數字顯示調節(jié)儀表原理和維修

1、數字顯示調節(jié)儀表原理及維修華東化工學院出版社目 錄1 概述-（1）1.1 數字顯示調節(jié)儀表的特點和組成-（1）1.2 數字顯示調節(jié)儀表的分類和命名-（4）1.3 主要技術指標-（6）2 電路基礎-（8）2.1 運算放大器-（8）2.2 A/D轉換器-（19）3 模塊電路原理-（38）3.1 DVM模塊-（38）3.2 熱電偶信號變換和放大模塊-（44）3.3 非線性補償模塊-（51）3.4 折線法開方模塊-（57）3.5 RV轉換及熱電阻的非線性補償模塊-（59）3.6 六端電橋RV轉換模塊-（66）3.7 IV和VV交流電平轉換模塊-（70）3.8 VI轉換模塊-（72）3.9 LED電平顯

2、示模塊-（78）3.10 巡檢模塊-（81）3.11 位式調節(jié)模塊-（86）3.12 時間比例調節(jié)模塊-（89）3.13 比例積分微分連續(xù)調節(jié)模塊-（97）4 整機電路及儀表的調校與維修-（107）4.1 XMB型數字顯示報警儀-（107）4.2 XMZA 105K型數字顯示儀-（116）4.3 XMT 131型數字顯示調節(jié)儀-（120）4.4 XMT 192型數字顯示調節(jié)儀-（129）4.5 XMD 12型數字顯示巡檢儀-（135）4.6 無觸點數字顯示巡檢儀-（141）5 數字顯示調節(jié)儀表應用實例-（149）5.1 XMZA 105K型儀表的應用實例-（149）5.2 帶外供電源的XMZB

3、 105型儀表的應用實例-（151）5.3 XMTA 122型儀表的應用實例-（151）5.4 XMT 141型儀表的應用實例-（152）5.5 位式調節(jié)儀表的應用-（153）附錄 思考題與習題-（158）附錄 數字溫度指示儀檢定規(guī)程-（164）附錄 常用元器件技術數據-（177）附錄 典型儀表的外形-（202）1 概 述數字顯示儀是一種具有模數轉換器并以十進制數碼形式顯示被測量值的儀表，儀表內部再配置某種調節(jié)電路或控制機構就成為數字顯示調節(jié)儀。人們習慣上將各種不同功能的數字顯示調節(jié)儀通稱為數顯儀表。數顯儀表的發(fā)展已有數十年的歷史。自從英特希爾（INTER-SIL）公司率先推出單片集成電路 位

4、模數轉換器以來，儀表的結構和性能有了新的突破：線路得以簡化，精度顯著提高，儀表的可靠性也大大增強。微電子技術的迅速進展和新型半導體器件的不斷出現，更使其功能日臻完善。數字顯示調節(jié)儀正以其明顯的優(yōu)越性沖擊著傳統(tǒng)的模擬儀表，并逐漸取而代之。數字顯示調節(jié)儀表能與多種傳感器配合，對工業(yè)生產過程的溫度、壓力、流量、液位等各種工藝參數及電流、電壓等電工量進行數字顯示，并可進行巡回檢測、越限報警和實現生產過程的自動控制。它能廣泛地取代指針式電流電壓表、動圈式指示調節(jié)儀及各種簡易調節(jié)器，應用于石油、化工、冶金、電力、輕工、紡織、醫(yī)藥、食品等工業(yè)部門。數字顯示調節(jié)儀按其結構可分為帶微處理器和不帶微處理器的兩種類

5、型，本書主要闡述不帶微處理器的簡易型數字顯示調節(jié)儀表。1.1 數字顯示調節(jié)儀表的特點和組成1.1.1 數字顯示調節(jié)儀表的特點數字顯示調節(jié)儀表得到如此廣泛的應用，主要由于它具有以下特點：（1） 用數碼管和光柱顯示測量值或偏差值，直觀明了，讀數方便，無視差；（2） 表內普遍采用中、大規(guī)模集成電路，線路簡單，可靠性好，耐振性強。由于采用先進的CMOS 模數（A/D）轉換器、線性集成電路和半導體發(fā)光器件（LED），所以電路穩(wěn)定、壽命長、耗電省，使用、維修方便；（3） 儀表采用模塊化設計方法，即不同品種的數字顯示調節(jié)儀，都是由為數不多的、功能分離的模塊化電路組合而成。這不僅有利于制造廠實現流水線生產，降

6、低生產成本，而且便于調試和維修；（4） 儀表品種繁多，配接靈活。儀表內設置不同的變換電路，即可輸入不同類型的測量信號，而配置不同的調節(jié)電路，則可輸出多種控制動作和報警信號；（5） 與熱電偶配套或與熱電阻溫度計配套的儀表均具有線性化電路。前者還具有冷端溫度補償的功能，后者考慮了外線電阻的補償，因而儀表的測量精度較高。在與差壓變送器連用的儀表中配置了開方運算電路，從而使儀表可直接顯示流量值；（6） 儀表除具有顯示、調節(jié)和報警功能外，還可用作變送器，輸出統(tǒng)一標準的電流信號（010mADC或420mADC）；（7） 船用型儀表能耐受振動、鹽霧等惡劣環(huán)境。耐大氣腐蝕型儀表允許在環(huán)境污染嚴重的場所使用；（

7、8） 儀表外形尺寸和開孔尺寸均按國家標準或國際IEC標準設計。1.1.2 數字顯示調節(jié)儀表的組成數字顯示調節(jié)儀表包括信號變換電路、放大電路、非線性校正或開方運算電路、A/D轉換和驅動器、標度變換電路、光柱電平驅動電路、電壓電流（V/I）轉換器以及各種調節(jié)電路。其構成原理如圖1.1.1所示。 信號變換電路是將來自各種檢測元件或變送器（例如熱電偶、熱電阻、霍爾壓力變送器、差壓變送器等）及電壓、電流信號轉換成一定范圍的電壓值。儀表具有多種信號變換模塊，以便與不同類型的輸入信號相配接。放大電路是將熱電偶的熱電勢或其它毫伏信號放大到伏級的幅度，以便使線性化電路或A/D 轉換器能正常工作。非線性校正（即線

8、性化）電路的作用是克服測溫元件（熱電偶、熱電阻）的非線性特性，以提高儀表的測量精度；開方運算電路的作用是將差壓信號轉換成流量值。A/D轉換和驅動器的任務是使連續(xù)變化的模擬量轉換成斷續(xù)變化的數字量，再加以驅動，以便直接點燃數碼管進行數宇顯示。數顯儀表通常采用位或位的CMOS A/D轉換芯片。 圖1.1.1 數字顯示調節(jié)儀表構成原理標度變換電路的作用是對被測信號進行量綱運算，從而使儀表能以絕對值形式真實地顯示被測參數的大小。標度變換的功能可由模數轉換的模塊來完成，也可以另設電路。光柱電平驅動電路是將信號與一組基準值比較，驅動一列半導體發(fā)光管，使被測值以光柱形式進行顯示。V/I轉換器的作用是將電壓信

9、號轉換成統(tǒng)一標準的直流電流信號010mA DC或420mA DC，從而使該系列儀表能同電動單元組合儀表、可編程調節(jié)器以及其它可接受標準電流信號的儀表或計算機控制裝置連用。調節(jié)電路接受偏差信號，并按一定規(guī)律運算后，輸出斷續(xù)的（繼電器觸點動作）或連續(xù)的（直流電流）控制信號。其調節(jié)方式有位式、時間比例和比例微分積分（PID）等幾種。以上這些電路是儀表功能部件的基本單元，即由其中的一個或幾個電路構成儀表的模塊，將幾個模塊組裝起來便成為一臺完整的數字顯示調節(jié)儀。1.2 數字顯示調節(jié)儀表的分類和命名1.2.1 數字顯示調節(jié)儀表分類我國數字顯示調節(jié)儀表的生產經過近十年的努力，品種規(guī)格已趨于齊全。按儀表功能可

10、分為顯示型、顯示報警型、顯示調節(jié)型和巡回檢測型四種，其外形圖見附錄4。顯示型儀表常與熱電偶、熱電阻和輻射感溫器配合，用來測量、顯示溫度；若與霍爾效應式壓力變送器或電阻應變壓力傳感器配合，可用來顯示壓力；若與差壓變送器配合，可用來顯示差壓或流量。顯示報警型儀表與變送器配合，除可顯示各種參數外，也用作有關參數的越限報警。顯示調節(jié)型儀表除具有測量、顯示功能外，還可將工藝參數控制在規(guī)定范圍之內。這類儀表的調節(jié)方式有以下幾種：繼電器接點輸出的二位調節(jié)、三位（狹中間帶和寬中間帶）調節(jié)，時間比例調節(jié)，連續(xù)PID調節(jié)。巡回檢測型儀表定時地對各路信號進行巡回檢測和顯示。1.2.2 數字顯示調節(jié)儀表型號命名法數字

11、顯示調節(jié)儀表的型號一般有三節(jié)：第一節(jié)有三位，以大寫漢語拼音字母表示儀表的名稱和類型。第二節(jié)由若干位拼音字母組成，表示儀表的某些附加功能和結構特點。第三節(jié)由三位阿拉伯數字和一位拼音字母組成，其中，第一位通常為1，表示一個被測量；第二位表示調節(jié)方式；第三位表示配接的檢測元件或傳感器、變送器的類型；拼音字母表示儀表的適用場合。儀表型號及其所表示的意義見表121 所示。型號示例：XMTAJ122表示數字顯示調節(jié)儀，帶變送輸出，面板尺寸為96mm X 96mm，三位調節(jié)，配接熱電阻。表1.2.1 數字顯示調節(jié)儀型號命名第一節(jié)第一位代號X意義顯示儀表第二位代號M意義模擬輸入數字式第三位代號ZTBD意義顯示

12、儀顯示調節(jié)儀顯示報警儀巡回檢測儀第二節(jié)若干位代號ABGJH意義帶變送輸出外供24V電源72×72()面板尺寸96×96()面板尺寸豎式面板(80×160)第三節(jié)第一位代號12意義顯示一個被測變量顯示二個被測變量第二位代號0123469意義對XMZ無意義對XMT為二位調節(jié)三位調節(jié)（狹中間帶）三位調節(jié)（寬中間帶）時間比例調節(jié)時間比例調節(jié)加二位調節(jié)連續(xù)PID加二位調節(jié)連續(xù)PID調節(jié)第三位代號123456意義配接熱電偶或輻射感溫器配接熱電阻配接霍爾壓力變送器配接電阻遠傳壓力計輸入電流電壓信號配接半導體熱敏電阻傳感器第四位代號CFK意義船 用耐 大 氣 腐 蝕開 方1.3

13、主要技術指標(1) 顯示方式 位或位LED數碼管顯示，最大讀數范圍為-1999+1999或-19999+19999（計量單位任選）；(2) 分辨率 末位1個字；(3) 精度等級 0.5級或0.2級；(4) 采樣速度 3次/s；(5) 輸入信號 熱電偶有E、K、S、B、T型等；熱電阻有Pt10、Pt100、Cu50、Cu100型；輻射感溫器為F2型；霍爾壓力變送器為020mV；電阻遠傳壓力計有YTZ150、YCD150、YTWR150型；電流、電壓輸入信號有010mA DC、420Ma DC、05V DC、15V DC等；(6) 外接和外線電阻 熱電偶型表外接電阻不大于100；熱電阻型表外線電阻

14、允許05（兩根導線電阻之差不大于基本誤差的110）；(7) 輸出方式 變送輸出：010mA DC（負載電阻1k）或420mA DC（負載電阻500），當負載電阻在01k（010mA信號制）和0500（420mA信號制）范圍內變化時，輸出變化不大于量程的0.5；繼電器接點輸出：容量，交流3A、220V（無感負載）；(8) 巡檢儀自動切換周期 10±2s；(9) 控制點偏差 ±0.5；(10) 設定范圍 上、下限設定范圍均為量程的0100，但下限設定值不得大于上限設定值；(11) 時間比例調節(jié) 比例帶范圍為220，連續(xù)可調；調節(jié)周期為40±10s；(12) 連續(xù)PID

15、調節(jié) 比例度（帶）約2.5%；積分時間約4min；微分時間的lmin；輸出電流信號為010mA DC或420mA DC；(13) 正常工作條件 溫度-10+50；相對濕度90（耐大氣腐蝕型為95）；大氣壓力86106kPa；(14) 電源電壓 ，50±2Hz；(15) 功耗 顯示型；調節(jié)型；(16) 外界對儀表技術指標的影響 電源電壓變化+10、-15時，示值變化不大于量程的0.25；共模干擾電壓為250V時，示值變化不大于量程的0.5；串模干擾電壓為50mV時，示值變化不大于量程的O.5；交流外磁場為400A/m時，示值變化不大于量程的0.25；外線電阻變化時，示值變化不大于量程的

16、0.25；環(huán)境溫度在 -10+50范圍內，每變化10，示值變化不大于量程的0.25。2 電 路 基 礎一臺完整的數字顯示調節(jié)儀包括多種模擬電路和數字電路，其中運算放大器和A/D轉換器是完成信號處理、模數轉換、調節(jié)報警等功能的主要器件。運算放大器擔負著放大、運算、比較和驅動等任務，A/D轉換器則將模擬輸入信號轉換成數字量。本章著重闡述這兩種器件的特性、原理、參數及使用。2.1 運算放大器運算放大器實質上是一種高性能的直接耦合放大器，它在測量技術、自動控制、儀器儀表等領域均有十分廣泛的應用。運算放大器按結構形式可分為分立型和集成型兩種。集成型器件發(fā)展極為迅速，儀表中現大多使用集成運算放大器。2.1

17、.1 運算放大器符號及主要參數運算放大器的符號如圖2.1.1所示。它有兩個輸入端和一個輸出端。在兩個輸入端中，一個稱為同相輸入端，用符號（）表示；另一個為反相輸入端，用符號（）表示。信號從同相端輸入時，輸出信號與輸入信號的相位差為零，即同相位；信號從反相端輸入時，輸出信號與輸入信號相位相差180°，即反相位。如果在同相端和反相端均輸入信號，則輸出與輸滿足以下關系式：V0=A0(Vp-Vn ) （2.1.1） 圖2.1.1 運算放大器符號其中，A0是放大器的電壓增益。集成運算放大器（簡稱集成運放）性能的好壞，可用一系列的參數來衡量。這些參數是選擇集成運放的依據。下面僅對集成運放的一些主

18、要參數進行簡要的介紹。A 開環(huán)電壓增益A0運算放大器在不加反饋時的輸出電壓增量(V0)與輸入差值電壓增量（Vi）之比稱為開環(huán)電壓增益，用A0表示： （2.l.2）如果用分貝表示，則開環(huán)電壓增益是集成運放的重要參數之一。開環(huán)增益越大越好，其值一般為70120dB。B 輸入失調電壓VOS對于實際的運算放大器，當輸入信號為零（兩個輸入端都接地）時，輸出端電壓不一定為零。我們稱輸入為零時的輸出電壓為輸出失調電壓。把輸出失調電壓換算到輸入端，即除以開環(huán)電壓增益，就是輸入失調電壓，用VOS表示。輸入失調電壓也可以這樣定義：即在運算放大器輸入端外加一直流補償電壓使放大器輸出電壓為零，此時外加的直流補償電壓就

19、是輸入失調電壓。C 輸入偏置電流IIb在零輸入（兩個輸入端都接地）時，運算放大器兩個輸入端的靜態(tài)偏置電流（IB1、IB2）的平均值稱為輸入偏置電流，以符號IiB表示：IiB（IB1+IB2） (2.1.3) 輸入偏置電流是集成運放的重要參數之一，它能反映放大器動態(tài)輸入電阻的大小。IiB越小，輸入電阻越大。D 輸入失調電流IOS對于實際的運算放大器，由于輸入級不可能完全匹配，因而兩個偏置電流也不相等。定義零輸入時兩個輸入偏置電流之差為輸入失調電流，即IOS=|IB1-IB2| （2.1.4）E 輸入失調電壓溫漂和電流溫漂對于實際的運算放大器，即使將輸入端接地，輸出電位也會隨時間而變，這種現象稱零

20、點漂移。零點漂移可分為溫度漂移和時間漂移。由于前者與放大器本身特性有關，而后者主要取決于外界條件，所以一般只給出溫度漂移。在規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內，單位溫度變化所引起的輸入失調電壓變化量稱為輸入失調電壓溫漂，以符號 表示；把單位溫度變化所引起的輸入失調電流的變化量稱為輸入失調電流溫漂，以符號表示。F 共模抑制比CMRR定義兩個輸入信號的平均值為共模輸入信號，以Vcm表示：其差（Vn-Vp）稱為差模信號。一個實際的運算放大器，當加以共模信號時，輸出端也有被“放大”了的共模信號輸出。共模信號的電壓增益稱為共模增益Acm，差模信號的電壓增益稱為差模增益（即開環(huán)增益A0)。差模增益與共模增益之比稱為共模

21、抑制比，以CMRR表示：CMRR （2.1.5）如果用分貝表示，則CMRR（dB）=20log集成運放的共模抑制比越大越好，通用型集成運放的CMRR約為70100dB。G 共模輸入電壓范圍 Vicm當輸入的共模電壓過大，破壞了放大器的正常工作狀態(tài)，使之飽和或截止，那么放大器就不再具有共模抑制能力了。我們稱運算放大器的正常工作狀態(tài)不被破壞，而在其兩個輸入端所允許加的最大共模電壓值為最大共模輸入電壓范圍。也可把共模抑制比（在規(guī)定的共模電壓下測得CMRR）下陣6dB時所加的共模電壓稱為運算放大器的最大共模輸入電壓。H 最大差模流入電壓Vidm運算放大器兩個輸入端所允許加的最大電壓差稱為最大差模輸入電

22、壓。Vidm比較小的運算放大器，有時需要外加差模保護電路。I 輸入阻抗Zi由于運算放大器有共模輸入與差模輸入兩種輸入方式，所以輸入阻抗也分差模輸入阻抗Zid與共模輸入阻抗Zicm兩種。前者是指兩個輸入端之間的阻抗，它等于運放的差模輸入電壓變化量與差模輸入電流變化量之比；后者則是兩個輸入端對地的阻抗。輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容，但在一般參數表中所給的只是輸入電阻，而且在不特別注明的情況下，所說的輸入阻抗均指差模輸入電阻Rid。J 輸出阻抗Z0在不加反饋時，運算放大器的輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比稱為輸出阻抗Z0。輸出阻抗的大小反映了放大器的負載能力，輸出阻抗越小越好。參數表中一般給出了

23、集成運放的輸出電阻R0值。K 開環(huán)帶寬fBW和單位增益帶寬GB運算放大器的開環(huán)電壓增益是頻率的函數。在直流或低頻下，開環(huán)增益是常數，隨著頻率的升高，開環(huán)增益下降。當開環(huán)增益下降到直流增益的0.707倍（-3dB）時的信號頻率，稱為運放的開環(huán)帶寬，或-3dB帶寬，以符號fBW表示。而開環(huán)增益降到1倍（0dB）時所對應的信號頻率稱為單位增益帶寬，或零分貝帶寬，以符號GB表示。L 最大輸出幅度Vp-p在額定電壓下，運算放大器所能輸出的最大峰 - 峰電壓，稱為最大輸出幅度，以Vp-p表示。M 靜態(tài)功耗PW在不接負載且輸入信號為零時，運算放大器本身所消耗的正、負電源的總功率稱為靜態(tài)功耗PW。一般通用型集

24、成運放的靜態(tài)功耗為幾十到上百毫瓦。N 電源抑制比PSRR當運算放大器的電源電壓變化時，其輸出電壓也發(fā)生變化。把輸出的變化換算到輸入端（即除以開環(huán)電壓增益）之后，就相當于輸入失調電壓的變化。定義運放供電電源的單位電壓變化所引起的輸入失調電壓的變化稱為電源抑制比，用PSRR表示：PSRR （2.1.6）電源抑制比表征著運放對電源變化的抑制能力，PSRR越小越好。2.1.2 理想運算放大器及其運算電路2.1.2.1 理想運算放大器具有理想參數的運算放大器稱為理想運算放大器，它的主要特點是：(1) 開環(huán)電壓增益A0；(2) 輸入阻抗Zi；(3) 輸出阻抗Z00；(4) 輸入失調電壓、輸入偏置電流、輸入

25、失調電流為零；(5) 共模抑制比CMRR；(6) 開環(huán)帶寬fBW。由于理想運算放大器的輸入阻抗為，所以它的靜態(tài)輸入偏置電流和從信號源汲取的電流都是零,又由于它的開環(huán)增益為，所以兩個輸入端的電壓差（VpVn）0。利用這兩點，可使運算放大器的電路分析變得非常簡便。事實上，在電路設計時只要選擇合適參數的集成運放，用理想運放來分析各種運算電路，所得的結果與實際情況是很接近的。2.1.2.2 運算電路在實際應用時，除了少數情況（如作比較器）之外，運算放大器都要接負反饋。這是因為，運算放大器的閉環(huán)特性，如閉環(huán)增益，主要取決于外接反饋網絡。因此，加接不同的反饋網絡，可使輸出與輸入成為不同的運算關系，例如比例

26、、加法、減法、微分、積分等，以獲得不同的運算功能。下面給出幾種常用的運算電路以及它們的輸入輸出關系（為簡便起見，電路中運算放大器的供電電源等未畫出）。A 比例運算電路（比例放大器）比例運算電路是運算放大器最為重要的應用之一。它有反相輸入的比例運算電路和同相輸入的比例運算電路兩種。如果信號從反相端輸入，放大器外接由Rr、Rf組成的反饋網絡，就構成了反相輸入比例運算電路如圖2.1.2所示。由于VnVp=0，即N點的電位近于地，而不能接地（如果接地，則輸入信號被短路），稱為“虛地”。所以有， 又因IBO；故Ii=If 可求得V0 = （2.1.7）由上式可知，電路的輸出與輸入之間成比例關系，兩者的相

27、位相反。 圖2.1.2 反相輸入比例運算電路 圖2.1.3 同相輸入比例運算電路若信號從同相端輸入，再將圖2.1.2中Rr的一端接地，就成了同相輸入的比例運算電路，如圖2.1.3所示。因為Vp = Vi 而 VnVp 故 又 , 且IiIf可求得 （2.1.8）式（2.1.8）表明，電路的輸出與輸入之間同樣成比例關系，但兩者的相位相同。反相輸入和同相輸入運算電路的比例系數相差無幾，特別是在高放大倍數時，兩者更為接近，只不過它們的相位差為180°。從上面的電路分析可知，運算放大器加接反饋網絡后，電路特性只取決于反饋網絡的特性，而與放大器本身無關。B 加法運算電路加法運算電路是比例放大器

28、的延伸，圖2.1.4為反相輸入的三路加法電路。它的基本原理是電流求和。由于N點可看作為“虛地”，所以， 又 I1I2I3= If 所以 若取 R1R2R3R 則 （2.1.9）上式表明，圖2.1.4電路的輸出與它的各路輸入的代數和成比例關系，從而實現了加法運算功能。圖214加法運算電路 圖215 減法運算電路C 減法運算電路差動放大器具有減法運算功能。如圖2.1.5所示，兩個信號分別從運放反相端和同相端輸入，再加接反饋網絡，就構成了減法運算電路。由圖可知： 由Ii=If,可得 又 Vn Vp從以上三式可求得 若取， 則 （2.1.10）從式（2.1.10）可看出，圖2.1.5的電路輸出與兩輸入

29、信號的差成比例關系。D 積分運算電路在加法或減法運算電路中，放大器的反饋網絡是純電阻。如用電容、電感之類的元件代替電阻作反饋元件，就能構成微、積分等運算電路。圖2.1.6是一個輸出與輸入呈積分關系的運算電路。由于N點可看作為“虛地”，所以 ， 又 IR = IC所以 （2.1.11）這表明，圖2.1.6的電路能完成積分運算的功能。圖2.1.6 積分運算電路 圖2.1.7 微分運算電路E 微分運算電路將圖2.1.6電路中的電阻R和電容C的位置互換，就構成了如圖2.1.7所示的微分運算電路。由圖2.1.7可知： ， 又IC = IR所以 顯然，圖2.1.7電路的輸出與輸入信號的微分成比例關系。通過

30、對上述幾個電路的分析可以看出，每一種運算電路，均是由運算放大器和反饋網絡兩部分組成，而電路的運算關系則由反饋網絡決定。因此，適當交換反饋網絡的結構，就可構成不同運算功能的實用電路。2.1.3 集成運算放大器接法和使用要點集成運放分為通用型（例如A741）和專用型兩類。專用型又有低漂移（例如ICL7650）、高阻型（例如CA3140）、高速型（例如LM318）、低功耗型（例如 LM4250）等。使用時，應根據實際需要來選擇集成運放的類型。集成運放的型號和參數可在有關手冊中查得。不管哪一種集成運放，在用作運算電路（或信號放大器）時，除了需外接反饋網絡外，還應接上正、負工作電源、調零電路，有時還要加

31、接校正網絡，電路才能正常工作?，F例舉兩種電路的接法。圖2.1.8和圖2.1.9分別為反相輸入比例放大器和同相輸入比例放大器的實際電路。集成運放分別采用A725（DG725）和A741（F007），電源電壓約為±15V。圖中100k和10k電位器用來調零，以消除失調電壓影響。470電阻和0.01F電容的作用是防止電路自激振蕩。 圖2.1.8 反相輸入比例放大器 圖2.1.9 同相輸入比例放大器運放A741內部己有校正網絡，故無需外接。R*為輸入端平衡電阻，其阻值分別為 Rr/Rf和Rfl/Rf2。使用集成運放應注意以下幾點：(1) 按產品說明書連接引腳，接上合適的工作電壓 不同型號的集

32、成運放，其引腳及工作電壓可能各不相同，因此，使用前必須搞清各引腳的意義，按規(guī)定連接，以免造成集成運放不應有的損壞。有些集成運放的工作電壓有一定范圍，例如±5V和±20V，這時要注意選擇合適的工作電壓，并配用適宜的外接電阻及電位器。(2) 調整零位，克服失凋電壓的影響 使運放的輸入為零，調節(jié)調零電位器，將集成運放的輸出電壓調至零。然后鎖緊電位器或換上固定電阻。如果失調電壓過大，以致按上述方法不能將輸出電壓調到零，這時最好另行挑選運放。如無備件，也可采用改變外接平衡電阻的阻值或加大調零電位器的阻值等方法來實現零位調整。但是，若運放輸出電壓為兩個極限狀態(tài)（接近正、負電源電壓），或

33、輸出雖不為極限值，但調節(jié)調零電位器卻不起作用，則可能接線有錯誤，或有虛焊點，也可能器件內部損壞。(3) 接上校正網絡，消除自激振蕩 如不能消除，則可試用小電容并聯于反饋電阻，或在兩個輸入端間試加小電容或RC支路。如仍不能消除振蕩現象，則應查找其它原因，如外界干擾等。除此之外，為了避免損壞集成運放，可在輸入端并上兩個反向并接的二級管，在輸出端并上兩個反向串接的穩(wěn)壓管，以限制輸入、輸出電壓的幅度；在電源端串接二極管，防止電源極性接反而造成的損壞。2.2 AD轉換器A/D轉換器的品種很多，常用的有以下幾種：雙積分型（VT轉換型）、脈沖寬度調制型、電壓頻率轉換型（V/F轉換型）和逐次逼近比較型前三者屬

34、于間接型，即模擬量（電壓）首先轉換成某一個中間量（時間間隔T或頻率F），再由中間量轉換成數字量。后一種為直接型。即將模擬量直接轉換成數字量。數字顯示儀表大多使用間接型的器件，本節(jié)主要討論雙積分型A/D轉換器。2.2.1 AD轉換器工作原理和主要參數2.2.1.1 工作原理雙積分型A/D轉換器的轉換原理框圖如圖2.2.1所示。它先將輸入模擬電壓變換成與其平均值成正比的時間間隔，然后在此時間間隔內，計數器對時鐘脈沖計數，所計得的數便是模數轉換結果。A/D轉換的工作過程分為采樣和測量兩個階段。開始工作前，控制電路使開關K接地，積分器輸出為零，電路處于休止狀態(tài)。圖 2.2.1 雙積分A/D轉換器原理圖

35、(1) 采樣階段 控制電路將開關K與被測電壓Vx接通， 圖2.2.2 雙積分轉換器積分器對Vx積分，同時使計數門打開，計數器計數。在被測電 的主要波形壓為直流電壓或變化緩慢的電壓時，積分器將輸出一斜變電壓，其方向取決于Vx的極性，例如Vx為負，則輸出波形向上斜變（見圖2.2.2）。經過一固定時間T1后，計數器達到滿量限N1值，復零而送出一個溢出脈沖。此溢出脈沖使控制電路發(fā)出信號將K接向與被測電壓極性相反的基準電壓+VR，至此采樣階段結束。此階段的特點是采樣時間T1是固定的，而積分器最后輸出的電壓V0值取決于被測電壓Vx的平均值。(2) 測量階段 當K接向+VE后，積分器開始反方向積分（第二次積

36、分），使其輸出電壓從原來的V0值向零電平方向斜變。與此同時，計數器又從零開始計數。當積分器輸出電壓達到零時，檢零器動作，發(fā)出關門信號，計數器停止計數，所計得的數為N2，N2就代表了輸入電壓的數值。這個階段的特點是被積分的電壓是固定的基準電壓VR，因此積分器輸出電壓的斜率固定，而計數值N2所對應的積分時間T2則取決于VO之值。如果V0的幅值小，則積分時間就短。如波形圖中的T2（見圖2.2.2）。由上分析可知，輸入電壓Vx決定了定時積分的最后輸出值V。，而V0又決定了第二次積分時間T2，從而也就決定了輸出數字值N2。N2與Vx的關系推導如下：在采樣階段，積分器從零開始積分，經T1時間，其輸出為：

37、Vx在T1期間的平均值為 則 （2.2.1）在測量階段，積分器最終輸出為 由于VR為常數，所以 （2.2.2）這說明在T1和VR均為常數的情況下，測量階段的時間間隔T2正比于輸入電壓的平均值。設計數器輸入的時鐘脈沖周期為Tc，則 T1 = N1TC， T2 = N2TC所以 (2.2.3)上式表明，計數器輸出的數字值N2（即A/D轉換結果）與輸入電壓的平均值Vx成比例關系。2.2.1.2 主要參數A/D轉換器的特性參數有很多，這里僅對幾個主要參數作一簡要的說明。轉換誤差（或精度）：是指A/D轉換結果的實際值與真實值之間的偏差。用偏差的絕對值或滿量程的百分數來表示。轉換誤差包括量化誤差（因量化單

38、位有限所造成的誤差）、偏移誤差（零輸入信號時輸出信號的數值）、量程誤差（轉換器在滿度值時的誤差）、非線性誤差（轉換特性偏離直線的程度）等。轉換時間（或轉換速率）：A/D轉換器從啟動工作到轉換結束（即完成一次模數轉換）所需的時間稱為轉換時間。這個指標也可表述為轉換速率，即A/D轉換器在每秒鐘內所能完成的轉換次數。雙積分型A/D芯片的轉換速率通常為每秒幾次到幾十次。分辨率（或位數）：是指AD轉換器所能分辨的被測量的最小值，它等于模擬輸入量的滿度值除以輸出數字的最大值?？梢?，分辨率與輸出數字位數有直接關系，因此也可用輸出位數的多少來反映分辨率的大小。雙積分型A/D芯片的位數(BCD碼)通常有位和位，

39、其分辨率分別為輸入量的1/2000和1/20000。上述指標是選擇A/D轉換器的主要依據，因為這些指標直接影響儀表的測量、控制精度和響應速度。2.2.2 7107 A/D轉換器2.2.2.1 7107的特點和引線功能7107是CMOS單片位（BCD碼）AD轉換器，該芯片具有以下特點：(1) 集成度高 電路內部包括雙積分A/D轉換器所必須的全部有源器件，即運算放大器、模擬開關和數字電路，設有自動校零和自動極性轉換電路，并且內含時鐘振蕩器、基準電壓、7段譯碼器和LED驅動器，可直接與數碼管連接，使用方便；(2) 轉換誤差小 總誤差小于±1個字；(3) 輸入阻抗高 約為1010，故信號損耗

40、小；(4) 轉換速率13次/s 該速率能滿足一般數字顯示儀表的需要；(5) 功耗低 在±5V電源條件下，芯片功耗小于15mW（不包括LED）；(6) 整機組裝方便 無需外接有源器件，且所用無源元件在市場上極易購得。 圖2.2.3 7107的典型應用線路7107采用40引腳雙列直插式封裝，其引線端子排列見圖2.2.3。該芯片各端子功能說明如下:文檔可自由編輯打印V+電源（正）V-電源（負）POL極性顯示BP公共電極INT外接積分電容BUFF一外接積分電阻A/Z外接校零電容IN+輸入電壓（正）IN-輸入電壓（負）OSC1、2、3時鐘振蕩器外接元件A1G1個位數段驅動信號A2G2十位數段驅

41、動信號A3G3百位數段驅動信號AB4千位數段驅動信號COM一模擬公共端C-REF基準電壓寄存電容（負）C+REF基準電壓寄存電容（正）VREF-基準電壓（負）VREF+基準電壓（正）TEST數字地設置及測試（接+5V時，所有段被點亮，顯示1888）2.2.2.2 7107的工作原理7107的原理如圖2.2.4(a)、(b)所示。該芯片包括了AD轉換所需的模擬電路和數字電路兩大部分。模擬電路有跟隨器、積分器、模擬開關、基準（參考）電壓源等，如圖2.2.4(a)所示，數字電路有內部時鐘振蕩器、邏輯控制電路、十進制計數器、鎖存器、譯碼器及LED驅動器，如圖2.2.4(b)所示。 圖2.2.4 710

42、7 A/D轉換器原理框圖(a)7107完成一次轉換需要三個階段，即：（1）自動校零；（2）被測電壓積分I（3）基準電壓積分。(1) 自動校零階段 在此階段AZ（自動校零）開關接通，INT（被測電壓積分）和DE（基準電壓積分）開關斷開。此時內部電路與被測電壓脫開，跟隨器和積分器的同相端（即7107的兩個輸入端）與模擬公共端COM短接；積分器和比較器構成全閉環(huán)，它們的失調電壓和跟隨器的失調電壓寄存在校零電容CAZ上；同時基準電壓寄存電容CREF充電，其電平充到基準電壓的大小。(2) 被測電壓積分階段在此階段DE和A/Z開關斷開， 圖2.2.4 7107 A/D轉換器原理框圖(b)而INT開關接通。

43、電路開始對轉換器兩輸入端IN+和IN-之間的模擬電壓進行積分。輸入電在的共模范圍很寬，但是如果輸入電壓與電源之間沒有回路，IN-端可接到COM端，以建立正確的共模電壓。本階段最后要判別出被測電壓的極性。(3) 基準電壓積分階段本階段一開始，根據前一階段對被測電壓極性的判斷，接通DE（+）或DE（-）開關。若輸入電壓為正，則接通DE（+）開關，反之，則接通DE（-）開關，以保證積分器輸出回到零。積分器回到零電平所需要的時間與被測電壓大小成比例，而輸出讀數的大小則由該段時間所決定，其值為l000VINVREF。三個階段的時間分配如圖2.2.5所示。時鐘信號先經4分頻再送入十進制計數器， 圖2.2.

44、5 7107一個轉換周期時間分配示意圖即每計一個數需要4個時鐘脈沖。被測電壓積分階段需要4000個時鐘周期（1000個計數）?；鶞孰妷悍e分階段需要 08000個時鐘周期（02000個計數）之間。自動校零階段最少需4000個時鐘周期（1000個計數），最長可達 12000個時鐘周期。在對基準電壓反向積分時，只要積分器輸出一過零，就開始校零階段。每個轉換周期總共16000個時鐘周期（4000個計數）。本電路的時鐘頻率可在1648kHz之間選擇，其轉換速率為13次s。2.2.2.3 7107的工作條件和元件選擇7107的典型應用線路如圖2.2.3所示。A 時鐘信號和振蕩元件7107的時鐘信號有三種形

45、式，即外部時鐘（信號從OSC1輸入）；外接晶體；外接RC相移網絡。見圖 2.2.6。在用外部時鐘時，輸入信號加在TEST和OSC1之間，振蕩幅度約5V。如果用RC振蕩，一般電容 C取50pF，電阻值R可由下式估算： 圖2.2.6 7107的振蕩線路時鐘頻率在1648kHZ范圍內選擇，為了抑制工頻干擾，時鐘頻率應取50Hz的整數倍。對于48 kHz的時鐘頻率（每3次/s讀數），R = 180k。16kHz時，R = 560k。B 基準電壓及其寄存電容基準電壓值VREF應根據下式選擇：要得到滿量程輸出1999，應取。對于200mV和2V的基本量程來說，基準電壓分別取100mV和lV。對于其它的量程

46、，只要傳感器的滿度輸出在200mV2V 圖2.2.7 基準電壓電路圖之間，取其電壓的一半作為基準電 (a)利用內部基準電壓源；(b)外接齊納穩(wěn)壓管作基準電壓源壓，就能取得2000個刻度的對應 (c)外接能隙基準電壓源值。例如某電子秤系統(tǒng)，希望在傳感器的輸出電壓為0.682V時出現1999的讀數，只要取0.341V的基準電壓就可以了。如果對溫度漂移要求不十分嚴格，可利用電路內部的基準，用外接電位器調節(jié)，如圖2.2.7(a)所示。但為避免溫度漂移所造成的誤差，通常采用具有溫度補償的外接基準穩(wěn)壓源，如圖2.2.7(b)、(c)所示。圖(b)使用齊納穩(wěn)壓管。圖(c)由高精度低漂移能隙基準穩(wěn)壓源（例如MC1403）供電，可獲得精密的電壓基準?；鶞孰妷旱募拇骐娙菀话闳REF = 0.