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(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），