào)(如渦輪流量計(jì)的輸出)時(shí),可以采用頻率-電壓轉(zhuǎn)換器,將頻率轉(zhuǎn)換為電壓;也可采用計(jì)數(shù)累積的辦法等來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換。由于頻率計(jì)數(shù)的辦法較容易實(shí)現(xiàn),所以對(duì)頻率信號(hào)的標(biāo)度變換通常是在數(shù)字部分用乘系數(shù)的辦法來(lái)解決

2.數(shù)字量的標(biāo)度變換當(dāng)被測(cè)參數(shù)經(jīng)過(guò)模-數(shù)轉(zhuǎn)換,從模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,以計(jì)數(shù)脈沖形式輸出時(shí),不將此計(jì)數(shù)脈沖直接送到計(jì)數(shù)譯碼器顯示電路,而先經(jīng)過(guò)數(shù)字運(yùn)算器,乘或除以一個(gè)從0.1~0.9的任意值(根據(jù)需要也可乘除兩位以上的多位數(shù)如0.001至0.999中的任意值)。

(四)數(shù)字顯示、記錄、報(bào)警和數(shù)字信號(hào)輸出

1.數(shù)字顯示

①被測(cè)量(包括正負(fù)極性、數(shù)值大小及小數(shù)點(diǎn)位置)②被測(cè)量單位③有的儀表附有時(shí)鐘顯示

2.記錄打印

3.報(bào)警

4.數(shù)字量輸出二工業(yè)數(shù)字顯示儀表的特點(diǎn)(一)顯示直觀明了,無(wú)視差(二)大規(guī)模集成電路(三)儀表采用模塊化設(shè)計(jì)(四)儀表品種繁多(五)線性化電路(六)數(shù)字編碼輸出(七)儀表外形標(biāo)準(zhǔn)化§6.2工業(yè)參數(shù)測(cè)量值的線性顯示問(wèn)題0℃≤t≤50℃-200℃<t≤0℃

所謂數(shù)字儀表的“線性化”就是指,在把儀表非線性輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性化的數(shù)字顯示過(guò)程中所采用的各種補(bǔ)償措施。

對(duì)常規(guī)數(shù)字儀表進(jìn)行非線性補(bǔ)償,主要有兩方面的工作:①根據(jù)已知的傳感器非線性特性求得所需要的線性化器的非線性特性。

(數(shù)字解析表達(dá)式,圖解法)②根據(jù)所求得的線性化器的非線性特性,采用非線性補(bǔ)償電路來(lái)實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償.

(折線逼近法)一線性化器特性的求取方法(一)開(kāi)環(huán)補(bǔ)償方式溫度測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的方框圖(二)反饋補(bǔ)償方式

若測(cè)量?jī)x表采用如圖所示的非線性反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償,則稱之為閉環(huán)式非線性補(bǔ)償方法。(三)增益補(bǔ)償控制方式

工作在閉環(huán)負(fù)反饋狀態(tài),穩(wěn)定性比較好。非線性補(bǔ)償

常規(guī)數(shù)字儀表的非線性補(bǔ)償方法三種方法:

1模擬非線性補(bǔ)償法;

2非線性A/D轉(zhuǎn)換法;

3數(shù)字非線性補(bǔ)償法。式中xi

-折線的各轉(zhuǎn)折點(diǎn);

ki-

各折線段的斜率,ki=tgαi。

由此可見(jiàn),折線段數(shù)越多,折線越逼近曲線,準(zhǔn)確度越高,但在進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)實(shí)現(xiàn)的電路和計(jì)算也越復(fù)雜。(一)模擬非線性補(bǔ)償

(二)非線性模-數(shù)轉(zhuǎn)換補(bǔ)償法非線性A/D轉(zhuǎn)換補(bǔ)償法是在將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過(guò)程中完成非線性補(bǔ)償?shù)?。此時(shí),儀表的整機(jī)方框圖如圖6-2-7所示。

在常用的A/D轉(zhuǎn)換方法中,由于逐次反饋比較型采用了解碼網(wǎng)絡(luò),所以只要適當(dāng)選取解碼網(wǎng)絡(luò)中的電阻阻值,就可獲得所要求的非線性A/D轉(zhuǎn)換特性。

同樣,若采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換方式時(shí),則可在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的第二次反向積分時(shí)不斷改變積分電阻以改變積分時(shí)間常數(shù),或利用基準(zhǔn)電壓的變化來(lái)達(dá)到積分電容放電速率的不斷變化,從而獲得所要求的非線性特性,以補(bǔ)償輸入信號(hào)的非線性,這就是非線性補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)。①實(shí)際特性曲線;②線性特性曲線;③“以直線代替曲線”的折線

若按直線②進(jìn)行轉(zhuǎn)換,數(shù)字儀表的顯示值N與溫度t成線性關(guān)系,即

當(dāng)被測(cè)溫度變化了Δt時(shí),根據(jù)直線②所確定的線性關(guān)系,對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)為ΔUt

根據(jù)雙積分線性轉(zhuǎn)換原理,轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量為代入式(6-2-22)

而實(shí)際上儀表輸入的是非線性信號(hào),從圖6-2-8中折線③可看出,對(duì)應(yīng)于同一個(gè)Δt,實(shí)際熱電勢(shì)應(yīng)為ΔUt′

顯然,ΔUt與ΔUt′相差很大,若仍用線性轉(zhuǎn)換則帶來(lái)很大的誤差。為了消除這種非線性影響,實(shí)現(xiàn)線性顯示,可在轉(zhuǎn)換器的正、反向積分階段分別采用不同電阻值,這樣轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量為非線性補(bǔ)償就是要使ΔN′=ΔN,即整理后得式(6-2-22)和(6-2-25)分別代入式(6-2-27),可得

由此,可按照儀表所要求的線性斜率與各折線段斜率的比值來(lái)選取各反向積分電阻值,使反向積分的速度隨各折線的斜率的變化而變化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非線性的模-數(shù)轉(zhuǎn)換。

非線性模-數(shù)轉(zhuǎn)換原理及轉(zhuǎn)換器輸出波形如圖6-2-9所示。當(dāng)輸入一個(gè)Ui量,首先在T1時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行正向積分。待采樣階段T1結(jié)束后,比較階段開(kāi)始。此時(shí),開(kāi)關(guān)V斷開(kāi),V1接通,基準(zhǔn)電壓UR經(jīng)電阻R1和電容C對(duì)積分器進(jìn)行反向積分。同時(shí)打開(kāi)計(jì)數(shù)門開(kāi)始計(jì)數(shù)。

當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)間達(dá)到T21時(shí),邏輯控制將V1斷開(kāi),V2接通,UR通過(guò)電阻R2和C對(duì)積分器進(jìn)行反向積分,由于R1和R2阻值不同,所以積分器輸出的斜率發(fā)生了變化。其波形見(jiàn)圖6-2-9b。在T22、T23、T24時(shí)刻,使開(kāi)關(guān)V3、V4、V5依次接通,直到積分器的輸出為零。此時(shí),計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù)為

在對(duì)基準(zhǔn)電壓UR的反向積分過(guò)程中,每個(gè)開(kāi)關(guān)是否全都動(dòng)作一次,或依次接通幾個(gè)完全由輸入信號(hào)的大小來(lái)決定。②

A/D轉(zhuǎn)換線性化(非線性A/D轉(zhuǎn)換)是通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換直接進(jìn)行線性化處理的一種方法。例如,利用A/D轉(zhuǎn)換后的不同輸出,經(jīng)過(guò)邏輯處理后發(fā)出不同的控制信號(hào),反饋到A/D轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)中去改變A/D轉(zhuǎn)換的比例系數(shù),使A/D轉(zhuǎn)換最后輸出的數(shù)字量N與被測(cè)量x成線性關(guān)系。常用的有電橋平衡式非線性A/D轉(zhuǎn)換。圖為電橋平衡式非線性A/D轉(zhuǎn)換的典型電路。圖1電橋平衡式非線性A/D轉(zhuǎn)換器圖中熱電阻Rt是電橋的一個(gè)橋臂,其余橋臂電阻分別為R1、R4、R2+R3和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)。由R~R/100組成的權(quán)電阻與R2并聯(lián),各權(quán)電阻由譯碼器通過(guò)相應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)控制。

圖1電橋平衡式非線性A/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)電橋平衡時(shí),檢零器輸出為零,計(jì)數(shù)器不計(jì)數(shù)。隨著溫度升高,熱電阻Rt阻值增加,電橋不平衡,檢零器輸出高電平,打開(kāi)CP脈沖控制門,計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)輸出控制模擬開(kāi)關(guān),直至電橋平衡。

模擬開(kāi)關(guān)根據(jù)計(jì)數(shù)值決定接上哪幾只權(quán)電阻,一是使電橋趨于平衡,二是完成非線性校正。上式表明,熱電阻Rt與接入的權(quán)電阻Rq成非線性關(guān)系。通過(guò)恰當(dāng)?shù)剡x取電橋的有關(guān)參數(shù),可使被測(cè)溫度t與權(quán)電阻Rq成線性關(guān)系。

Rt=R0(1+t)由圖可見(jiàn),電橋平衡時(shí)有(三)數(shù)字非線性補(bǔ)償法

經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后,模擬量已經(jīng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,但數(shù)字量與被測(cè)變量之間仍存在非線性,這時(shí)要對(duì)已獲得的數(shù)字量進(jìn)行線性化修正,實(shí)現(xiàn)數(shù)字式非線性補(bǔ)償,常用方法是折線乘系數(shù)法,即仍是采用以折線代曲線的方法。

以圖6-2-8所示的熱電偶特性曲線為例來(lái)加以說(shuō)明。實(shí)現(xiàn)數(shù)字非線性補(bǔ)償?shù)倪壿嬁驁D如圖6-2-10所示。事先將圖6-2-8中直線②的斜率與折線③各段斜率之比ki設(shè)置在系數(shù)運(yùn)算器中。

一旦輸入信號(hào)Ut≥Uti時(shí),即計(jì)數(shù)器計(jì)至Nti值時(shí),則發(fā)出一個(gè)信號(hào)到系數(shù)控制器,系數(shù)控制器使系數(shù)運(yùn)算器進(jìn)行乘k2運(yùn)算,此時(shí)計(jì)數(shù)器的總輸出脈沖為≤

依次類推,可得對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)Ut=Utn時(shí),計(jì)數(shù)器的輸出脈沖數(shù)為

當(dāng)輸入信號(hào)Ut小于Ut1時(shí)(圖6-2-8及圖6-2-9b所示),系數(shù)控制器使系數(shù)運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)乘k1運(yùn)算,計(jì)數(shù)器輸出脈沖Nt為<

綜上所述,所謂非線性補(bǔ)償?shù)幕痉椒ㄊ且哉劬€代替曲線,把非線性曲線用線性折線來(lái)分段逼近,然后使各段折線的斜率變換成同一斜率,得到近似的線性。顯然,當(dāng)折線的線段越多,折線逼近曲線的程度越好,線性補(bǔ)償?shù)恼`差就越小?!?.3國(guó)產(chǎn)典型數(shù)字顯示儀表一XZMA-200系列數(shù)字顯示儀表它能與熱電偶(E、K、S、B、T型分度號(hào));熱電阻(Pt10、Pt100、Cu50、Cu100型分度號(hào));霍爾壓力變送器;差壓計(jì);電阻遠(yuǎn)傳壓力計(jì);電流輸入信號(hào)有0~10mADC、4~20mADC;電壓輸入信號(hào)

0~5VDC、1~5VDC等各種工業(yè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)字顯示。(一)儀表的主要技術(shù)指標(biāo)1.測(cè)量范圍

配用熱電偶和熱電阻的XZMA-200儀表的測(cè)量范圍見(jiàn)表6-3-1;

2.顯示準(zhǔn)確度

0.5級(jí);3.輸入阻抗

電壓信號(hào)≥100kΩ;電流信號(hào)等于10Ω;

4.工作環(huán)境

環(huán)境溫度:0~50℃;相對(duì)濕度≤85%;無(wú)腐蝕性氣體的場(chǎng)合;5.電源電壓

220V±10%;50Hz/60Hz;6.消耗功率

≤6.5W。(二)配接熱電偶電路

前置放大器的第一級(jí)為高精確度運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相放大電路,它提高了儀表的輸入阻抗,降低了包括外線電阻在內(nèi)的信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。對(duì)于熱電偶由于冷端溫度變化而引起的熱電動(dòng)勢(shì)的變化,儀表采用不平衡電橋構(gòu)成的冷端補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)A1為理想運(yùn)算放大器,從圖中可見(jiàn),其輸出U01為RCu(t)-

溫度t℃時(shí),銅電阻阻值,RCu(t)=R0+ΔRt。令電阻R14=R0(0℃時(shí)銅電阻阻值),R2=R3>>RCu,即認(rèn)為補(bǔ)償器兩橋臂電流相等。同時(shí)由于R8/R7>>1,故式(6-3-1)可化簡(jiǎn)為適當(dāng)選擇R2=R3及R0的阻值,使

即可對(duì)熱電偶冷端溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。

前置放大器的第二級(jí)為反相放大電路,其輸出熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)經(jīng)前置放大后,再送入非線性校正電路中進(jìn)行非線性補(bǔ)償。

(三)配接熱電阻電路

采用了由運(yùn)算放大器構(gòu)成的R-V變換電路,如圖6-3-3所示,R-V電路對(duì)熱電阻提供一個(gè)恒定的電流it,則可在熱電阻上取出與溫度有關(guān)的電壓信號(hào)。對(duì)于銅熱電阻來(lái)說(shuō),該電壓與被測(cè)溫度呈線性關(guān)系,放大后直接送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量;而對(duì)于鉑熱電阻,該電壓在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前,還需進(jìn)行非線性校正。

推導(dǎo)R-V變換電路輸出電壓U0與電阻Rt的關(guān)系。首先假定運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)K0和開(kāi)環(huán)輸入阻抗為無(wú)窮大,則可得以下三式:又因

U3=K0(U2-U1)將式(6-3-4)、式(6-3-5)代入上式,并化簡(jiǎn)得將式(6-3-4)、式(6-3-5)代入上式,并化簡(jiǎn)得從式(6-3-6)得比較式(6-3-7)和式(6-3-8)得令R2=R3=R4=RA,R1=RA+R5則式(6-3-9)可寫(xiě)成

式中

i=Us/R5為常數(shù),所以U0與Rt成比例。這里Us=6V,取R5=2kΩ,則流過(guò)Rt的電流i=3mA。

隨溫度變化的熱電阻變換為電壓信號(hào)后,由放大器進(jìn)行放大,放大電路原理線路圖如圖6-3-4所示。在忽略放大器輸入阻抗等因素后,運(yùn)算放大器A4的輸出電壓Ut為調(diào)節(jié)電位器RW,使則

最后,放大器的輸出(四)非線性補(bǔ)償電路在儀表中,對(duì)熱電偶、熱電阻與溫度的非線性采用模擬非線性補(bǔ)償法進(jìn)行補(bǔ)償。即根據(jù)實(shí)際測(cè)量要求以及所配傳感元件,將熱電偶、熱電阻與溫度的特性關(guān)系曲線分成數(shù)段,以折線代替曲線。然后利用二極管單向?qū)щ娞匦耘c運(yùn)算放大器配合構(gòu)成相應(yīng)的折線電路。(五)A/D轉(zhuǎn)換與顯示電路

A/D轉(zhuǎn)換采用了單片位CMOS雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107。ICL7107除了具有轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度高,抗干擾能力強(qiáng),輸入阻抗高等其它型號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器所共同的優(yōu)點(diǎn)以外,還能直接驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極LED顯示器,使儀表的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化,降低了儀表的成本。

二XMZ型數(shù)字溫度顯示儀表

XMZ型數(shù)字顯示儀表與上述XZMA-200系列數(shù)顯儀表的最大不同是用軟件實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償和標(biāo)度變換,去掉了復(fù)雜的硬件電路,使不同量程、不同分度號(hào)的改變只要更換EPROM芯片即可,十分靈活、方便,通用性強(qiáng)。

XMZ-101H型溫度數(shù)字顯示儀表的特點(diǎn)。(一)主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)量范圍和分度號(hào):-200~1999℃各種分度號(hào)熱電偶;精確度:滿度±0.5%±1個(gè)字;分辨力:1℃采樣速率:3次/秒;顯示方式:位LED數(shù)碼管顯示。(二)基本工作原理

XMZ-101H型儀表為單點(diǎn)簡(jiǎn)易數(shù)字式溫度顯示儀,配接熱電偶測(cè)溫,其原理方框圖如圖6-3-6所示。

儀表采用PN結(jié)冷端溫度補(bǔ)償器,制造工藝簡(jiǎn)單,補(bǔ)償精度高;采用EPROM線性化器,精度高,不同熱電偶只要更換EPROM芯片,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的溫度非線性補(bǔ)償。

(三)熱電偶預(yù)處理電路熱電偶預(yù)處理電路具有冷端溫度補(bǔ)償、斷偶保護(hù)和濾波放大等功能。

由于二極管D1的PN結(jié)兩端電壓隨溫度變化,0℃時(shí),PN結(jié)間電壓約668mV,溫度每升高1℃。,電壓下降約2mV。設(shè)I1=1mA,取I2=0.05mA,由于I1>>I2,可以認(rèn)為I1全部渡過(guò)R2,在0℃時(shí)有R5、R6選取用以補(bǔ)償上限50℃時(shí)的E(50,0),對(duì)于S型熱電偶,

在調(diào)試時(shí),調(diào)節(jié)W1,使A點(diǎn)電位為688mV;將熱電偶短接,調(diào)節(jié)W2,使儀表指示室溫即可。

這樣,數(shù)字式溫度儀表本身具有了冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能,相當(dāng)于表內(nèi)預(yù)置E(t0,0),

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