東北石油大學(xué)數(shù)字顯示儀表課程設(shè)計

本文檔來源網(wǎng)絡(luò)，僅供參考，侵權(quán)請聯(lián)系刪除。東北石油大學(xué)課程設(shè)計課 程 數(shù)字顯示儀表課程設(shè)計題 目 數(shù)字式壓力表設(shè)計學(xué) 院 電氣信息工程學(xué)院專業(yè)班級 自動化11-1班學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 姜寅令邵克勇 2013年8月2日東北石油大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程 數(shù)字顯示儀表課程設(shè)計 題目 數(shù)字式壓力表設(shè)計 專業(yè) 自動化姓名 學(xué)號 _主要內(nèi)容：在面包板上安裝一臺用單片A/D轉(zhuǎn)換器7107或7106組成的通用表頭。配接壓力傳感器（應(yīng)變片式、擴散硅式或其它類型壓力傳感器），制成數(shù)字壓力顯示儀表?；疽螅?、 學(xué)習(xí)數(shù)字顯示儀表原理。2、 設(shè)計、繪制電路連接圖。3、 能夠獨立完成數(shù)字顯示儀表表頭的制作。主要參考資料：沙占友.數(shù)字化測量技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2004.井口征士.傳感工程[M].北京：科學(xué)出版社.2005.楊邦文.應(yīng)用電子小制作150例[M].北京：人民郵電出版社.2005.常健生.檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].吉林：吉林工業(yè)大學(xué)出版社.2006.路勇.高文煥.電子電路實驗及仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.王松武.于鑫.電子創(chuàng)新設(shè)計[J].北京：國防工業(yè)出版社,2005.完成期限2013.7.22—2013.8.2指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2013年8月2日目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章數(shù)顯儀表工作原理 11.1數(shù)字式顯示儀表原理 11.2數(shù)字式顯示儀表結(jié)構(gòu) 11.3數(shù)字儀表的主要技術(shù)指標(biāo) 21.4線性化問題 31.5信號的標(biāo)準(zhǔn)化及標(biāo)度變換 3\o"CurrentDocument"第2章數(shù)顯儀表設(shè)計方案 5ICL7107雙積分A/D轉(zhuǎn)換器 5LED顯示器 82.3主要集成塊 9\o"CurrentDocument"第3章 數(shù)顯儀表的制作 113.1數(shù)顯部分的制作 113.2電源部分的制作 11\o"CurrentDocument"第4章結(jié)論與體會 12\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 13本文檔來源網(wǎng)絡(luò)，僅供參考，侵權(quán)請聯(lián)系刪除。第1章數(shù)顯儀表工作原理1.1數(shù)字式顯示儀表原理工業(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(zhǔn)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(zhǔn)確度高、分辨力高、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)字量來傳輸信息，可使得傳輸距離不受限制。測量電路由平非線性校正―?七1放大―?及A/D轉(zhuǎn)換 ?譯碼、驅(qū)動、顯示傳感器控制邏輯設(shè)定4比較4控制■ 信號輸出機構(gòu)環(huán)節(jié)■模式圖1-1數(shù)字顯示儀表原理圖數(shù)顯儀表按工作原理分為：不帶微處理器和帶微處理器的。其原理框圖如圖1-1所示。1.2數(shù)字式顯示儀表結(jié)構(gòu)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。不帶微處理器的數(shù)顯儀表一般應(yīng)具備模數(shù)轉(zhuǎn)換，非線性補償及標(biāo)度變換三大部分，這三部分又各有很多種類，三者間相互巧妙的組合，可以組成適應(yīng)于各種不同要求場合的數(shù)字式顯示儀表。盡管數(shù)字儀表的品種繁多，原理各不相同，但其基本構(gòu)成形式可由圖 1-2所示的主要環(huán)節(jié)組成。模一數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)字儀表的核心，以它為中心，將儀表分為模擬和數(shù)字兩大部分。本文檔來源網(wǎng)絡(luò)，僅供參考，侵權(quán)請聯(lián)系刪除。圖1-2 數(shù)字顯示儀表的基本構(gòu)成儀表的數(shù)字部分一般設(shè)有濾波、前置放大器和模擬開關(guān)等環(huán)節(jié)。來自傳感器或變送器的統(tǒng)一電量信號一般都比較微弱，并且包含著在傳輸過程中產(chǎn)生的各種干擾成分，因此在其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量前，首先要進(jìn)行濾波與放大。前置放大器就是用來提高儀表的靈敏度、輸入阻抗及信號的信噪比。儀表的數(shù)字部分一般由計數(shù)器、譯碼器、時鐘脈沖發(fā)生器、驅(qū)動顯示電路以及邏輯控制電路組成。在數(shù)字儀表中，邏輯控制電路起著指揮整個儀表各部分協(xié)調(diào)工作的作用。它是數(shù)字儀表中不可缺少的環(huán)節(jié)之一。另外，高穩(wěn)定的基準(zhǔn)電源和工作電源也是數(shù)字儀表的重要組成部分。被放大的模擬信號有模-數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量后，經(jīng)譯碼、驅(qū)動，送到顯示器件中進(jìn)行數(shù)字顯示。也可以送到報警系統(tǒng)和打印系統(tǒng)中去，進(jìn)行報警和記錄打印。1.3數(shù)字儀表的主要技術(shù)指標(biāo)（一） 顯示位數(shù)以十進(jìn)制顯示被測變量值的位數(shù)稱為顯示位數(shù)。能夠顯示“0?9”的數(shù)字位稱為“滿1位”；僅顯示1或不顯示的數(shù)字位，稱為“半位”或“2位”。工業(yè)用數(shù)字溫度顯示儀表的顯示數(shù)常為32位，可顯示-1999?1999。高精度的數(shù)字表顯示位數(shù)目前達(dá)到82位。（二） 儀表的量程儀表標(biāo)稱范圍的上、下限之差的模，稱為儀表的量程。量程有效范圍上限值為滿度值。（三） 精度目前數(shù)字式顯示儀表的精度表示法有三種：滿度的土a%±n字、讀數(shù)的土a%±n字、讀數(shù)的土a%±滿度的b%（四） 分辯力和分辨率數(shù)字儀表的分辯力是指末位數(shù)字改變一個字所對應(yīng)的被測變量的最小變化值，它表示2本文檔來源網(wǎng)絡(luò)，僅供參考，侵權(quán)請聯(lián)系刪除。了儀表能夠檢測到的被測量最小變化的能力。數(shù)字式顯示儀表在不同量程下的分辯力是不同的，通常在最低量程上具有最高的分辯力，并以此作為該儀表的分辯力指示。分辯率指儀表顯示的最小值與最大數(shù)值之比。（五） 輸入阻抗數(shù)字式顯示儀表是一種高輸入阻抗的儀表，輸入阻抗可達(dá)1012Q。（六） 抗干擾能力數(shù)字式顯示儀表一般用串模干擾抑制比和共模干擾抑制比來表征抗干擾能力大小。en串模干擾抑制比（SMR為：SMR=20lgr竺共模干擾抑制比（CMR為：CMR=20lgCSMR和CMF的單位是分貝，數(shù)值越大，表示數(shù)字儀表的抗干擾能力越強，一般直流電壓型數(shù)顯儀表的串模干擾抑制比為20?60dB,共模干擾抑制比為120?160dB.1.4線性化問題常規(guī)數(shù)字儀表進(jìn)行非線性補償，主要有兩方面的工作：（1） 根據(jù)已知的傳感器非線特性求得所需要的線性化器的非線性特性。非線性特性的求取可用數(shù)字解析表達(dá)式，也可用圖解法求得。（2） 根據(jù)所求得線性化器的非線性特性，采用非線性補償電路來實現(xiàn)非線性補償，而對非線性曲線的處理一般都采用折線逼近法。1.5信號的標(biāo)準(zhǔn)化及標(biāo)度變換由檢測元件或傳感器送來的信號的標(biāo)準(zhǔn)化或標(biāo)度變換是數(shù)字信號處理的一項重要任務(wù)，也是數(shù)字顯示儀表設(shè)計中必須解決的基本問題。一般情況下，由于被測量量和顯示的過程參數(shù)多種多樣，因而儀表輸入信號的類型、性質(zhì)千差萬別。即使是同一種參數(shù)或物理量，由于檢測元件和裝置的不同，輸入信號的性質(zhì)、電平的高低等也不相同。將不同性質(zhì)的信號，或者不同電平的信號統(tǒng)一起來，這就叫輸入信號的規(guī)格化，或則稱為參數(shù)信號的標(biāo)準(zhǔn)化。對于過程參數(shù)測量用的數(shù)字顯示儀表的輸出，往往要求用被測變量的形式顯示，圖1-3為一般數(shù)字儀表組成的原理框圖。其刻度方程可以表示為：ySS2S5X二sx本文檔來源網(wǎng)絡(luò)，僅供參考，侵權(quán)請聯(lián)系刪除。模擬部分模數(shù)轉(zhuǎn)換 數(shù)字部分圖模擬部分模數(shù)轉(zhuǎn)換 數(shù)字部分圖1-3數(shù)字儀表的標(biāo)度變換S2、S3分別為模擬部分、模其輸出極為異或門結(jié)構(gòu)。它式中S數(shù)字顯示儀表的總靈敏度或稱標(biāo)度變換系數(shù)； S1、-數(shù)轉(zhuǎn)換部分、數(shù)字部分的靈敏度或標(biāo)度變換系數(shù)。第2章數(shù)顯儀表設(shè)計方案2.1ICL7107雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107CPL是三位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換器大規(guī)模集成電路,的作用是把輸入電壓信號變?yōu)閿?shù)字輸出，并驅(qū)動顯示器。4其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含模擬和數(shù)字兩大部分。模擬部分包括積分器、模擬開關(guān)、過零比較器等電路。數(shù)字部分包括時鐘脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、分頻器、譯碼器、控制器、相位驅(qū)動器等電路。ICL7107還有以下特點：內(nèi)部有自動穩(wěn)零電路，保證零電壓輸入時，讀數(shù)為零；內(nèi)部有極性判別電路，即使輸入電壓極小也能正確區(qū)別極性，并顯示出來；內(nèi)部有時鐘電路，可以外接RC器件，產(chǎn)生自激振蕩，也可以由外部時鐘輸5入;內(nèi)含供A/D轉(zhuǎn)換必需的基準(zhǔn)穩(wěn)壓源，可不用外接基準(zhǔn)電源；輸出為三位七段譯碼信號，可直接驅(qū)動LED與其他CMO集成電路相同，這些電路具有輸入電阻高的特點。ICL7107采用標(biāo)準(zhǔn)的雙列直插40引線封裝，弓I線排列如圖2-1所示。各引線功能如下：A~G :個位段驅(qū)動信號A~G :十位段驅(qū)動信號A~G :百位段驅(qū)動信號AB:千位段驅(qū)動信號G:負(fù)號指示信號GND:數(shù)字地OSGOSC:時鐘發(fā)生器接頭端REF及REF:基準(zhǔn)電壓的接頭端CRef:基準(zhǔn)電容的接頭端INT+及INT- :模擬信號輸入端A/Z:積分發(fā)大器反向輸入端，接自校零位電容BUF:緩沖器輸出端，接積分電阻INT:積分器輸出端，接積分電容TEST:試燈端，接咼電壓位時，顯示 -1999V+:正電源（5?6V）接頭端V:負(fù)電源（-5?-9V）接頭端V11OSC40—- 1D1239—OSGC338—OSGB1 437—TEST(100)〈A 1—536—REFFG1 63534—REFGref7E118533 ' GrefD(2—932—GOIMC12■-10710731-IN+（一） ICL7107D的雙積分A/D轉(zhuǎn)換ICL7107D模擬部分每個轉(zhuǎn)換周期分為自校零位、信號積分（采樣）、反相積分（比較）三個階段。自校零（A/Z）階段 模擬電路部分的模擬開關(guān)A/Z接通，其余開關(guān)全部斷開，電路進(jìn)入自交零狀態(tài)。這時模擬輸出端INT及INT-與公共模擬端COME路AZ比較器輸出端、輸入端接通負(fù)反饋回路。電路中的總飄逸電壓對自校零電容充電，以記憶并抵消漂移電壓對轉(zhuǎn)換的影響。與此同時基準(zhǔn)電容CREF被基準(zhǔn)電壓充電至Vref。信號積分（INT）階段 模擬開關(guān)INT接通，其余開關(guān)均斷開一負(fù)反饋回路斷開、輸入端短路解除并對模擬輸入信號進(jìn)行采樣積分。輸入信號 V1經(jīng)過緩沖器送至積分器，大大提高了轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗。本階段的積分時間「=1000Tcp，既1000個時鐘脈沖計數(shù)時間。比較器輸出電位送到控制邏輯電路，以決定反相積分階段進(jìn)入基準(zhǔn)電壓的極性。反相積分（DE階段 模擬開關(guān)DE■或DE_接通，與輸入電壓Vi反極性的基準(zhǔn)電壓Vref接入積分器，同時計數(shù)器從零開始計數(shù)，反相積分階段開始。當(dāng)積分器輸出電壓為零時，計數(shù)器停止計數(shù)，鎖存器存儲并計算器的結(jié)果，經(jīng)譯碼由發(fā)光二極管顯示器顯示輸入電壓Vi的數(shù)值，一次轉(zhuǎn)換結(jié)束。反相積分階段一結(jié)束，電路既自動轉(zhuǎn)入自校狀態(tài)開始了下一個轉(zhuǎn)換周期。6本文檔來源網(wǎng)絡(luò)，僅供參考，侵權(quán)請聯(lián)系刪除。受ICL7107本身特性所決定，基本量程為200MV和2V，每個測量周期為40000Tcp,TCP是計數(shù)脈沖的周期。其中，信號積分時間T|=1000Tcp，固定不變，為一個轉(zhuǎn)換周期TCPVREFTCPVREF(2)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器地優(yōu)點是：對積元件的質(zhì)量要求不高，時鐘振蕩器可以使用普通的阻容元件代替石英晶體，抗干擾能力強。它作為一種低速、高精度A/D轉(zhuǎn)換器，在數(shù)字儀表中廣泛應(yīng)用。（二） ICL7107的邏輯電路由于ICL7107驅(qū)動LED顯示器，因此它的數(shù)字電路部分較ICL7106略有差異，因為驅(qū)動LCD不僅要有鎖存器，還要有驅(qū)動LCD的公共電極所需要的對稱方波電源（驅(qū)動LED無圖2-2ICL7107的邏輯圖邏輯電路包括八大單元：時鐘脈沖發(fā)生器；分頻器；計數(shù)器；鎖存器；譯碼器；大電流反響驅(qū)動器；邏輯控制器；LCD顯示器。時鐘脈沖發(fā)生器由兩個反相器 f1f2部元件R、C組成。若取R=120?，C=100PF則fo=0Hz，數(shù)脈沖fep=100Hz,fcp=0.1ms,T=4000Tcp.=0.4s,測量速度為2.5次/秒。顯示器采用七斷顯示方式，其中個位、十位和百位十字部分分成 ab、c、d、e、f、g、七斷，再加上千位K和符號位P,不同斷發(fā)光，可以顯示出不同的數(shù)字。對7107：來說，因為發(fā)光二極管需要極大驅(qū)動電流，故驅(qū)動電流吸入電流增大至 8mA對千位數(shù)字，K斷有兩個顯示斷，所以7107的第19腳吸收電流可達(dá)16mA（三）時鐘脈沖發(fā)生器由于雙積分式的轉(zhuǎn)換精度與時鐘無關(guān)，所以 7106不必采用晶體振蕩器，只要采用阻容多諧振蕩器即可。振蕩器是由芯片內(nèi)的兩個與非門外接 R￡0組成的多諧震蕩器。震蕩頻率為2.2R0G0為提高抗干擾能力，選RG0使f。與電網(wǎng)頻率成整倍數(shù)關(guān)系，一般f°=40Hz時鐘發(fā)生器輸出40Hz信號經(jīng)四分頻為10Hz分三路輸出：一路去電子計數(shù)器，作為計數(shù)脈沖，即為液晶顯示器背電極驅(qū)動。當(dāng)然時鐘脈沖產(chǎn)生方式也可采用外部時鐘或石英振蕩器。若采用外部時鐘，只要在芯片（40）腳加峰值5V信號即可，經(jīng)芯片兩極反相器放大整形變?yōu)闀r鐘；若用晶振作時鐘，只要將晶體接在（39）（40）腳即可。（四） 電子計數(shù)器包括計數(shù)、鎖存、譯碼、七段輸出、驅(qū)動。計數(shù)器采用“ 8421”編碼，有個、十、百三個二-十進(jìn)制計數(shù)器，級聯(lián)使用，每位計數(shù)器有四個觸發(fā)器。另有千位計數(shù)器是“半位”，只能顯示數(shù)字1,所以用一個觸發(fā)器即可。鎖存器亦采用觸發(fā)器組成，受邏輯電路所存指令控制，所存指令到來，只接受代碼而不輸出。解鎖指令到來才將代碼送譯碼器。譯碼器完全是由門電路達(dá)成的組合邏輯電路，將BCD譯碼成七段碼筆劃。譯碼輸出的筆劃信號和背電極的相位共同決定，異或門的輸入端是段位信號和 50Hz方波相異或。（五） 時序邏輯控制電路時序邏輯控制電路接受比較器的過零脈沖和計數(shù)器的溢出脈沖，經(jīng)處理后輸出四個指令：一是各模擬開關(guān)的控制信號，是模擬開關(guān)按規(guī)定時需切換；二是閘門信號，控制技術(shù)脈沖的個數(shù)；三是判斷被測電壓的極性，輸出“+”、“-”號控制；四是超量程控制，超量稱時，千位顯示“T,其余數(shù)碼消隱。LED顯示器數(shù)碼顯示是用來顯示數(shù)字、文字或符號的器件，現(xiàn)在已有多種不同類型的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用與多種數(shù)字設(shè)備中。目前，數(shù)碼顯示器正朝著小型、多位、多彩、平面化的方向發(fā)展。（一）發(fā)光二極管在各種顯示器中，LCD的功耗最低，LED的發(fā)光響應(yīng)時間最短，壽命最長。因此，目前的數(shù)字儀表大多采用LED或LCD顯示器，它們都能由集成電路直接驅(qū)動。發(fā)光二極管是采用半導(dǎo)體材料制成的，能將電信號轉(zhuǎn)化成光信號的結(jié)型電壓發(fā)光器件。它的特點是：

低電壓（1.5~2.2V）,小電流（5~30mA的條件下工作，即可獲得足夠高的亮度。發(fā)光響應(yīng)速度快，高頻特性好，能顯示脈沖信息，單色性好，壽命長。由于LED工作PN結(jié)正向?qū)顟B(tài)，性能穩(wěn)定，只要加以必要的先留措施，就可以長期使用。使壽命在10萬小時以上，甚至可以達(dá)到100萬小時。小型、防震、抗沖擊性能好。使用靈活、可根據(jù)需要制成各種數(shù)碼管、符號管、電平顯示器、矩陣板、固體發(fā)光板等（二）LED顯示器將條狀發(fā)光二極管按照共陽極（正極）或共陰極（負(fù)極）的方式連接，并組成“ 8”字型發(fā)光二極管，另一級做筆畫電極，就構(gòu)成了 LED數(shù)碼顯示器。如圖2-3（a）所示。只要按規(guī)定使某些筆畫的發(fā)光二極管，就能組成0?9的一系列數(shù)字。它具有重量輕、體積小、耐震動、壽命長、亮度高、單色性好、發(fā)光響應(yīng)速度快、能在低電平條件下與數(shù)字集成電路匹配等優(yōu)點可作為數(shù)字儀表，數(shù)控裝置，計算機等的數(shù)字顯示器件。 LED顯示器一般采用七段，既把七只LED共陽極（或共陰極）連接，每段具有單只LED的特性及驅(qū)動顯示方法。如圖2-3（b）所示。2.3主要集成塊MC1403是高精度低溫度漂移的基準(zhǔn)電路，作為 8-12位（二進(jìn)制）數(shù)模轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓源而設(shè)計，為避免溫度漂移所造成的 7107的誤差，通常采用具有溫度補償?shù)耐饨踊鶞?zhǔn)（b）BS342型（共陽極）69（b）BS342型（共陽極）6910ga a （a）管腳排列圖2-3BS342管腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以獲得精密的電壓基準(zhǔn)。如圖2-4所示輸出電壓誤差：2.5V±1%輸出電壓溫度系數(shù)：10ppm/（typ）輸出電流：10mA輸出電壓范圍：4.5-40V本文檔來源網(wǎng)絡(luò)，僅供參考，侵權(quán)請聯(lián)系刪除。封裝：8腳DIL陶封（代碼U）；8腳DIL塑封（代碼DSM圖2-4MC1403的管腳排列第3章數(shù)顯儀表的制作數(shù)字顯示電路部分的安裝要在面包板上進(jìn)行，壓力傳感器、電源部分不在面包板上。由于數(shù)顯部分需要土6V的電源，因此，電源要在另外的印刷電路安裝，以給數(shù)顯部分供電10本文檔來源網(wǎng)絡(luò)，僅供參考，侵權(quán)請聯(lián)系刪除。3.1數(shù)顯部分的制作根據(jù)繪制的接線圖，首先在面包板上把 7107和四個數(shù)碼管的位置確定好，為了便于顯示，一般要把四個數(shù)碼管放在上方。然后以接線方便為原則，確定 7107的位置。同時要考慮“+電源”、“地”線的接法。其它芯片、電阻、電容電位器等圍繞 7107就近安排位置。3.2電源部分的制作7呂圖3-1電源部分由于數(shù)顯部分要使用土6V的電源，這里采用兩個三端集成穩(wěn)壓器。其中 7806為固定標(biāo)準(zhǔn)正電壓穩(wěn)壓器：7906為固定標(biāo)準(zhǔn)負(fù)電壓穩(wěn)壓器。電源電路的器件包括電源變壓器、整流橋、集成穩(wěn)壓器及電容。整個電路安裝在一塊印刷線路板上，安裝時要使用電烙鐵。為了使用該電源的安全性、可靠性。因此，在設(shè)計時要考慮線路布置合理，強電與弱電之間要留有相當(dāng)?shù)木嚯x。同時注意220V電源線的引入方向、安全，防止短路，輸出土6V電源要有“接線端子”。電源的安裝首先要根據(jù)電原理圖繪制印刷電路板的接線圖，繪制的接線圖需經(jīng)檢查無誤后，才可以進(jìn)行實際焊接，焊接過程中要掌握電烙鐵的使用，使焊點大小均勻、光亮、無慮焊。第4章結(jié)論與體會這次的課程設(shè)計也讓我看到團隊的力量，必須發(fā)揚團結(jié)協(xié)作的精神，相互配合，相互學(xué)習(xí)，才能共同將電路板及接線方法做到最