顯示儀表第六章

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)際問題。§6.1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電阻信號的標(biāo)度變換

一般說來，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時(shí)，通常都采用電橋來進(jìn)行標(biāo)度變換，以適當(dāng)選取供橋電壓或橋路電阻來達(dá)到標(biāo)度變換的目的。

②電勢信號的正確變換其標(biāo)度變換就是通過選取前置放大器的放大倍數(shù)來解決的

③電流信號的標(biāo)度變換④頻率信號的標(biāo)度變換數(shù)字儀表的輸入為頻率信號（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)，所以對頻率信號的標(biāo)度變換通常是在數(shù)字部分用乘系數(shù)的辦法來解決

2.數(shù)字量的標(biāo)度變換當(dāng)被測參數(shù)經(jīng)過模-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)字信號輸出

1.數(shù)字顯示

①被測量（包括正負(fù)極性、數(shù)值大小及小數(shù)點(diǎn)位置）②被測量單位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)測量值的線性顯示問題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轉(zhuǎn)換為線性化的數(shù)字顯示過程中所采用的各種補(bǔ)償措施。

對常規(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）開環(huán)補(bǔ)償方式溫度測量系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換電路的方框圖（二）反饋補(bǔ)償方式

若測量儀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，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)被測溫度變化了Δt時(shí)，根據(jù)直線②所確定的線性關(guān)系，對應(yīng)的熱電勢為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，從圖6－2－8中折線③可看出，對應(yīng)于同一個(gè)Δt，實(shí)際熱電勢應(yīng)為ΔUt′

顯然，ΔUt與ΔUt′相差很大，若仍用線性轉(zhuǎn)換則帶來很大的誤差。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)對輸入信號進(jìn)行正向積分。待采樣階段T1結(jié)束后，比較階段開始。此時(shí)，開關(guān)V斷開，V1接通，基準(zhǔn)電壓UR經(jīng)電阻R1和電容C對積分器進(jìn)行反向積分。同時(shí)打開計(jì)數(shù)門開始計(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，V2接通，UR通過電阻R2和C對積分器進(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。其波形見圖6－2－9b。在T22、T23、T24時(shí)刻，使開關(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

在對基準(zhǔn)電壓UR的反向積分過程中，每個(gè)開關(guān)是否全都動(dòng)作一次，或依次接通幾個(gè)完全由輸入信號的大小來決定。②

A／D轉(zhuǎn)換線性化(非線性A／D轉(zhuǎn)換)是通過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)過邏輯處理后發(fā)出不同的控制信號，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)電阻由譯碼器通過相應(yīng)的模擬開關(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)輸出控制模擬開關(guān)，直至電橋平衡。

模擬開關(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。通過恰當(dāng)?shù)剡x取電橋的有關(guān)參數(shù)，可使被測溫度t與權(quán)電阻Rq成線性關(guān)系。

Rt=R0(1+t)由圖可見，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)字量與被測變量之間仍存在非線性，這時(shí)要對已獲得的數(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加以說明。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，可得對應(yīng)輸入信號Ut＝Utn時(shí)，計(jì)數(shù)器的輸出脈沖數(shù)為

當(dāng)輸入信號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）；熱電阻（Pt10、Pt100、Cu50、Cu100型分度號）；霍爾壓力變送器；差壓計(jì)；電阻遠(yuǎn)傳壓力計(jì)；電流輸入信號有0～10mADC、4～20mADC；電壓輸入信號

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．測量范圍

配用熱電偶和熱電阻的XZMA－200儀表的測量范圍見表6－3－1；

2．顯示準(zhǔn)確度

0.5級；3．輸入阻抗

電壓信號≥100kΩ；電流信號等于10Ω；

4．工作環(huán)境

環(huán)境溫度：0～50℃；相對濕度≤85％；無腐蝕性氣體的場合；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)的信號源內(nèi)阻對測量結(jié)果的影響。對于熱電偶由于冷端溫度變化而引起的熱電動(dòng)勢的變化，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，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）可化簡為適當(dāng)選擇R2＝R3及R0的阻值，使

即可對熱電偶冷端溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。

前置放大器的第二級為反相放大電路，其輸出熱電偶熱電動(dòng)勢經(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。對于銅熱電阻來說，該電壓與被測溫度呈線性關(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)算放大器開環(huán)放大倍數(shù)K0和開環(huán)輸入阻抗為無窮大，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，并化簡得將式（6－3－4）、式（6－3－5）代入上式，并化簡得從式（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Rt的電流i＝3mA。

隨溫度變化的熱電阻變換為電壓信號后，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)共陽極LED顯示器，使儀表的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化，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)測量范圍和分度號：－200～1999℃各種分度號熱電偶；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)簡易數(shù)字式溫度顯示儀，配接熱電偶測溫，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），