數(shù)字式壓力表設計.

1、 實習報告 課程名稱：數(shù)字式電壓表 學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 指導教師： 完成時間： 報告成績： 評閱意見： 評閱教師 日期 數(shù)字式壓力表的設計 1. 課程設計的目的 壓力表是指以彈性元件為敏感元件， 測量并指示高于環(huán)境壓力的儀表，它 幾乎遍及所有的工業(yè)流程和科研領域。利用 ICL7107構成數(shù)字式壓力表。 2. 課題要求 （1）測壓范圍：060Mpa主要分為四個量程段：0.04 0.6Mpa； 0.1 6Mpa 1 25Mpa 1 60Mpa （2）測量精度：1.0級。 （3）具有顯示、變送、報警等功能，可同時兩路輸入； （4）模擬輸出：可同時提供兩組 4-20mA或0-10V輸出。

2、 3. 設計原理 主要器件由芯片ICL7106和液晶顯示器LCD組成 關鍵詞：芯片ICL7106 液晶顯示器LCD 圖一為簡易原理方框圖。 由于7106是把模擬電路與邏輯電路集成在一塊芯片上，屬于大規(guī)模CMOS 集成電路，因此本方案主要有以下特點：（1）采用單電源供電，可使用9V迭層 電池，有助于實現(xiàn)儀表的小型化。（2）芯片內(nèi)部有異或門輸出電路，能直接驅 動LCD顯示器。（3）功耗低。芯片本身消耗電流僅1。8mA功耗約16mW/（4） 輸入阻抗極高，對輸入信號無衰減作用。（5）能通過內(nèi)部的模擬開關實現(xiàn)自動 調(diào)零和自動顯示極性的功能。（6）噪聲低，失調(diào)溫標和增益溫標均很小。具有 良好的可靠性，使

3、用壽命長（7）整機組裝方便，無須外加有源器件，可以很方 便地進行功能檢查。 本文設計的電壓表，電壓值顯示穩(wěn)定，讀數(shù)方便，能測量正、負電壓且能自 動切換量程，使用方便。系統(tǒng)框圖（如圖 1所示）。本系統(tǒng)可分為測試電壓轉 換、模擬電壓通道、數(shù)據(jù)電壓通道（A/D轉換及譯碼鎖存）、數(shù)碼顯示、小數(shù)點 驅動電路5部分。 圖1系統(tǒng)框圖 4. 設計思路 4.1工作原理 ICL7107是雙積型的A/D轉換器，還集成了 A/D轉換器的模擬部分電路， 如緩沖器、積分器、電壓比較器、正負電壓參考源和模擬開關，以及數(shù)字電路部 分如振蕩源、計數(shù)器、鎖存器、譯碼器、驅動器和控制邏輯電路等，使用時只需 外接少量的電阻、電容元件

4、和顯示器件，就可以完成模擬到數(shù)字量的轉換， 從而 滿足設計要求。顯示穩(wěn)定可讀和測量反應速度快， 是本設計的關鍵。ICL7107的 一個周期為用4000個計數(shù)脈沖時間作為A/D轉換的一個周期時間，每個周期分 成自動穩(wěn)零（AZ、信號積分（INT）和反積分（DE 3個階段。內(nèi)部邏輯控制 電路不斷地重復產(chǎn)生AZ、INT、DE 3個階段的控制信號，適時地指揮計數(shù)器、 鎖存器、譯碼器等協(xié)調(diào)工作，使輸出對應于輸入信號的數(shù)值。 而輸入模擬量的數(shù) 值在其內(nèi)部數(shù)值上等于計數(shù)數(shù)值 T,即：VIN的數(shù)值=T的數(shù)值或 Vin=Vref（T/1000） 式中：1000為積分時間（1000個脈沖周期）；T為反積分 時間（滿

5、度時為2000）。 ICL7107的管腳排列：管腳1和26是ICL7107的正、負極。COMfe模擬信 號的公共端，簡稱模擬地，使用時應與 IN 、URE&端短接。TEST是測試端， 該端經(jīng)內(nèi)部500Q電阻接數(shù)字電路的公共端（GND，因二者呈等電位，故亦稱 做數(shù)字地。該端有兩個功能：作測試指示，將它接U+時LCD顯示全部筆段1888、 可檢查顯示器有無筆段殘缺現(xiàn)象；作為數(shù)字地供外部驅動器使用，來構成小數(shù) 點及標志符的顯示電路。a1g1、a2g2、a3g3、bc4分別為個位、十位、百 位、千位的筆段驅動端，接至 LCD的相應筆段電極。千位b、c段在LCD內(nèi)部連 通。當計數(shù)值N 1999時顯示器溢

6、出，僅千位顯示“ 1”，其余位消隱，以此表 示儀表超量程（過載溢出）。POL為負極性指示的驅動端。BP為LCD背面公共電 極的驅動端，簡稱“背電極”。OSCOSC3為時鐘振蕩器引出端，外接阻容元 件可構成兩級反相式阻容振蕩器。UREFK URE分別為基準電壓的正、負端， 利用片內(nèi)U+ COM之間的+ 2.8V基準電壓源進行分壓后，可提供所需UREF值, 亦可選外基準。CRE+、CRE是外接基準電容端。IN +、IN 為模擬電壓的正、 負輸入端。CAZ端接自動調(diào)零電容。BUF是緩沖放大器輸出端，接積分電阻RINT。 INT為積分器輸出端，按積分電容 CINT。需要說明，ICL7106的數(shù)字地（G

7、ND 并未引出，但可將測試端（TEST視為數(shù)字地，該端電位近似等于電源電壓的一 半。 V, 1 40 C D. 2 39 C 3 38 B. 4 37 A 5 36 F. 6 35 G. 7 34 k巳 S 33 C Dz 9 32 1O 7107 31 C1O I 亠 1 1 7126 30 A 12 29 化 13 2S 1耳一 14 27 Dz一 15 2(5 (10 B_ 16 25 Y Fz 17 24 巳一 1S 23 （i（r）ar. 1 9 22 20 21 sc. -REF- -REF_ Gf擊 -G0M_ 一BUH I NT -AL -Gt 10) 6? J _ ND 圖2

8、 7107管腳示意圖 4.2 ICL7107的工作原理 ICL7107內(nèi)部包括模擬電路和數(shù)字電路兩大部分，二者是互相聯(lián)系的。一 方面由控制邏輯產(chǎn)生控制信號，按規(guī)定時序將多路模擬開關接通或斷開，保證 A/D轉換正常進行；另一方面模擬電路中的比較器輸出信號又控制著數(shù)字電路的 工作狀態(tài)和顯示結果。下面介紹各部分的工作原理。 （1）模擬電路 模擬電路由雙積分式 A/D轉換器構成，電路如圖3所示。主要包括2.8V 基準電壓源（E0）、緩沖器（A1）、積分器（A2）、比較器（A3）和模擬開關等 組成。緩沖器A4專門用來提高COMS帶負載的能力，可謂設計數(shù)字多用表的電 阻 r-I-CREF+ CREF RE

9、F-! vCREF- NH| rjT 8 AZ RE：LC小 (35 DE- A 苛 圖3 ICL7107 的模擬電路 擋、二極管擋和hFE擋提供便利條件。這種轉換器具有轉換準確度高、抗串模干 擾能力強、電路簡單、成本低等優(yōu)點，適合做低速模/數(shù)轉換。每個轉換周期分 三個階段進行：自動調(diào)零（AZ、正向積分（INT）、反向積分（DE，并按照 g INT- Di AZ的順序進行循環(huán)。令計數(shù)脈沖的周期為TCP每個測量周期 共需4000TCP其中，正向積分時間固定不變，T1 = 1000TCP儀表顯示值， 將T1= 1000TCP URE三100.0mV代入上式得 N = 10UIN 或 UIN= 0.

10、1N（1） 只要把小數(shù)點定在十位上，即可直讀結果。滿量程時N= 2000,此時UM 2URE三200mV儀表顯示超量程符號“ T 欲測量2V以上的直流電壓，必須利用精密電阻分壓器對UIN進行衰減。積分電阻應采用金屬膜電阻，積分電容宜選絕緣性好、介質吸收系數(shù)小的聚苯乙烯 電容或聚丙烯電容。 為了提高儀表抗串模干擾的能力，正向積分時間(亦稱采樣時間)T1應是 工頻周期的整倍數(shù)。我國采用 50Hz交流電網(wǎng)，其周期為20ms應選 T1= n 20 (ms)(2) 式中，n= 1, 2, 3,。例如取 n= 2、4、5 時，T1 = 40ms 80ms 100ms 能有效地抑制50Hz干擾。這是因為積分

11、過程有取平均的作用，只要干擾電壓的 平均值為零，就不影響積分器輸出。但 n值也不宜過大，以免測量速率太低。 v+ sJkIZ 6 Iy unT | V ICLB0B9 1.2V禪呼潭 圖4 ICL7107外圍電路圖 犧 rt!41Rii7 t sum | 圖5 ICL7107 的數(shù)字電路 (2)數(shù)字電路 數(shù)字電路如圖5所示。主要包括8個單元：時鐘振蕩器；分頻器；計 數(shù)器；鎖存器；譯碼器；異或門相位驅動器；控制邏輯；LCD顯示器。 時鐘振蕩器由ICL7106內(nèi)部反相器F1、F2以及外部阻容元件R、C組成。若取R =120kQ ,C= 100PF,則 f0 = 40kHz。f0 經(jīng)過 4 分頻后得

12、到計數(shù)頻率 fCP= 10kHz, 即TCP= 0.1ms。此時測量周期 T= 16000T0= 4000TCA 0.4s，測量速率為 2.5 次/秒。f0還經(jīng)過800分頻，得到50Hz方波電壓，接LCD的背電極BP。LCD須 采用交流驅動方式，當筆段電極ag與背電極BP呈等電位時不顯示，當二者存 在一定的相位差時，液晶才顯示。因此，可將兩個頻率與幅度相同而相位相反的 方波電壓，分別加至某個筆段引出端與BP端之間，利用二者電位差來驅動該筆 段顯示。驅動電路采用異或門。其特點是當兩個輸入端的狀態(tài)相異時(一個為高 電平，另一個為低電平)，輸出為高電平；反之輸出低電平。 4.3時鐘脈沖發(fā)生器 由于雙

13、積分式的轉換精度與時鐘無關，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R0C0組成的 多諧震蕩器。震蕩頻率為 fo1 2.2RoCo（ 3） 為提高抗干擾能力，選R0C0使 f0與電網(wǎng)頻率成整倍數(shù)關系，一般f0=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動。當然時鐘脈沖產(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。 4.4

14、電子計數(shù)器 包括計數(shù)、鎖存、譯碼、七段輸出、驅動。計數(shù)器采用“ 8421 ”編碼，有個、 十、百三個二-十進制計數(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。 4.5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 圖6時序邏輯電

15、路出四個指令：一是各模擬開關的控制信號，是模擬開關按規(guī)定時需切換；二是閘 門信號，控制技術脈沖的個數(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“ 1”，其余數(shù)碼消隱。 4.6 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，廣泛應用與多種數(shù)字設備中。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 動。 發(fā)光二極管是采用半導體材

16、料制成的，能將電信號轉化成光信號的結型電壓 發(fā)光器件。它的特點是： 低電壓（1.52.2V）,小電流（530mA的條件下工作，即可獲得足夠高 的亮度。 發(fā)光響應速度快，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結正向導通狀態(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。 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，就構成了 LE

17、D數(shù)碼顯示器。如7-1 所示.只要按規(guī)定使某些筆畫的發(fā)光二極管，就能組成 09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 6 7 8 9 10 O O O O O a f g b e d a dp Q Q 5 4 3 2 1 + + 圖7-1圖7-2 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的特性及驅動顯示方法。如圖7-2所示。 4.7主要集成塊 MC1403是高精度低溫度漂移的基準電路，作為 8-12位（二進

18、制）數(shù)模轉換 的基準電壓源而設計，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)耐饨踊鶞史€(wěn)壓源，在這里采用 MC1403乍為基準穩(wěn)壓源供電，可以獲得 精密的電壓基準。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 封裝：8腳DIL陶封（代碼U） ； 8腳DIL塑封（代碼DSM Vn GND NC NC NC NC NC 圖9工作原理 圖8 MC1403的管腳排列 5. 心得體會 在這次課程設計當中我真正體會到什么叫做學以致用， 第一次體會到用自己 所學到的知識做出了個數(shù)據(jù)壓力表，在以前想都不敢想。