自動(dòng)顯示技術(shù)與儀表課件

1、第 2 章數(shù)字顯示技術(shù)及儀表2.1數(shù)字顯示儀表的分類和特點(diǎn)2.2數(shù)字顯示儀表的構(gòu)成及主要技術(shù)指標(biāo)2.3信號(hào)的采樣與量化過(guò)程2.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器2.5工業(yè)參數(shù)的線性化顯示2.6標(biāo)度變換2.7數(shù)字顯示器件2.8XZMA系列數(shù)字顯示儀2.9干擾及儀表的抗干擾措施思考與練習(xí)題由于數(shù)字顯示儀表具有測(cè)量速度快、 準(zhǔn)確度高、 讀數(shù)直觀、 便于和計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字裝置連接等一系列特點(diǎn)， 因此在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)中得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 在許多領(lǐng)域， 傳統(tǒng)的模擬顯示儀表正在逐漸地被數(shù)字顯示儀表所取代。 本章主要介紹工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用的常規(guī)數(shù)字顯示儀表的原理和有關(guān)技術(shù)問(wèn)題。 2.1 數(shù)字顯示儀表的分類

2、和特點(diǎn) 20世紀(jì)50年代初， 世界上出現(xiàn)了第一臺(tái)數(shù)字顯示儀表。 五十多年來(lái)， 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 尤其是數(shù)字化測(cè)量技術(shù)、 半導(dǎo)體技術(shù)、 大規(guī)模集成電路技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)在儀表中的應(yīng)用， 數(shù)字顯示儀表很快地從電子管式、 晶體管式發(fā)展到目前集成電路式和帶有微處理器式的數(shù)字顯示儀表。 數(shù)字顯示儀表的應(yīng)用范圍也從原來(lái)主要在實(shí)驗(yàn)室中使用擴(kuò)展到了幾乎一切測(cè)量領(lǐng)域。 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用的數(shù)字顯示儀表有數(shù)字式溫度計(jì)、 壓力計(jì)、 流量計(jì)、 電子秤、 萬(wàn)能信號(hào)測(cè)量?jī)x等。 2.1.1 數(shù)字顯示儀表的分類 所謂數(shù)字顯示儀表， 是指直接以數(shù)字形式顯示被測(cè)量量值大小的儀表。 數(shù)字顯示儀表的分類

3、方法很多， 常見(jiàn)的有以下幾種： (1) 按照顯示位數(shù)， 可以分為位、位、位、 位數(shù)字顯示儀表等。顯示位數(shù)中的整數(shù)部分表示低位上能夠顯示09之間任何數(shù)碼的位數(shù)， 分?jǐn)?shù)部分的表示最高位只能夠顯示0或1， 分?jǐn)?shù)部分的表示最高位只能夠顯示03。(2) 按照采樣速率， 可以分為低速型、 中速型和高速型數(shù)字顯示儀表。 低速型數(shù)字顯示儀表的采樣速率為零點(diǎn)幾次每秒到幾次每秒； 中速型的為十幾次每秒到幾百次每秒； 高速型的為幾千次每秒以上。 (3) 按照輸入信號(hào)的形式， 可以分為電壓型和頻率型數(shù)字顯示儀表。 前者的輸入信號(hào)為電壓或電流等形式的信號(hào)； 后者的輸入信號(hào)為頻率、 脈沖或開(kāi)關(guān)等形式的信號(hào)。 (4) 按照

4、輸入信號(hào)的點(diǎn)數(shù)， 可以分為單點(diǎn)式和多點(diǎn)式數(shù)字顯示儀表。 (5) 按照電路中的主要元器件， 可以分為電子管式、 晶體管式、 集成電路式和帶微處理器式數(shù)字顯示儀表等。 (6) 按照顯示器件， 可以分為利用輝光管、 熒光管、 液晶、 發(fā)光二極管、 等離子體等顯示器進(jìn)行顯示的數(shù)字顯示儀表等。 (7) 按照儀表的功能， 可以分為顯示型、 顯示報(bào)警型、 顯示調(diào)節(jié)型和巡回檢測(cè)型數(shù)字顯示儀表等。 (8) 按照是否具有智能， 可以分為常規(guī)和智能數(shù)字顯示儀表。 2.1.2 數(shù)字顯示儀表的特點(diǎn) 數(shù)字顯示儀表中由于沒(méi)有磁電偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、 伺服電動(dòng)機(jī)等機(jī)械部分， 并且以數(shù)字形式直接顯示測(cè)量結(jié)果， 因此使得它具有了模擬顯示儀

5、表無(wú)法比擬的許多優(yōu)點(diǎn)。 其主要特點(diǎn)如下： (1) 準(zhǔn)確度高。 一般通用的數(shù)字顯示儀表要達(dá)到0.05%的準(zhǔn)確度是比較容易的。 高準(zhǔn)確度的數(shù)字顯示儀表的準(zhǔn)確度可達(dá)106數(shù)量級(jí)。 而模擬顯示儀表要達(dá)到0.1%的準(zhǔn)確度也是困難的。 (2) 分辨力高。 例如數(shù)字電壓表的分辨力一般為10 V或1 V， 有的可達(dá)0.1 V。 (3) 無(wú)主觀讀數(shù)誤差。 數(shù)字顯示儀表以數(shù)字形式顯示測(cè)量結(jié)果， 讀數(shù)清晰、 客觀。隨著發(fā)光二極管、 液晶和等離子體等新型顯示器件的應(yīng)用， 讀數(shù)視角更加寬廣， 色彩更加柔和， 大大減輕了觀察者的疲勞。 (4) 測(cè)量速度快。 數(shù)字顯示儀表的測(cè)量速度一般由A/D轉(zhuǎn)換器決定。 根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器

6、工作原理的不同， 數(shù)字顯示儀表的測(cè)量速度可以達(dá)到數(shù)次每秒至數(shù)十萬(wàn)次每秒。 因此， 數(shù)字顯示儀表可以對(duì)變化極快的被測(cè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。 這是模擬顯示儀表無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。 (5) 能夠以數(shù)字形式輸出結(jié)果。 該特點(diǎn)使得數(shù)字顯示儀表能夠方便地與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，為測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理提供了良好的條件。 同時(shí)， 用數(shù)字量來(lái)傳輸信息， 可以使傳輸距離不受限制。 (6) 線路簡(jiǎn)單， 可靠性好， 耐震性強(qiáng)。 數(shù)字顯示儀表普遍采用中、 大規(guī)模集成電路， 簡(jiǎn)化了測(cè)量線路， 提高了可靠性。 并且它沒(méi)有磁電偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、 伺服電動(dòng)機(jī)等機(jī)械部分， 也提高了可靠性和耐震性。 (7) 制造、 調(diào)試和維修簡(jiǎn)單。 數(shù)字顯示儀表采用模塊化設(shè)計(jì)方法，

7、 盡管品種繁多，但都是采用為數(shù)不多的、 功能分離的模塊化電路組合而成， 因此有利于制造、 調(diào)試和維修。 2.2 數(shù)字顯示儀表的構(gòu)成及主要技術(shù)指標(biāo) 數(shù)字顯示儀表盡管品種繁多， 結(jié)構(gòu)各不相同， 但基本組成相似。 在技術(shù)指標(biāo)上，數(shù)字顯示儀表除了有準(zhǔn)確度、 分辨力等模擬顯示儀表也有的技術(shù)指標(biāo)之外， 還有采樣速率、 顯示位數(shù)等特有的技術(shù)指標(biāo)。 2.2.1 數(shù)字顯示儀表的構(gòu)成 數(shù)字顯示儀表的基本構(gòu)成如圖2-1所示。 在工業(yè)過(guò)程參數(shù)的測(cè)量中， 被測(cè)信號(hào)通過(guò)各種傳感器或變送器轉(zhuǎn)換后， 幾乎都是隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號(hào)。 因此， 在數(shù)字顯示儀表中， 必須要有一個(gè)能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的環(huán)節(jié)， 該環(huán)節(jié)就稱為A

8、/D轉(zhuǎn)換器， 它是數(shù)字顯示儀表的核心。 以它為核心， 可以將數(shù)字顯示儀表分為模擬和數(shù)字兩大組成部分。 圖2-1 數(shù)字顯示儀表的基本構(gòu)成數(shù)字顯示儀表的模擬部分一般設(shè)有濾波器、 前置放大器和模擬切換開(kāi)關(guān)等環(huán)節(jié)。 來(lái)自于傳感器或變送器的電信號(hào)一般都比較微弱， 并且包含著在傳輸過(guò)程中受到的各種干擾成分。因此， 在將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之前， 首先要進(jìn)行濾波和放大。 如果要對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行顯示， 通常還需要模擬切換開(kāi)關(guān)。 數(shù)字顯示儀表的數(shù)字部分一般由計(jì)數(shù)器、 譯碼器、 時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、 顯示驅(qū)動(dòng)以及邏輯控制電路等組成。 被放大的模擬信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后， 經(jīng)譯碼和驅(qū)動(dòng)，送到顯示器件中進(jìn)行數(shù)

9、字顯示， 也可以送到打印和報(bào)警系統(tǒng)中去， 進(jìn)行打印和報(bào)警。 在需要的時(shí)候， 還可以將測(cè)量結(jié)果以數(shù)字形式輸出， 供計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理用。在數(shù)字顯示儀表中， 邏輯控制電路起著協(xié)調(diào)儀表各部分正常工作的作用， 它是不可缺少的環(huán)節(jié)之一。 隨著集成電路技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和不斷成熟， 以微處理器代替常規(guī)數(shù)字顯示儀表中的邏輯控制電路， 使得儀表的測(cè)量過(guò)程可以由軟件進(jìn)行程序控制。微處理器在數(shù)字顯示儀表中的應(yīng)用， 強(qiáng)有力地推動(dòng)了數(shù)字顯示儀表測(cè)量的自動(dòng)化和多功能化， 實(shí)現(xiàn)了測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和誤差校正， 從而提高了儀表的測(cè)量準(zhǔn)確度。 另外， 工作電源和高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)電源也是數(shù)字顯示儀表的重要組成部分。 除了

10、以上各環(huán)節(jié)外， 對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化用的數(shù)字顯示儀表來(lái)說(shuō)， 往往還需要加上標(biāo)度變換和線性化器這兩個(gè)環(huán)節(jié)。 標(biāo)度變換的作用是將儀表顯示的數(shù)字量與被測(cè)物理量統(tǒng)一起來(lái)； 線性化器的作用是消除或減小各部分的非線性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響， 使輸出的數(shù)字量與被測(cè)參數(shù)之間保持良好的線性關(guān)系。 這兩個(gè)環(huán)節(jié)的功能既可以在模擬部分實(shí)現(xiàn)， 也可以在數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)， 在微機(jī)化儀表中， 還可以利用軟件實(shí)現(xiàn)， 故在圖2-1中用虛線表示。 2.2.2 數(shù)字顯示儀表的主要技術(shù)指標(biāo) 在工業(yè)過(guò)程參數(shù)的測(cè)量中， 由于被測(cè)物理量種類的多樣性， 因此使得數(shù)字顯示儀表的品種相當(dāng)繁多。 不同品種的儀表， 技術(shù)指標(biāo)不完全相同， 在這里只介紹一些常見(jiàn)的、

11、主要的技術(shù)指標(biāo)。 (1) 準(zhǔn)確度。 準(zhǔn)確度是測(cè)量?jī)x表最重要的技術(shù)指標(biāo)之一， 它是用誤差來(lái)表示的。 目前國(guó)內(nèi)外數(shù)字顯示儀表準(zhǔn)確度的常見(jiàn)表示方法為=a%讀數(shù)值b%儀表量程(2-1)或=a%讀數(shù)值n個(gè)字(2-2)式中， 為數(shù)字顯示儀表測(cè)量值的絕對(duì)誤差； a為誤差的相對(duì)項(xiàng)系數(shù)； b為誤差的固定項(xiàng)系數(shù)； “n個(gè)字”為儀表末位數(shù)的單位值的n倍。 可見(jiàn)， 數(shù)字顯示儀表的誤差由兩部分組成： 一部分是與被測(cè)量大小有關(guān)的相對(duì)項(xiàng)，用相對(duì)項(xiàng)系數(shù)a表示， 它是由儀表中基準(zhǔn)電源、 前置放大器放大倍數(shù)的不穩(wěn)定性以及各種非線性因素等造成的； 另一部分是與被測(cè)量無(wú)關(guān)的固定項(xiàng)， 用固定項(xiàng)系數(shù)b(或n個(gè)字)表示， 它是由放大器的零

12、點(diǎn)漂移、 熱噪聲以及A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差等引起的。 (2) 分辨力和分辨率。 數(shù)字顯示儀表的分辨力是指其末位改變1個(gè)字時(shí)所代表的輸入量， 它表明儀表能夠顯示的被測(cè)參數(shù)的最小變化量。 分辨率則是指分辨力相對(duì)于儀表量程的百分?jǐn)?shù)， 也常用顯示位數(shù)來(lái)表示。 (3) 輸入阻抗。 輸入阻抗是指在工作狀態(tài)下， 呈現(xiàn)在數(shù)字顯示儀表兩輸入端間的等效阻抗。 為了減小數(shù)字顯示儀表對(duì)傳感器或變送器的負(fù)載效應(yīng)， 其輸入阻抗應(yīng)盡量大。 通常是在前置放大器中采用深度負(fù)反饋來(lái)提高輸入阻抗， 目前一般可以達(dá)到10 M以上。 (4) 干擾抑制系數(shù)。 由于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件相當(dāng)惡劣， 存在著各種各樣的干擾，這都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造

13、成影響。 因此， 數(shù)字顯示儀表如果想達(dá)到所期望的測(cè)量精度和分辨力， 就必須具備比模擬顯示儀表高得多的抗干擾能力， 這通常由干擾抑制系數(shù)來(lái)表征， 其值越大，儀表的抗干擾能力就越強(qiáng)。 根據(jù)干擾作用在儀表輸入端之形式的不同， 可以分為串模干擾和共模干擾， 故也有串模干擾抑制比(SMRR)和共模干擾抑制比(CMRR)之分。 數(shù)字顯示儀表的SMRR一般可以達(dá)到4060 dB， 而CMRR一般可以達(dá)到100120 dB。 (5) 顯示位數(shù)。 數(shù)字顯示儀表的顯示位數(shù)決定了其分辨率的高低， 顯示位數(shù)越多，分辨率就越高。 例如， 位數(shù)字顯示儀表的最大讀數(shù)為1999， 其分辨率為0.05%， 而位數(shù)字顯示儀表的分

14、辨率為0.005%。 (6) 采樣速率。 采樣速率是指在單位時(shí)間內(nèi)， 以規(guī)定的準(zhǔn)確度， 最多能夠完成的測(cè)量次數(shù)。 采樣速率主要由A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度決定， 而A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度與其轉(zhuǎn)換原理有關(guān)。 對(duì)于緩慢變化的信號(hào)來(lái)說(shuō)， 允許采樣速率較低， 但是， 如果測(cè)量點(diǎn)數(shù)增多或信號(hào)變化速度較快， 則必須相應(yīng)地提高采樣速率。 除了上述技術(shù)指標(biāo)外， 還有供電電源、 功耗、 超載能力與性能價(jià)格比等技術(shù)指標(biāo)。2.3 信號(hào)的采樣與量化過(guò)程 數(shù)字顯示儀表顯示或輸出的是數(shù)字信號(hào)， 這是一種在時(shí)間和幅度上都離散化的信號(hào)。當(dāng)數(shù)字顯示儀表的輸入信號(hào)為連續(xù)的時(shí)間函數(shù)即模擬信號(hào)時(shí)， 必須由A/D轉(zhuǎn)換器通過(guò)采樣與量化這兩個(gè)

15、基本過(guò)程將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 2.3.1 信號(hào)的采樣與采樣定理 所謂采樣， 就是把連續(xù)的時(shí)間函數(shù)x(t)， 用它在一系列時(shí)刻點(diǎn)上的函數(shù)值來(lái)表示，即對(duì)x(t)在時(shí)間軸上進(jìn)行離散化。 對(duì)模擬信號(hào)的采樣是通過(guò)采樣器實(shí)現(xiàn)的。 采樣過(guò)程如圖2-2所示。 圖2-2(a)所示為采樣器， 其輸入為圖2-2(b)所示的連續(xù)時(shí)間函數(shù)x(t)； 控制信號(hào)為圖2-2(c)所示的周期為T、 采樣角頻率為s2/T、 采樣時(shí)間為的矩形脈沖信號(hào)T(t)。 可以將采樣器看做一個(gè)開(kāi)關(guān)， 當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)開(kāi)關(guān)閉合， 采樣器的輸出y(t)x(t)； 當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)， y(t)0。 因此， y(t)的波形如圖2-2(

16、d)所示。圖2-2 采樣過(guò)程(a) 采樣器； (b) 輸入信號(hào)； (c) 控制信號(hào)； (d) 輸出信號(hào)； (e) 理想輸出信號(hào)理想情況下0， 從而可以認(rèn)為采樣器的輸出信號(hào)是一個(gè)非常窄的脈沖序列， 其包絡(luò)線與輸入信號(hào)相吻合， 如圖2-2(e)所示。 亦即可以將控制信號(hào)T(t)看做周期為T的單位脈沖序列， 即(2-3)而將輸出信號(hào)看做是輸入信號(hào)與控制信號(hào)的乘積， 即(2-4)將y(t)與x(t)進(jìn)行比較可以看出， 當(dāng)x(t)隨時(shí)間變化很快， 而采樣周期T較長(zhǎng)時(shí)， 在采樣過(guò)程中某些信息就有可能丟失。 為了不丟失信息， 采樣周期必須足夠短， 或者說(shuō)采樣頻率必須足夠高。 下面推導(dǎo)采樣頻率應(yīng)該滿足什么樣的

17、條件， 才不至于丟失信息。 由于控制信號(hào)T(t)為周期函數(shù)， 故可以將其展開(kāi)成傅氏(傅里葉)級(jí)數(shù)的形式， 即(2-5)式中, Cm為傅氏系數(shù)， 其表達(dá)式為(2-6)把式(2-3)代入式(2-6)， 并考慮到脈沖函數(shù)的性質(zhì)， 得(2-)所以， 由式(2-4)得(2-8)假設(shè)x(t)的傅氏變換為X(j)， 則可以根據(jù)傅氏變換的頻域平移定理， 得y(t)的傅氏變換為(2-9)式(2-9)表明， 若x(t)的頻譜為圖2-3(a)所示的有限帶寬(最高角頻率為c)的連續(xù)譜信號(hào)， 則y(t)的頻譜是x(t)的頻譜在ms(m0， 1， 2， )處的無(wú)限次重復(fù)，只不過(guò)每次重復(fù)時(shí)幅度皆為原來(lái)的1/T。 當(dāng)s2c時(shí)

18、， 如圖2-3(b)和圖2-3(c)所示， 各重復(fù)譜之間不產(chǎn)生重疊， 利用截止角頻率為c的理想低通濾波器對(duì)采樣器的輸出進(jìn)行濾波， 可以得到原始信號(hào)的頻譜， 也就能恢復(fù)原始信號(hào)。 當(dāng)s2c時(shí)， 如圖2-3(d)所示， 各重復(fù)譜之間產(chǎn)生重疊， 無(wú)法得到原始信號(hào)的頻譜， 也就無(wú)法恢復(fù)原始信號(hào)。圖2-3 采樣器輸入信號(hào)x(t)和輸出信號(hào)y(t)的頻譜(a) x(t)的頻譜； (b) s2c時(shí)y(t)的頻譜； (c) s=2c時(shí)y(t)的頻譜； (d) s1)， 實(shí)際上它也就是儀表的分辨力， 即能夠測(cè)出的被測(cè)量Xm的最小增量。 此時(shí)量化誤差落在Xm/(2Nm)， Xm/(2Nm)的范圍之內(nèi)， 極限值為X

19、m/(2Nm)。 量化誤差是數(shù)字顯示儀表的誤差中的固定項(xiàng)(b項(xiàng))的一部分，與被測(cè)量的大小無(wú)關(guān)。在設(shè)計(jì)數(shù)字顯示儀表時(shí)，一般取(2-14)較為適宜。 例如， 設(shè)計(jì)數(shù)字顯示儀表時(shí), 若期望b0.01， 則應(yīng)該滿足(2-15)由此得Nm應(yīng)該滿足(2-16)即必須取10 000個(gè)以上的數(shù)碼作為儀表滿量程讀數(shù)才是合理的。 為此， 其A/D轉(zhuǎn)換器至少應(yīng)該為14位二進(jìn)制A/D轉(zhuǎn)換器。 2.4 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器以其轉(zhuǎn)換精度高、 靈敏度高、 干擾抑制能力強(qiáng)、 造價(jià)低等突出優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各類數(shù)字顯示儀表和低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。 它的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較低， 通常低于30次/s。 這類A/D轉(zhuǎn)

20、換器的輸出數(shù)據(jù)常以BCD碼或數(shù)碼管七段碼格式給出， 以便與數(shù)字顯示器件接口。 2.4.1 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換電路首先要能夠?qū)⒛M輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。 其次， 為了滿足對(duì)雙極性輸入電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的需要， 還必須能夠進(jìn)行自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換。 1. A/D轉(zhuǎn)換原理 典型的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換電路的基本組成如圖2-5所示。 它的每一次轉(zhuǎn)換通?？梢苑譃檎蚍e分、 反向積分和清零準(zhǔn)備三個(gè)工作階段。 圖2-5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換電路的基本組成1) 正向積分階段 通常， 在進(jìn)入此階段之前， 積分電容上的電荷已經(jīng)被清零， 計(jì)數(shù)器也已經(jīng)被清零。假設(shè)正向積分階段從t0時(shí)刻開(kāi)始， 則

21、在此時(shí)刻邏輯控制電路讓模擬開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通， S2、 S3和S4斷開(kāi)， 同時(shí)打開(kāi)控制門， 讓時(shí)鐘脈沖通過(guò)， 從而使計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)， 一直到計(jì)數(shù)器累計(jì)的脈沖數(shù)達(dá)到N1為止。 假設(shè)時(shí)鐘脈沖的周期為Tcp， 則正向積分階段所經(jīng)歷的時(shí)間為T1N1Tcp。 在此期間， 輸入電壓Ui經(jīng)緩沖放大器后加在積分電阻R上， 如果運(yùn)放的特性理性， 則流過(guò)R的電流為IUi/R， 并且此電流全部流進(jìn)積分電容C。 如果在此期間Ui不變， 則C上的電壓從零開(kāi)始線性變化，從而使積分器的輸出電壓也從零開(kāi)始線性變化。 若Ui0， 則積分器的輸出電壓從零開(kāi)始線性減??； 若Ui0， 則從零開(kāi)始線性增加， 如圖2-6所示。 而且

22、， Ui不同時(shí)， 積分器輸出電壓的變化速率也不同， 如圖2-6中的直線和直線所示。圖2-6 積分器的輸出電壓波形(a) Ui0時(shí)的輸出電壓波形； (b) Ui0時(shí)的波形如圖2-8(b)所示。 圖2-8 利用更換積分器輸入電路的自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換電路及其積分器輸出電壓的波形(a) 自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換電路； (b) Ui0時(shí)的波形； (c) Ui0時(shí)的波形(2) 當(dāng)輸入電壓Ui0時(shí)。 正向積分階段， 讓S3和S5導(dǎo)通， S1、 S2和S4斷開(kāi)， Ui輸入到電壓跟隨器同相輸入端。 與上面相同的是， UC與積分器的輸出電壓都是逐漸增加的； 與上面不同的是， 積分器的輸出電壓沒(méi)有了跳變。 反向積分階段， 讓S1和S

23、5導(dǎo)通， S2、 S3和S4斷開(kāi)， UC與積分器的輸出電壓都是線性減小的， 積分器的輸出電壓同樣沒(méi)有了跳變。 Ui0時(shí)的波形如圖2-8(c)所示。 2.4.2 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的特性與參數(shù)選擇 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要特性是， 其組成電路中需要的精密元件數(shù)量很少。 在推導(dǎo)式(2-20)的過(guò)程中可知， 無(wú)論是積分電阻R， 還是積分電容C， 抑或是時(shí)鐘周期Tcp，都被約掉了， 最終結(jié)果與它們無(wú)關(guān)。 這就是說(shuō)， 只要在一次轉(zhuǎn)換的正向積分階段和反向積分階段這么短的時(shí)間內(nèi)， 它們沒(méi)有變化， 就不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。雖然雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間比較長(zhǎng)， 但是， 即使轉(zhuǎn)換時(shí)間達(dá)到1 s或更長(zhǎng)一些

24、， 要做到這一點(diǎn)都不困難。 即便采用最普通的金屬膜電阻和滌綸電容等元件， 都可以實(shí)現(xiàn)0.01%0.1%的轉(zhuǎn)換精度。 至于電路中運(yùn)放和電壓比較器的失調(diào)與漂移的影響， 通?？梢圆捎秒娙萜饔洃泟?dòng)態(tài)校零電壓或者寄存器記憶動(dòng)態(tài)校零數(shù)值的補(bǔ)充辦法， 將它們抑制到很低的程度。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)重要特性是， 它具有很強(qiáng)的抑制對(duì)稱交流干擾和尖峰脈沖干擾的能力。 根據(jù)式(2-20)可知， 即使在正向積分階段存在著瞬時(shí)峰值很大的尖峰脈沖干擾， 只要其平均值很小， 對(duì)輸出的影響也是很小的。 至于對(duì)稱交流干擾， 只要正向積分時(shí)間T1是干擾信號(hào)周期的整數(shù)倍， 它對(duì)輸出就沒(méi)有影響， 詳細(xì)分析參見(jiàn)2.9.2中的內(nèi)

25、容。 由于最嚴(yán)重的對(duì)稱交流干擾通常是工頻干擾， 而我國(guó)工頻電的頻率為50 Hz， 周期為20 ms， 因此， 取T120 ms， 40 ms， 60 ms， 為宜。 對(duì)于集成化的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)， 積分電阻R與積分電容C往往都是外接元件，其數(shù)值需要根據(jù)具體工作條件計(jì)算確定。 導(dǎo)出計(jì)算公式的原則是充分利用積分器的線性范圍，即在輸入信號(hào)的絕對(duì)值取最大值Umax時(shí)， 使積分器的輸出達(dá)到運(yùn)放可以利用的線性區(qū)的上限值Um。 例如， 對(duì)于具有如圖2-6所示特性的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器， 應(yīng)滿足下面關(guān)系：(2-21)而對(duì)于具有如圖2-8(b)和圖2-8(c)所示特性的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器， 應(yīng)滿足下面

26、關(guān)系： (2-22)2.4.3 集成化雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器 目前， 已經(jīng)有許多型號(hào)的單片集成化位的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器投入大批量生產(chǎn)， 可供組成各類數(shù)字顯示儀表及低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 它們具有性價(jià)比高、 外接元件數(shù)量少、 使用方便等特點(diǎn)。 下面首先介紹一些型號(hào)的常用集成化雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器， 然后以ICL7135為例， 較深入地探討一下其內(nèi)部電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和自動(dòng)校零技術(shù)。 1. 常用集成化雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器 單片集成化雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的型號(hào)很多， 常用的有如下一些： (1) ICL7106/7107/7126。 這是一族位單片CMOS集成化雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。 其輸出方式為靜態(tài)數(shù)碼管七

27、段碼， 可以直接驅(qū)動(dòng)LCD或LED數(shù)碼管顯示器， 很適合于組成各類板式和袖珍式數(shù)字顯示儀表。 能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換極性， 只要求單基準(zhǔn)電壓源。 滿量程輸入電壓為2000200 mV。 芯片內(nèi)采取了模擬自動(dòng)校零措施， 可以保證長(zhǎng)期零點(diǎn)穩(wěn)定。 同類產(chǎn)品還有TSC7106/7107/7126、 CH7106、 DG7126等。(2) MC14433。 這也是一種位單片CMOS集成化雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。 其輸出方式為BCD碼動(dòng)態(tài)掃描輸出， 既可以用于組成數(shù)字顯示儀表， 也可以很方便地與微機(jī)系統(tǒng)接口。 芯片內(nèi)采取了模擬與數(shù)字自動(dòng)校零措施， 可以保證長(zhǎng)期零點(diǎn)穩(wěn)定。 同樣能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換極性，只要求單基準(zhǔn)電壓源。 滿

28、量程輸入電壓可以設(shè)計(jì)為2000200 mV， 也可以設(shè)計(jì)為202 V。 同類產(chǎn)品還有5G14433等。 (3) ICL7109。 其基本電路與性能類似于ICL7106系列。 它的輸出數(shù)據(jù)改為12位二進(jìn)制碼加符號(hào)位和過(guò)量程標(biāo)志位， 且具有三態(tài)輸出特性， 可以很方便地與微機(jī)系統(tǒng)接口。 內(nèi)部設(shè)有基準(zhǔn)電壓源， 提供穩(wěn)定的2.8 V電壓(可以通過(guò)外接電位器調(diào)整到要求值)。 最高轉(zhuǎn)換速率為30次/s。 (4) ICL7135。 它是一種位BCD碼動(dòng)態(tài)掃描輸出的單片集成化雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。滿量程輸入電壓為202 V， 自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換， 單基準(zhǔn)電壓源， 自動(dòng)校零。 同類產(chǎn)品還有5G7135等。 (5) AD

29、7550/7552/7555。 這一系列的A/D轉(zhuǎn)換器以四斜積分(雙積分的改進(jìn))工作原理為基礎(chǔ)。 其中AD7550以13位二進(jìn)制補(bǔ)碼方式輸出， AD7552以12位二進(jìn)制碼加符號(hào)位方式輸出， 這兩種型號(hào)適合于與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口。 2. ICL7135內(nèi)部電路組成結(jié)構(gòu)及自動(dòng)校零技術(shù) ICL7135單片集成化雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是在單極性基準(zhǔn)電壓供給之下， 對(duì)雙極性輸入模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的， 并可以輸出極性判別信號(hào)。 它采用了自動(dòng)校零技術(shù)， 所以零點(diǎn)溫漂小于2 V/。 模擬輸入可以是差動(dòng)信號(hào)， 輸入電阻極高， 輸入端漏電流小于10 pA。 這些都是因?yàn)樗陔娐吩O(shè)計(jì)上采取了許多與以往相比更為先進(jìn)的

30、技術(shù)措施。1) ICL7135模擬部分電路結(jié)構(gòu)及自動(dòng)校零技術(shù) ICL7135模擬部分的電路結(jié)構(gòu)如圖2-9所示， 其中， 基準(zhǔn)電容CR、 積分電阻R、 積分電容C和自動(dòng)校零電容CAZ都是外接元件， 單極性的基準(zhǔn)電壓UR需外加。在邏輯控制電路的控制下， 由12個(gè)模擬開(kāi)關(guān)(4個(gè)SAZ、 2個(gè)SINT、 2個(gè)SDE+、 2個(gè)SDE、 1個(gè)S和1個(gè)SZI)的導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)的組合， 把一次A/D轉(zhuǎn)換細(xì)分為四個(gè)階段： 自動(dòng)校零階段(AZ)、 正向積分階段(INT)、反向積分階段(DE)和積分器回零階段(ZI)。圖2-9 ICL7135模擬部分電路結(jié)構(gòu)(1) 自動(dòng)校零階段。 在此階段， SAZ和S導(dǎo)通， 其余

31、模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)， 模擬部分的等效電路如圖2-10所示。 圖2-10中， U1、 U2和U3分別為此階段內(nèi)三個(gè)運(yùn)放A1、 A2和A3之失調(diào)與漂移的綜合誤差電壓。 CAZ和C上存儲(chǔ)了這些誤差電壓的補(bǔ)償電壓， 為UC2=U2U1(2-23)UC3=UC2U3(2-24)這兩個(gè)電壓將在后面的工作階段中起到抵消運(yùn)放失調(diào)與漂移之影響的作用。 自動(dòng)校零的實(shí)質(zhì)就是這種補(bǔ)償作用。 圖2-10 自動(dòng)校零階段等效電路自動(dòng)校零階段的另一項(xiàng)任務(wù)是在CR上存儲(chǔ)基準(zhǔn)電壓， 即UC1UR， 以備后面的反向積分階段使用。 外部提供的基準(zhǔn)電壓雖然是單極性的， 但是存儲(chǔ)到CR上之后， 靠著圖2-9 中的橋形接法換向模擬開(kāi)關(guān)的控制，

32、可以得到兩種極性的基準(zhǔn)電壓。 在反向積分階段， 要求CR上存儲(chǔ)的電壓盡量不變， 這也就要求CR應(yīng)當(dāng)選用高質(zhì)量的電容器， 同時(shí)也要求內(nèi)部的緩沖器有極高的輸入阻抗， 以便使因漏電而造成的CR上電壓的衰減盡可能小。(2) 正向積分階段。 在此階段， SINT導(dǎo)通， 其余模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)， 模擬部分的等效電路如圖2-11所示， 其中， U 1、 U2和U3 分別為此階段內(nèi)三個(gè)運(yùn)放之失調(diào)與漂移的綜合誤差電壓。 考慮到C上電壓將從初始值UC3(即自動(dòng)校零階段存儲(chǔ)的補(bǔ)償電壓)開(kāi)始變化， 所以圖2-11中用一個(gè)值為UC3的電壓源與一個(gè)初始電荷為零的電容相串聯(lián)的形式表示， 這樣， UC的初始值為零。 該電路的特點(diǎn)是

33、接受浮空的差動(dòng)輸入模擬電壓， 并具有極高的共模抑制能力。 若輸入模擬電壓的Ui端電位允許任意， 也可以將Ui端接模擬地AGND。 圖2-11 正向積分階段等效電路根據(jù)圖2-11和式(2-23)可得此階段加在積分電阻上的電壓為(2-25)根據(jù)圖2-11和式(2-24)可得， 到此階段結(jié)束時(shí)刻加在比較器兩輸入端的電壓為(2-26)顯然， 若滿足U1U1、 U2U2和U3U3， 則積分電流及比較器的工作不受運(yùn)放失調(diào)與漂移的影響。 事實(shí)上， 由于轉(zhuǎn)換周期一般不會(huì)超過(guò)秒的量級(jí)， 因此很容易滿足這些條件。 在上面推導(dǎo)中還使用了一個(gè)隱含條件， 即自動(dòng)校零階段存儲(chǔ)到CAZ和C上的誤差補(bǔ)償電壓不隨時(shí)間改變。 這

34、也就要求運(yùn)放和比較器的輸入阻抗很高， 同時(shí)這兩個(gè)電容的漏電很小。 對(duì)于CMOS集成電路來(lái)說(shuō)， 前者很容易滿足。 為了滿足后者， 應(yīng)選用高質(zhì)量的電容器。 (3) 反向積分階段。 在此階段， S和SDE+或S和SDE導(dǎo)通， 其余模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)， 模擬部分的等效電路如圖2-12所示。 同樣考慮到C上電壓的變化， 圖2-12中用一個(gè)值為UC3的電壓源與一個(gè)電容相串聯(lián)的形式表示。 但是， 與正向積分階段不同的是， 此時(shí)UC的初始值不為0， 而是正向積分階段結(jié)束時(shí)刻C上因正常充電而積累的電壓(即不包括補(bǔ)償電壓UC3)。 類似于推導(dǎo)式(2-25)和式(2-26)， 也可以證明此階段積分電流及比較器的工作不受運(yùn)

35、放失調(diào)與漂移的影響， 只要后者隨時(shí)間不是變化很快。 圖2-12 反向積分階段等效電路(a) S和SDE導(dǎo)通; (b) S和SDE+導(dǎo)通(4) 積分器回零階段。 在此階段， S和SZI導(dǎo)通， 其余模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)， 模擬部分的等效電路如圖2-13所示。 A1、 A2和A3形成了一個(gè)大閉環(huán)深度負(fù)反饋回路， 以便使積分電容迅速放電清零。 正常工作時(shí)可以不設(shè)置此階段， 因?yàn)榉聪蚍e分階段結(jié)束時(shí)， 積分電容已經(jīng)被清零。 但是， 當(dāng)輸入信號(hào)超量程時(shí)， 邏輯控制電路會(huì)迫使反向積分階段在計(jì)數(shù)器的輸出為20 001時(shí)立刻結(jié)束， 而此時(shí)積分電容還未被完全清零。 所以設(shè)置了此階段， 以確保積分電容被完全清零。 圖2-13

36、 積分器回零階段等效電路2) ICL7135數(shù)字部分電路結(jié)構(gòu) ICL7135數(shù)字部分的電路結(jié)構(gòu)如圖2-14所示。 就其功能來(lái)說(shuō)， 與前面討論的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換邏輯控制系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)， 并沒(méi)有多大區(qū)別。 其中主要的功能包括： 判別反向積分階段比較器跳變的過(guò)零檢測(cè)， 自動(dòng)極性判別， 各模擬開(kāi)關(guān)的定時(shí)邏輯控制， 鎖存信號(hào)等。 為了減少引出線的數(shù)量， ICL7135采用動(dòng)態(tài)掃描BCD碼輸出的方式， 即萬(wàn)、 千、 百、 十、 個(gè)位的BCD碼輪流出現(xiàn)在B8、 B4、 B2和B1端， 并在D5D1端上輪流出現(xiàn)字位選通脈沖。這就要求電路中增設(shè)一組數(shù)字多路選通開(kāi)關(guān)， 讓各對(duì)應(yīng)字位鎖存器的輸出數(shù)據(jù)分時(shí)選通到B8、

37、B4、 B2和B1端，并將五路分配器的輸出作為字位同步信號(hào)D5D1。 另外， 電路還設(shè)置了一些輔助功能邏輯電路， 如過(guò)量程與欠量程判別電路、 串行字位同步脈沖形成電路、 啟/?？刂齐娐返龋?使A/D轉(zhuǎn)換器能夠滿足更實(shí)用的要求， 以便簡(jiǎn)化外部電路設(shè)計(jì)。圖2-14 ICL7135數(shù)字部分電路結(jié)構(gòu)3. ICL7135的引腳功能 ICL7135單片集成化雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器采用28腳雙列直插式封裝， 其引腳排列如圖2-15所示。 在此僅對(duì)其部分引腳的功能作簡(jiǎn)要介紹。 圖2-15 ICL7135的引腳排列ICL7135采用5 V和5 V雙電源， 極限值為6 V和6 V， 分別接U+端和U端。 電源的公共

38、端接至數(shù)字地DGND。 讓所有模擬信號(hào)地與模擬地AGND連接， 最后用一根導(dǎo)線與DGND連接。 基準(zhǔn)電壓一般為1 V， 正端接UR， 負(fù)端接AGND。 基準(zhǔn)電容CR一般為1 F。 差動(dòng)輸入模擬信號(hào)Ui+和Ui分別接INLO和INHI。 積分電容、 積分電阻和自動(dòng)校零電容的接法參考圖2-9。 系統(tǒng)所需要的時(shí)鐘信號(hào)從CLK端接入。 若正向積分時(shí)間T1選為80 ms，由于ICL7135的N110 000，則可得時(shí)鐘頻率為(2-27)而不是產(chǎn)品手冊(cè)上的120 kHz， 因?yàn)槲覈?guó)工頻電的頻率為50 Hz。 ICL7135還設(shè)置了過(guò)量程信號(hào)輸出端OR和欠量程信號(hào)輸出端UR， 可以用來(lái)方便地組成自動(dòng)量程控制

39、電路， 使數(shù)字顯示儀表的自動(dòng)化程度更高。 2.5 工業(yè)參數(shù)的線性化顯示 在工業(yè)參數(shù)的測(cè)量過(guò)程中， 通常都需要將測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)。 一般來(lái)說(shuō)， 希望顯示儀表的輸出結(jié)果與被測(cè)參數(shù)之間呈線性關(guān)系， 即儀表的刻度盤是均勻的， 這樣不僅有利于減小讀數(shù)誤差(估讀誤差)， 也有利于處理和分析測(cè)量結(jié)果。 因?yàn)椋?在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)靈敏度為常數(shù)會(huì)對(duì)儀表的制造、 調(diào)校及使用帶來(lái)極大的便利。然而， 在利用傳感器將各種物理量變換成電量的過(guò)程中， 許多傳感器的輸出與被測(cè)物理量之間都存在著不同程度的非線性關(guān)系。 例如測(cè)量溫度用的鉑電阻， 其阻值RT與被測(cè)溫度T之間的關(guān)系在050范圍內(nèi)為 RT=R0(1+AT+BT2) (2

40、-28)而在2000范圍內(nèi)為 RT=R01+AT+BT2+C(T100)T3 (2-29)式中, R0、 RT分別為0時(shí)和T時(shí)鉑電阻的阻值； A、 B、 C為溫度系數(shù)。 顯然， 鉑電阻的阻值與被測(cè)溫度之間的關(guān)系是非線性的。 其它諸如熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與被測(cè)溫度之間的關(guān)系， 差壓變送器的輸出差壓p與被測(cè)流量Q之間的關(guān)系等， 都不是線性關(guān)系。 對(duì)于這些非線性問(wèn)題， 在模擬顯示儀表的設(shè)計(jì)中也同樣存在。 但是， 在模擬顯示儀表中， 可以通過(guò)儀表標(biāo)尺的非線性刻度來(lái)解決， 以便直接讀出被測(cè)參數(shù)的數(shù)值。 而在數(shù)字顯示儀表中， 常用的二進(jìn)制或二十進(jìn)制數(shù)碼本身是線性變化的。 這樣， 如何處理信號(hào)轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的非線

41、性問(wèn)題就突出表現(xiàn)出來(lái)了， 若不能很好地解決， 數(shù)字顯示儀表的準(zhǔn)確度將無(wú)法得到保證。 因此， 所謂數(shù)字顯示儀表的線性化, 就是指在把非線性輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性化的數(shù)字顯示過(guò)程中所采取的各種補(bǔ)償措施。 這些補(bǔ)償措施既可能是硬件的， 也可能是軟件的， 統(tǒng)稱為線性化器。 若想利用線性化器對(duì)數(shù)字顯示儀表進(jìn)行非線性補(bǔ)償， 則需要解決下面兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題： (1) 如何根據(jù)已知的傳感器非線性特性， 求取實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償所需要的線性化器的非線性特性。 求取線性化器的非線性特性時(shí)， 主要有解析法和圖解法等方法。 (2) 如何根據(jù)所求得的線性化器的非線性特性， 設(shè)計(jì)非線性補(bǔ)償電路或軟件， 實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器非線性特性的補(bǔ)償。

42、對(duì)非線性曲線的處理一般采用折線逼近法。 2.5.1 線性化器的求取方法 根據(jù)線性化器與其它環(huán)節(jié)的關(guān)系， 可以分為三種補(bǔ)償方式， 即開(kāi)環(huán)補(bǔ)償方式、 反饋補(bǔ)償方式和增益控制補(bǔ)償方式。 求取線性化器的非線性特性時(shí)， 首先需要搞清楚線性化器與其它環(huán)節(jié)的關(guān)系， 然后按照下面所述， 利用解析法或圖解法， 得到所需的線性化器特性。 1. 開(kāi)環(huán)補(bǔ)償方式 開(kāi)環(huán)補(bǔ)償方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 調(diào)整容易的特點(diǎn)， 但是補(bǔ)償效果較差。 采用開(kāi)環(huán)補(bǔ)償方式的數(shù)字顯示儀表結(jié)構(gòu)框圖如圖2-16所示， 其中的數(shù)字電路可能包含微處理器， 也可能不包含。 圖2-16中， 線性化器的位置放在了A/D轉(zhuǎn)換之前， 事實(shí)上也可以利用非線性A/D轉(zhuǎn)換

43、實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償， 即A/D轉(zhuǎn)換既是A/D轉(zhuǎn)換器， 又是線性化器。 線性化器還可以放在數(shù)字電路部分， 這到后面再詳細(xì)討論。 圖2-16 采用開(kāi)環(huán)補(bǔ)償方式的數(shù)字顯示儀表結(jié)構(gòu)框圖針對(duì)圖2-16所示的情況， 假設(shè)A/D轉(zhuǎn)換及以后各環(huán)節(jié)的特性都是線性的， 求線性化器的特性時(shí)可以不考慮它們的影響。 再假設(shè)放大器的特性是線性的， 這是因?yàn)椋?只要對(duì)其放大倍數(shù)的要求不是很大， 用普通的運(yùn)放， 加上負(fù)反饋環(huán)節(jié)， 就很容易實(shí)現(xiàn)所要求的放大倍數(shù)和線性。 盡管放大器將u1放大為u2是線性變換， 但u2與x之間的關(guān)系是非線性的， 這是因?yàn)閭鞲衅鲗⒈粶y(cè)量x變換成電量u1是非線性變換。 現(xiàn)在的任務(wù)是求取線性化器應(yīng)該具備什么

44、樣的特性， 才能夠使線性化器的輸出uo與x之間為線性關(guān)系。1) 解析法 假設(shè)圖2-16中傳感器與放大器的特性及所要求的uo與x關(guān)系的解析表達(dá)式分別為u1=f1(x)(2-30)u2=a+Ku1(2-31)uo=b+Sx(2-32)式中, K、 S、 a、 b均為已知常數(shù)； f1函數(shù)的形式為已知。將式(2-30)式(2-32)聯(lián)立求解， 消去中間變量x和u1， 可得線性化器特性的解析表達(dá)式為(2-33)2) 圖解法 對(duì)于結(jié)構(gòu)如圖2-16所示的數(shù)字顯示儀表， 圖解法求解線性化器特性的方法如圖2-17 所示， 求解步驟如下： (1) 假設(shè)傳感器的非線性特性曲線u1f1(x)過(guò)原點(diǎn)， 將其畫在直角坐標(biāo)

45、系的第象限， x為橫坐標(biāo)， u1為縱坐標(biāo)。 (2) 假設(shè)式(2-31)中a0， 將放大器的特性曲線u2Ku1畫在第象限， u1為縱坐標(biāo)， u2為橫坐標(biāo)。 (3) 假設(shè)式(2-32)中b0， 將所要求的uo與x之關(guān)系的特性曲線uoSx畫在第象限， x為橫坐標(biāo)， uo為縱坐標(biāo)。 (4) 用點(diǎn)1， 2， ， n將x軸分為n段， 段數(shù)由精度要求決定， 每段長(zhǎng)度不必相等， 在曲線u1f1(x)變化緩慢處可以較長(zhǎng)， 反之應(yīng)該較短。 過(guò)點(diǎn)1作垂線， 與曲線u1f1(x)相交于點(diǎn)1(1)， 與直線uoSx相交于點(diǎn)1(4)。 過(guò)點(diǎn)1(1)作水平線， 與直線u2Ku1相交于點(diǎn)1(2)。過(guò)點(diǎn)1(2)作垂線， 過(guò)點(diǎn)1

46、(4)作水平線， 這兩條線在第象限相交于點(diǎn)1(3)， 則點(diǎn)1(3)就是所求線性化器特性曲線上的一點(diǎn)。 同理， 按照上述步驟可以求得線性化器特性曲線上的點(diǎn)2(3)， 3(3)， ， n(3)。 用光滑曲線將原點(diǎn)以及點(diǎn)1(3)， 2(3)， ， n(3)連接， 即得線性化器的特性曲線uof2(u2)。 圖2-17 開(kāi)環(huán)補(bǔ)償方式線性化器非線性特性的求取方法3) 標(biāo)定法 對(duì)于采用開(kāi)環(huán)補(bǔ)償方式的數(shù)字顯示儀表， 求取線性化器的特性時(shí)， 除了可以使用上面所述的兩種方法之外， 還可以使用標(biāo)定法。 這種方法將線性化器之前的各部分(統(tǒng)稱為被補(bǔ)償環(huán)節(jié))看做一個(gè)黑匣子， 不考慮各部分之間的組成關(guān)系， 也不考慮各部分的

47、具體特性， 而是通過(guò)將一系列已知被測(cè)量作為被補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸入， 記錄被補(bǔ)償環(huán)節(jié)的對(duì)應(yīng)輸出， 從而得到表征被補(bǔ)償環(huán)節(jié)輸出輸入關(guān)系的表格或曲線。 將輸入與輸出對(duì)換， 即為線性化器的特性。與解析法和圖解法相比， 該方法可以獲得較高的精度。 2. 反饋補(bǔ)償方式 反饋補(bǔ)償方式的特點(diǎn)是， 電路工作在閉環(huán)負(fù)反饋狀態(tài)， 穩(wěn)定性比較好， 但是調(diào)整比較復(fù)雜。 采用反饋補(bǔ)償方式的數(shù)字顯示儀表結(jié)構(gòu)框圖如圖2-18所示， 其中的非線性反饋環(huán)節(jié)即為線性化器。 對(duì)于采用反饋補(bǔ)償方式的數(shù)字顯示儀表， 線性化器的輸入信號(hào)一般為來(lái)自于放大器輸出端的模擬信號(hào)， 這樣實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易。 線性化器的輸入信號(hào)也可以為來(lái)自于A/D轉(zhuǎn)換之后的

48、數(shù)字信號(hào)， 但需要用D/A轉(zhuǎn)換器再轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)， 所以實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。圖2-18 采用反饋補(bǔ)償方式的數(shù)字顯示儀表結(jié)構(gòu)框圖但是，由于這時(shí)候的反饋環(huán)更大， 因此補(bǔ)償效果更好， 不僅可以補(bǔ)償傳感器的非線性， 還可以補(bǔ)償反饋環(huán)內(nèi)各環(huán)節(jié)的非線性。 目前又興起了一種稱為“反饋測(cè)量技術(shù)”的新的測(cè)量方法， 它利用能夠?qū)⑤斎腚娏哭D(zhuǎn)換為非電量輸出的“逆?zhèn)鞲衅鳌保?將通常意義上的傳感器也包含到反饋環(huán)里面。 這種方法在一些領(lǐng)域獲得了很好的效果， 可以參考有關(guān)文獻(xiàn)。 針對(duì)圖2-18所示的情況， 同樣假設(shè)A/D轉(zhuǎn)換及以后各環(huán)節(jié)的特性都是線性的。 由于放大器處在反饋環(huán)里面， 只要其開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A0足夠大， 其線性的好壞

49、對(duì)儀表整體特性的影響就很小， 但是為了分析方便， 這里認(rèn)為其特性也是線性的， 并且A0， 能夠保證正常工作時(shí)uu1。 況且， 現(xiàn)代集成電路制造技術(shù)也很容易滿足A0的要求。 現(xiàn)在的任務(wù)是求取非線性反饋環(huán)節(jié)應(yīng)該具備什么樣的特性， 才能夠補(bǔ)償傳感器的輸出u1與被測(cè)量x之間的非線性關(guān)系， 使放大器的輸出uo與x之間為線性關(guān)系。1) 解析法 假設(shè)圖2-18中傳感器與放大器的特性及所要求的uo與x關(guān)系的解析表達(dá)式分別為u1=f1(x)(2-34)uo=A0u (2-35)uo=Sx (2-36)式中, A0、S均為已知常數(shù)； f1函數(shù)的形式為已知。 另外， 根據(jù)圖2-18可以列寫補(bǔ)充方程如下： u=u1u

50、f(2-37) 將式(2-34)式(2-37)聯(lián)立求解， 消去中間變量x、 u1和u， 可得非線性反饋環(huán)節(jié)特性的解析表達(dá)式為(2-38)2) 圖解法 對(duì)于結(jié)構(gòu)如圖2-18所示的數(shù)字顯示儀表， 圖解法求解線性化器特性的方法如圖2-19所示， 求解步驟如下： (1) 假設(shè)傳感器的非線性特性曲線u1f1(x)過(guò)原點(diǎn)， 將其畫在直角坐標(biāo)系的第象限， x為橫坐標(biāo)， u1為縱坐標(biāo)。 (2) 將所要求的uo與x關(guān)系的特性曲線uoSx畫在第象限， x為橫坐標(biāo)， uo為縱坐標(biāo)。 (3) 考慮到K足夠大， 可以保證uRT、 RR0， 故被測(cè)溫度為測(cè)量范圍內(nèi)的任意值時(shí)， 均有(2-59)于是U=IRTIR0=IRT

51、 (2-60)式(2-60)說(shuō)明了不平衡電橋的電阻電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系， 同時(shí)也說(shuō)明了可以通過(guò)改變橋路參數(shù)實(shí)現(xiàn)模擬量標(biāo)度變換。 例如， 用Cu50銅電阻測(cè)溫時(shí)， 測(cè)量范圍為050， 滿量程時(shí)RT10.7 ， 所用數(shù)字顯示儀表的分辨力為100 V。 現(xiàn)在希望在滿量程時(shí)顯示50.0， 則必須在滿量程時(shí)輸入一個(gè)50.01005.00103 V5.00 mV的電壓， 或者說(shuō)銅電阻的阻值變化10.7 時(shí)， 橋路應(yīng)該產(chǎn)生5.00 mV的電壓輸出。 于是， 根據(jù)式(2-60)可得(2-61)該電流值可以通過(guò)適當(dāng)選取E或R來(lái)得到。 2. 電壓信號(hào)的標(biāo)度變換 當(dāng)數(shù)字顯示儀表以熱電偶的熱電勢(shì)作為輸入信號(hào)時(shí)， 若熱電勢(shì)在儀

52、表規(guī)定的輸入信號(hào)范圍以內(nèi)， 則可以將信號(hào)直接送入儀表， 而在儀表中通過(guò)適當(dāng)選取前置放大器的放大倍數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換。 例如， 國(guó)產(chǎn)CX100型數(shù)字測(cè)溫儀， 配用K型熱電偶， 滿量程顯示為1023，此時(shí)放大器的輸出為4.000 V。 K型熱電偶1000時(shí)的輸出熱電勢(shì)為41.27 mV。 其標(biāo)度變換就是通過(guò)適當(dāng)選取前置放大器的放大倍數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 那么， 前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該為多大呢？ 根據(jù)已知條件可以知道， 顯示1000時(shí)放大器的輸出電壓應(yīng)該為10004.000/10233.910 V。 而此時(shí)K型熱電偶輸出的熱電勢(shì)為41.27 mV， 所以前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該為3.910103/41.27

53、94.74。 也就是說(shuō)， 只有將前置放大器的放大倍數(shù)選取為94.74， 才能夠在1000時(shí)正好顯示1000。 3. 電流信號(hào)的標(biāo)度變換 數(shù)字顯示儀表與輸出信號(hào)為電流的傳感器配套使用時(shí)， 或者與輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)電流的變送器配套使用時(shí)， 可以用簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換， 如圖2-32所示。 這里是將R2上的電壓U作為數(shù)字顯示儀表的輸入信號(hào)， 顯然(2-62)式中, Ri為數(shù)字顯示儀表的輸入電阻， 未在圖2-32中標(biāo)出。 圖2-32 電流信號(hào)的標(biāo)度變換根據(jù)式(2-62)可知， 要實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換， 必須適當(dāng)?shù)剡x取R2的大小， 使U滿足數(shù)字顯示儀表分辨力的要求。 至于R1的大小， 應(yīng)該滿足對(duì)傳感器或變送器

54、阻抗匹配的要求， 因?yàn)閷?duì)于傳感器或變送器來(lái)說(shuō)， 負(fù)載電阻為4. 頻率信號(hào)的標(biāo)度變換 數(shù)字顯示儀表的輸入信號(hào)為頻率信號(hào)(例如渦輪流量計(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， 適當(dāng)選取頻率電壓轉(zhuǎn)換器的參數(shù)， 實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換。 事實(shí)上， 由于用計(jì)數(shù)器很容易將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)， 在數(shù)字部分用乘系數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換也很簡(jiǎn)單， 因此對(duì)頻率信號(hào)的標(biāo)度變換通常是在數(shù)字部分進(jìn)行的。 2.6.2 數(shù)字量標(biāo)度變換 數(shù)字量標(biāo)度變換若是通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的， 則稱為硬件數(shù)字量標(biāo)度變換； 若是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的， 則稱為軟件數(shù)字量標(biāo)度變換， 簡(jiǎn)稱軟件標(biāo)度變換。 只有那些包含微處理器的數(shù)字顯示儀表， 才可以

55、實(shí)現(xiàn)軟件標(biāo)度變換。 數(shù)字量標(biāo)度變換可以克服模擬量標(biāo)度變換精度低、 通用性差的缺點(diǎn)。 特別是軟件標(biāo)度變換， 可以在幾乎不增加費(fèi)用的前提下實(shí)現(xiàn)。 1. 硬件數(shù)字量標(biāo)度變換 對(duì)于雙積分型(或類似原理)A/D轉(zhuǎn)換器， 硬件數(shù)字量標(biāo)度變換可以在A/D之后， 時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器之前， 通過(guò)系數(shù)運(yùn)算而實(shí)現(xiàn)。 所謂系數(shù)運(yùn)算， 是指將時(shí)鐘頻率乘以一個(gè)大于1或小于1的系數(shù)。 一般， 將時(shí)鐘頻率乘以一個(gè)小于1的系數(shù)比較容易實(shí)現(xiàn)， 原理如圖2-33所示。 圖2-33 系數(shù)運(yùn)算原理圖(a) 與門電路； (b) 時(shí)鐘脈沖； (c) 控制脈沖； (d) 輸出脈沖根據(jù)圖2-33(a)所示的與門電路的特性可知， 只有A、 B端

56、的輸入信號(hào)皆為高電平時(shí)， F端的輸出信號(hào)才為高電平， 否則為低電平。 所以， 若將圖2-33(b)所示的時(shí)鐘脈沖和圖2-33(c)所示的控制脈沖分別加到A、 B端， 則F端的輸出信號(hào)如圖2-33(d)所示。 比較圖2-33(d)與圖2-33(b)可以發(fā)現(xiàn)， 每10個(gè)時(shí)鐘脈沖只有8個(gè)到達(dá)了輸出端， 即相當(dāng)于將時(shí)鐘頻率乘了系數(shù)0.8。 如果對(duì)應(yīng)于某測(cè)溫裝置的量程上限1000， 經(jīng)過(guò)雙積分型A/D轉(zhuǎn)換后輸出1250個(gè)脈沖， 則利用這個(gè)系數(shù)乘法器正好可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展， 目前已經(jīng)研制出了集成化的系數(shù)運(yùn)算器， 其轉(zhuǎn)換精度與速度均大為提高。 2. 軟件標(biāo)度變換 軟件標(biāo)度變換就是通過(guò)編

57、寫程序， 利用微處理器根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果， 按照一定的計(jì)算公式求得應(yīng)該顯示的數(shù)值。 計(jì)算公式如下： (2-64)式中, N為對(duì)未知大小的被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量時(shí)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果； Ymax為用被測(cè)量表示的量程上限；Ymin為用被測(cè)量表示的量程下限； Nmax為對(duì)應(yīng)于Ymax的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果； Nmin為對(duì)應(yīng)于Ymin的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果； Y為要顯示的測(cè)量結(jié)果。 一般情況下， 在編寫程序時(shí)， Ymax、 Ymin、 Nmax、 Nmin都是已知的， 因而可把式(2-64)改寫成如下形式：Y=aN+b(2-65)式中, a(YmaxYmin)/(NmaxNmin)為比例系數(shù)；b(YminNmaxYmax

58、Nmin)/(NmaxNmin)為零點(diǎn)值。 利用式(2-65)進(jìn)行標(biāo)度變換時(shí)， 只需要進(jìn)行一次乘法運(yùn)算和一次加法運(yùn)算， 且只需要存儲(chǔ)a和b這兩個(gè)參數(shù)。 若直接利用式(2-64)進(jìn)行標(biāo)度變換， 則需要進(jìn)行四次加法運(yùn)算、一次乘法運(yùn)算和一次除法運(yùn)算， 并且需要存儲(chǔ)Ymax、Ymin、Nmax和Nmin這四個(gè)參數(shù)， 顯然既浪費(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)存儲(chǔ)空間。 所以在編寫程序時(shí)， 應(yīng)根據(jù)Ymax、Ymin、Nmax和Nmin事先計(jì)算出a和b， 然后再編寫程序。例如， 用集成化溫度傳感器AD590測(cè)量溫度， 測(cè)量范圍為55150。 AD590的輸出信號(hào)為電流， 電流靈敏度為1 A/K。 將AD590的輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)1

59、k的電阻接地， 轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)， 電壓靈敏度為1 mV/K。 然后利用分辨力為10 V的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)再經(jīng)過(guò)微處理器標(biāo)度變換， 以為單位進(jìn)行顯示、 打印、 輸出到上位機(jī)等， 如圖2-34所示。 現(xiàn)在要利用軟件進(jìn)行標(biāo)度變換， 該如何實(shí)現(xiàn)呢？圖2-34 數(shù)字顯示溫度測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)已知條件可知，Ymax150，Ymin55。 由于電壓靈敏度為1 mV/K， 因此對(duì)應(yīng)于Ymax的A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓為(273.16150)1423.16 mV， 對(duì)應(yīng)于Ymin的為(273.1655)1218.16 mV。 另外， 由于A/D轉(zhuǎn)換器的分辨力為10 V， 因此對(duì)應(yīng)于Ym

60、ax的A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為Nmax423.16103/1042 316， 對(duì)應(yīng)于Ymin的為Nmin218.16103/1021 816。由此可以求得比例系數(shù)為a(15055)/(42 31621 816)0.01， 零點(diǎn)值為b(5542 31615021 816)/(42 31621 816)273.16。 因此， 標(biāo)度變換公式為Y=0.01N273.16()(2-66) 當(dāng)被測(cè)溫度為100時(shí)， A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為(273.16100)1373.16 mV， A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為N373.16103/1037 316， 根據(jù)式(2-66)得Y0.0137 316273.16100.00