《傳感器與智能儀表》-顯示儀表的應(yīng)用 課件

任務(wù)二顯示儀表的使用單元一顯示儀表的認(rèn)知單元二顯示儀表的使用

單元一：顯示儀表的認(rèn)知任務(wù)描述：1、了解石灰窯爐自動控制系統(tǒng)工藝過程，清楚需要檢測控制的溫度范圍。2、了解各類溫度傳感器；掌握熱電偶的特性和溫度補償。3、了解模擬顯示儀表、數(shù)字顯示儀表的結(jié)構(gòu)、工作原理和功能特點。

石灰石既可用于生產(chǎn)水泥，也可作為煉鐵用的熔劑，還可再鍛燒成石灰，供煉鋼、化工、鐵合金、電石等行業(yè)使用。

我國雖然是能源大國，但由于工藝落后，尤其是舊窯型和土燒石灰窯污染大、質(zhì)量差、能耗高、產(chǎn)量低，達不到煉鋼對白灰的質(zhì)量要求，與世界上機械化全自動化煅燒相比，差距相當(dāng)大，目前我國白灰窯70%是無任何環(huán)保措施的土窯，受地方保護得以生存，但各地區(qū)嚴(yán)重的各類工業(yè)污染問題已引起國家的高度重視，因此淘汰土燒白灰窯，建造我們自己的具有節(jié)能、環(huán)保、高效的現(xiàn)代化白灰窯既是國家環(huán)保的要求也是目前我國現(xiàn)在數(shù)十萬家石灰生產(chǎn)企業(yè)勢在必行的舉措。知識點1：石灰窯爐自動控制系統(tǒng)引入傳統(tǒng)石灰窯沒有有效的布料、混料、通風(fēng)等設(shè)備，使?fàn)t內(nèi)溫度無法有效控制、時常出現(xiàn)嚴(yán)重的生燒、過燒現(xiàn)象，停風(fēng)出灰間隔時間太長，每次排料從開始到結(jié)束成品的質(zhì)量差別很大，排料時出現(xiàn)大量紅料、結(jié)瘤和生燒、過燒產(chǎn)品，因此產(chǎn)品活性度及品質(zhì)無法保證。而且傳統(tǒng)的石灰生產(chǎn)工藝主要由人工來操作，工作環(huán)境條件惡劣，勞動強度大，嚴(yán)重影響工人身心健康；由于人工操作水平不一，生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量極不穩(wěn)定。因此在改進窯爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備的同時，采用先進的自動控制系統(tǒng)，對提高石灰的產(chǎn)量及質(zhì)量，都具有十分重要的意義。石灰窯生產(chǎn)的原料主要是石子（石灰石），成品是生石灰。把合格的原料和燃料按設(shè)定的比例，用電子稱準(zhǔn)確稱量后，通過中間皮帶機進行均勻混合，經(jīng)由電子主令控制器定位控制的卷揚機把混合料運至爐頂受料斗，通過電磁振動給料機均勻定量給料，由爐頂旋轉(zhuǎn)布料器完成爐內(nèi)布料。物料靠自重克服煤氣氣流的浮力而緩慢向下運動，相繼通過預(yù)熱帶、煅燒帶、冷卻帶。成品經(jīng)圓盤出灰機和兩段閥出灰機輸送到成品皮帶機上，由提升料斗送至成品倉。整個系統(tǒng)分為：混料部分、上料系統(tǒng)、布料部分、窯體部分、排礦部分、成品倉及除塵等。石灰窯爐自動生產(chǎn)監(jiān)視系統(tǒng)1.硬件系統(tǒng)

2.軟件系統(tǒng)組態(tài)王Kingview。

北京亞控科技發(fā)展有限公司的組態(tài)王軟件是一種通用的工業(yè)監(jiān)控軟件，它融過程控制設(shè)計、現(xiàn)場操作以及工廠資源管理于一體，將一個企業(yè)內(nèi)部的各種生產(chǎn)系統(tǒng)和應(yīng)用以及信息交流匯集在一起，實現(xiàn)最優(yōu)化管理。它基于MicrosoftWindowsXP/NT/2000操作系統(tǒng)，用戶可以在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的所有層次的各個位置上及時獲得系統(tǒng)的實時信息。3、主要功能：1．?dāng)?shù)據(jù)采集與顯示2．在線性能計算

3．制表打印4．報警

任務(wù)分析：

在石灰窯爐自動生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，爐溫的顯示與控制是關(guān)鍵問題之一，本任務(wù)通過了解溫度檢測儀表及數(shù)字顯示儀表等相關(guān)知識點，實現(xiàn)對石灰窯爐爐溫的顯示。目前煅燒溫度工藝參數(shù)為950-1150℃，在實際生產(chǎn)中，煅燒溫度在1050℃左右。

共有6個測溫點（1#、2#、3#窯窯尾各一個點、沉降室3個點）在使用該測量系統(tǒng)，如圖所示：

溫度傳感器溫度傳感器按照用途可分為基準(zhǔn)溫度計和工業(yè)溫度計；按照測量方法又可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等等；按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測型等。知識點2溫度檢測儀表認(rèn)知

（1）體積熱膨脹式

不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。

氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比（2）紅外溫度計激光瞄準(zhǔn)（3）模擬型集成溫度傳感器

電流輸出型溫度傳感器能產(chǎn)生一個與絕對溫度成正比的電流作為輸出，AD590是電流輸出型溫度傳感器的典型產(chǎn)品。

AD590的基本轉(zhuǎn)換電路電流-電壓轉(zhuǎn)換電路（10mV/K）

增加負(fù)載電阻的阻值可提高輸出電壓。電壓輸出型集成溫度傳感器LM35/45的外形及引腳圖在電腦中，集成溫度傳感器用于CPU散熱保護電路散熱風(fēng)扇集成溫度ICCPU插座CPU散熱片（4）數(shù)字輸出型集成溫度傳感器

單片集成溫度傳感器能將測溫PN結(jié)傳感器、高精度放大器、多位A/D轉(zhuǎn)換器、邏輯控制電路、總線接口等做在一塊芯片中，可通過總線接口，將溫度數(shù)據(jù)傳送給諸如單片機、PC、PLC等上位機。數(shù)字輸出型溫度傳感器18B20采用I2C總線，12位數(shù)字量輸出。

（5）熱電偶

1、它屬于自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表；

2、測溫范圍廣：下限可達-180

C，上限可達2800

C以上；3、各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計量委員會的標(biāo)準(zhǔn)。熱電偶工作原理:結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢，該電動勢稱為熱電勢。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB熱電勢的大?。簾犭娕純山Y(jié)點所產(chǎn)生的總的熱電勢等于熱端熱電勢與冷端熱電勢之差，是兩個結(jié)點的溫差Δt

的函數(shù)：EAB(T，T0)=eAB(

T)-eAB(

T0

)結(jié)論：熱電勢大致與兩個結(jié)點的溫差ΔT或Δt

成正比熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)：

八種國際通用熱電偶：

B:鉑銠30—鉑銠6

R:鉑銠13—鉑

S:鉑銠10—鉑

K:鎳鉻—鎳硅

N:鎳鉻硅—鎳硅E:鎳鉻—銅鎳、

J:鐵—銅鎳T:銅—銅鎳

用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢

分度號

名稱

測量溫度范圍

1000

C熱電勢/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820

C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768

C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768

C9.587K鎳鉻－鎳鉻(鋁)-270～1370

C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800

C——5種熱電偶的測溫范圍與熱電勢各有什么特點？①哪幾種熱電偶的測溫上限較高？

④哪幾種熱電偶的線性較差？②哪一種熱電偶的靈敏度較高？

③哪一種熱電偶的靈敏度較低？為什么所有的曲線均過原點（零度點）？幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析:

熱電偶的分度表:

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標(biāo)”（簡稱ITS-90）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對應(yīng)。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0

。如何利用熱電偶的分度表

假設(shè)熱電偶的冷端溫度為0

C，請工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表，查出-100℃、0℃、

100℃

時的熱電勢。數(shù)字式溫度表溫度上限設(shè)定值溫度上限值設(shè)定鍵K熱電偶的分度表

比較查出的3個熱電勢，可以看出熱電勢是否線性？如何由熱電偶的熱電勢查熱端溫度值

設(shè)冷端為0

C，根據(jù)以下電路中的毫伏表的示值及K熱電偶的分度表，查出熱端的溫度tx。裝配型熱電偶的外形:安裝螺紋安裝法蘭接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護管

普通裝配型熱電偶的結(jié)構(gòu)放大圖

鎧裝型熱電偶

鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護管中、運用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當(dāng)長度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細(xì)長的鎧裝熱電偶。

鎧裝熱電偶特點：內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì)，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。

鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面隔爆型熱電偶

結(jié)構(gòu)特點：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計時采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機構(gòu)強度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進行密封，因此，當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放弧時，不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆，能達到預(yù)期的防爆、隔爆效果。

使用場合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場常伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。隔爆型熱電偶外形厚壁保護管壓鑄的接線盒電纜線其他熱電偶外形小形K型熱電偶熱電偶冷端的延長:

采用相對廉價的補償導(dǎo)線，可延長熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設(shè)。

型號配用熱電偶正-負(fù)導(dǎo)線外皮顏色正-負(fù)SC鉑銠10-鉑紅-綠KC鎳鉻-鎳硅紅-藍WC5/26鎢錸5-鎢錸26

紅-橙補償導(dǎo)線在0～100

C范圍內(nèi)的熱電勢與配套的熱電偶的熱電勢相等，所以不影響測量精度。補償導(dǎo)線型號（續(xù)）型號配用熱電偶正-負(fù)型號導(dǎo)線外皮顏色正-負(fù)100℃時的熱電勢/mVRCR（鉑銠13—鉑）RC紅-綠0.647NCN（鎳鉻硅—鎳硅）NC紅-黃2.744EXE（鎳鉻—銅鎳）EX紅-棕6.319JXJ（鐵—銅鎳）JX紅-紫5.264TXT（銅—銅鎳）

TX紅-白4.279補償導(dǎo)線外形

A’B’屏蔽層保護層熱電偶的冷端溫度補償:

必要性：1、用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時，必須滿足t0=0℃的條件。在實際測溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣t0不但不是0℃，而且也不恒定，因此將產(chǎn)生誤差。2、一般情況下，冷端溫度均高于0℃

，熱電勢總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補償熱電偶的冷端損失。冷端溫度補償?shù)姆椒ɡ涠撕銣胤ǎ簩犭娕嫉睦涠酥糜谘b有冰水混合物的恒溫容器中，使冷端的溫度保持在0℃不變。此法也稱冰浴法，它消除了t0不等于0℃而引入的誤差，由于冰融化較快，所以一般只適用于實驗室中。

計算修正法

當(dāng)熱電偶的冷端溫度t0

0

C時，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電勢EAB（t，t0）與冷端為0℃時所測得的熱電勢EAB（t，0℃）不等。若冷端溫度高于0℃，則EAB（t，t0）<EAB（t，0℃）。可以利用下式計算并修正測量誤差：

EAB（t，0℃）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0℃）儀表機械零點調(diào)整法

用螺絲刀調(diào)節(jié)儀表面板上的“機械零點”，使指針指到氣溫t0（圖中為40

C）的刻度上。機械零點指針被預(yù)調(diào)到室溫（40

C）可補償冷端損失電橋補償法

XT-WBC熱電偶冷端補償器電橋補償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，可購買與被補償熱電偶對應(yīng)型號的補償電橋。

顯示儀表直接接收檢測元件及變送器或傳感器的輸出信號，連續(xù)地顯示、記錄生產(chǎn)過程中各個被測參數(shù)的變化情況。按顯示方式不同，現(xiàn)實儀表分為模擬式、數(shù)字式和圖像式三種。3知識點3：顯示儀表思考問題數(shù)字顯示儀表主要由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？智能數(shù)字顯示儀表主要功能及特點？模擬式顯示儀表資訊動圈式顯示儀表的精度為1.0級，其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、靈敏可靠、維修方便，體積小、重量輕，是我國中小企業(yè)廣泛使用的常規(guī)儀表。一、動圈式顯示儀表動圈式顯示儀表動圈表可以與熱電偶、熱電阻、壓力變送器、差壓變送器及流量變送器等相配合，用來指示工業(yè)對象的溫度、壓力和流量等參數(shù)。各種被測參數(shù)只要通過傳感器或變送器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，就可由動圈表直接進行顯示。動圈表按功能分有指示型和調(diào)節(jié)型兩大類，其型號分別為XCZ和XCT。其中X表示顯示儀表；C表示動圈式、磁電系；Z表示指示型；T表示調(diào)節(jié)型。與熱電偶配合使用的動圈表，其型號為XCZ-101或XCT-101；與熱電阻配合使用的動圈表，其型號為XCZ-102和XCT-102；與霍爾變送器配合使用的動圈表，其型號為XCZ-103或XCT-103；與滑線式壓力計配合使用的動圈表，其型號為XCZ-104或XCT-104。

一、動圈式顯示儀表測量線路接受來自檢測儀表的信號，驅(qū)動可逆電機轉(zhuǎn)動，它一方面帶動測量線路中的平衡機構(gòu)重新平衡，另一方面帶動指示和記錄機構(gòu)進行顯示記錄。自動平衡式顯示儀表按測量線路的不同，分為電子電位差計和電子平衡電橋兩種。

自動平衡式顯示儀表二、自動平衡式顯示儀表

1.電子電位差計

電子電位差計原理圖熱電偶測量橋路放大器可逆電機指示機構(gòu)記錄機構(gòu)同步電機穩(wěn)壓電源電子電位差計方框圖

電子電位差計是用來測量毫伏級電壓信號的顯示記錄儀表?？梢院蜔犭娕寂涮资褂脺y量溫度，也可以測量其他能轉(zhuǎn)換成電壓信號的各種工藝參數(shù)。與熱電偶配用時，可根據(jù)標(biāo)尺上指針或記錄筆的位置讀得測量結(jié)果，從而實現(xiàn)對溫度的自動連續(xù)的檢測、顯示和記錄。二、自動平衡式顯示儀表

2.電子平衡電橋二、自動平衡式顯示儀表

電子自動平衡電橋通常與熱電阻配用來測量、指示和記錄溫度，也可以與其他電阻型變送器配用，測量、顯示、記錄與之相對應(yīng)的工藝參數(shù)。其靈敏度和精度較高，應(yīng)用十分廣泛。二、聲光式顯示儀表XXS-10型閃光報警儀聲光式顯示儀表是以聲音或光柱的變化反映被測參數(shù)超越極限或模擬顯示被測參數(shù)的連續(xù)變化的儀表。其中，應(yīng)用最廣泛的是反映被測參數(shù)超越極限時，進行聲光報警的閃光信號報警器。數(shù)字顯示儀表

數(shù)字式顯示儀表是能將被測的連續(xù)電量(模擬量)自動地變成斷續(xù)量,然后進行數(shù)字編碼,并將測量結(jié)果以數(shù)字顯示的電測儀表。

A/D變換器電子計數(shù)器顯示器模擬量數(shù)字量讀出數(shù)字式顯示儀表方框圖輝光數(shù)碼管示意圖27數(shù)碼管顯示器（LＥＤ）液晶顯示器（LCD）能夠同時顯示多種形式的信息，文字、圖形等適合顯示動態(tài)的信息顯示形象化，格式靈活一、數(shù)顯表的特點及基本功能1.數(shù)字式顯示儀表的特點

與模擬式顯示儀表相比，普通數(shù)字式顯示儀表具有以下特點：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，測量精度高、靈敏度高；（2）測量速度快，從每秒幾十次到每秒上百萬次；（3）數(shù)字顯示，讀數(shù)清晰、直觀、準(zhǔn)確、方便，可以方便地實現(xiàn)多點測量；（4）便于與計算機聯(lián)用。一、數(shù)顯表的特點及基本功能2.數(shù)字式顯示儀表的基本功能

（1）輸入信號一般為電壓、電流或頻率脈沖信號及開關(guān)信號等。（2）以0～9數(shù)字形式及其單位符號顯示被測參數(shù)的測量值。（3）可對被測參數(shù)自動測量和顯示，可對被測參數(shù)設(shè)定報警，當(dāng)被測參數(shù)達到設(shè)定值時可輸出控制信號。并可進行多點測量、顯示、報警、輸出控制信號。一、數(shù)顯表的特點及基本功能3.數(shù)字式顯示儀表的分類

按輸入信號分：有電壓型和頻率型兩大類；按測量顯示的點數(shù)分：有單點顯示和多點顯示兩大類；按功能分：有數(shù)字顯示儀、數(shù)字顯示報警儀、數(shù)字顯示輸出儀、數(shù)字顯示記錄儀、數(shù)字顯示報警輸出記錄儀等。

二、數(shù)顯表的構(gòu)成及原理

普通數(shù)字式顯示儀表由前置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）、非線性補償、標(biāo)度變換和顯示裝置等部分組成。其中A/D轉(zhuǎn)換、非線性補償和標(biāo)度變換的順序是可以改變的，可組成適用于各種不同場合的數(shù)字式顯示儀表。數(shù)字式顯示儀表原理框圖

三、巡測儀

數(shù)字巡回測量儀表(巡測儀)能對多個熱工測點進行巡回測量顯示，實現(xiàn)一表多用。數(shù)字巡測儀表品種較多，有十幾點到幾十點的單一參數(shù)或多參數(shù)的小型數(shù)字巡測儀，也有幾百點的大型巡測儀。數(shù)字巡測儀的采樣系統(tǒng)

四、智能顯示儀表

以CPU為核心的新型顯示儀表——智能化的顯示儀表已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。智能式顯示儀表包括智能數(shù)顯表和圖像顯示儀表，后者常稱為無紙記錄儀或電子記錄儀。無紙記錄儀就是直接把工藝參數(shù)的變化量，以文字、圖形、曲線、字符等多種方式在屏幕上進行顯示的儀表。四、智能顯示儀表

無紙記錄儀有紙記錄儀無紙記錄儀顯示界面31679/6/2023

模擬量：溫度、濕度、壓力、流量、速度等。從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（簡稱A/D轉(zhuǎn)換），實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電路叫做A/D轉(zhuǎn)換器（簡稱ADC）；從數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換（簡稱D/A轉(zhuǎn)換），實現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器（簡稱DAC）。

知識點4：數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換689/6/2023

典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖699/6/2023

A/D轉(zhuǎn)換目標(biāo)：將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號。四個步驟：采樣、保持、量化、編碼。采樣與保持：

（1）將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時間上離散的模擬量稱為采樣。一、A/D轉(zhuǎn)換基本原理A/D轉(zhuǎn)換709/6/2023

取樣定理：設(shè)取樣脈沖s(t)的頻率為fS，輸入模擬信號x(t)的最高頻率分量的頻率為fmax，必須滿足fs≥2fmaxy(t)才可以正確的反映輸入信號(從而能不失真地恢復(fù)原模擬信號)。通常取fs＝（2.5～3）fmax。

719/6/2023

（2）由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓保持一段時間。

s(t)有效期間，開關(guān)管VT導(dǎo)通，uI向C充電，uO

(=uc)跟隨uI的變化而變化；s(t)無效期間，開關(guān)管VT截止，uO

(=uc)保持不變，直到下次采樣。（由于集成運放A具有很高的輸入阻抗，在保持階段，電容C上所存電荷不易泄放。）

采樣―保持電路及輸出波形圖729/6/2023量化和編碼

數(shù)字量最小單位所對應(yīng)的最小量值叫做量化單位△。

將采樣－保持電路的輸出電壓歸化為量化單位△的整數(shù)倍的過程叫做量化。

用二進制代碼來表示各個量化電平的過程，叫做編碼。一個n位二進制數(shù)只能表示2n個量化電平，量化過程中不可避免會產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級分得越多（n越大），量化誤差越小。

739/6/2023劃分量化電平的兩種方法（a）量化誤差大；（b）量化誤差小

749/6/2023二、A/D轉(zhuǎn)換器并行/串行比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器電壓轉(zhuǎn)換型A/D轉(zhuǎn)換器Σ-Δ調(diào)制型

返回759/6/2023（1）并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

769/6/2023

寄存器：由七個D觸發(fā)器構(gòu)成。在時鐘脈沖CP的作用下，將比較結(jié)果暫時寄存，以供編碼用。

編碼器：由六個與非門構(gòu)成。將比較器送來的七位二進制碼轉(zhuǎn)換成三位二進制代碼D2、D1、D0。編碼網(wǎng)絡(luò)的邏輯關(guān)系為

779/6/2023并聯(lián)型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換關(guān)系789/6/2023例如，假設(shè)模擬輸入UIN=3.8V，UR=8V。當(dāng)模擬輸入UIN=3.8V加到各級比較器時，由于因此，比較器的輸出C6~C0為0001111。在時鐘脈沖作用下，比較器的輸出存入寄存器，經(jīng)編碼網(wǎng)絡(luò)輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果：D2D1D0=100。優(yōu)點：轉(zhuǎn)換速度很快

缺點：電路復(fù)雜，轉(zhuǎn)換精度較低。799/6/2023（2）逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

天平稱重過程：砝碼（從最重到最輕），依次比較，保留/移去，相加。逐次比較思路：不同的基準(zhǔn)電壓－－砝碼。

逐次逼近型ADC電路框圖

CPDn-1Dn-2Dn-3…D1D0u0(V)uI>uO？0100…000.5UREF1（Dn-1為1）/0（Dn-1為0）1Dn-110…000.75/0.25UREF1（Dn-2為1）/0（Dn-2為0）2Dn-1Dn-21…00…1（Dn-3為1）/0（Dn-3為0）…………n-1Dn-1Dn-2Dn-3…D11…1（D0為1）/0（D0為0）基準(zhǔn)電壓UREFn位A/D轉(zhuǎn)換器

電路由啟動脈沖啟動后:809/6/2023

8位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入模擬量uI=6.84V，D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓UREF=10V。相對誤差僅為0.06%。轉(zhuǎn)換精度取決于位數(shù)。CPD7D6D5D4D3D2D1D0u0(V)uI>uO010000000511110000007.502101000006.2513101100006.87504101010006.562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751uI>uO為1否則為0

819/6/2023

8位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器波形圖

829/6/2023（3）雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

基本原理：對輸入模擬電壓uI和基準(zhǔn)電壓-UREF分別進行積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔T2，然后在這個時間間隔里對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)結(jié)果N就是正比于輸入模擬信號的數(shù)字量信號。（1）電路組成839/6/2023

雙積分型ADC電路

①積分器：Qn=0，對被測電壓uI進行積分；Qn=1，對基準(zhǔn)電壓-UREF進行積分。②檢零比較器C：當(dāng)uO≥0時，uC＝0；當(dāng)uO＜0時，uC＝1。③計數(shù)器：為n＋1位異步二進制計數(shù)器。第一次計數(shù)，是從0開始直到2n對CP脈沖計數(shù)，形成固定時間T1＝2nTc（Tc為CP脈沖的周期），T1時間到時Qn＝1，使S1從A點轉(zhuǎn)接到B點。第二次計數(shù)，是將時間間隔T2變成脈沖個數(shù)N保存下來。④時鐘脈沖控制門G1：當(dāng)uC=1時，門G1打開，CP脈沖通過門G1加到計數(shù)器輸入端。849/6/2023工作過程：

①準(zhǔn)備階段：轉(zhuǎn)換控制信號CR＝0，將計數(shù)器清0，并通過G2接通開關(guān)S2，使電容C放電；同時，Qn＝0使S1接通A點。859/6/2023②采樣階段：當(dāng)t＝0時，CR變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)S2斷開，積分器從0開始對uI積分，積分器的輸出電壓從0V開始下降，即869/6/2023

與此同時，由于uO＜0，故uC＝1，G1被打開，CP脈沖通過G1加到FF0上，計數(shù)器從0開始計數(shù)。直到當(dāng)t＝t1時，F(xiàn)F0～FFn-1都翻轉(zhuǎn)為0態(tài)，而Qn翻轉(zhuǎn)為1態(tài)，將S1由A點轉(zhuǎn)接到B點，采樣階段到此結(jié)束。若CP脈沖的周期為Tc，則T1＝2nTc。

879/6/2023

設(shè)UI為輸入電壓在T1時間間隔內(nèi)的平均值，則第一次積分結(jié)束時積分器的輸出電壓為

889/6/2023

③比較階段：在t=t1時刻，S1接通B點，-UREF加到積分器的輸入端，積分器開始反向積分，uO開始從Up點以固定的斜率回升，若以t1算作0時刻，此時有899/6/2023

當(dāng)t＝t2時，uO正好過零，uC翻轉(zhuǎn)為0，G1關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。在T2期間計數(shù)器所累計的CP脈沖的個數(shù)為N，且有T2＝NTC。

909/6/2023

若以t1算作0時刻，當(dāng)t＝T2時，積分器的輸出uO＝0，此時則有919/6/2023可見，T2∝UI。由于T1＝2nTc，所以有929/6/2023結(jié)論：可見，N∝UI∝uI，實現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換，N為轉(zhuǎn)換結(jié)果。

第一，如果減小uI（即uI′），則當(dāng)t＝T1時，uO＝Up′，顯然Up′＜Up，從而有T2′＜T2；第二，T1的時間長度與uI的大小無關(guān)，均為2nTc；第三，第二次積分的斜率是固定的，與Up的大小無關(guān)。由于T2＝NTc，所以939/6/2023優(yōu)點1：抗干擾能力強。積分采樣對交流噪聲有很強的抑制能力；如果選擇采樣時間T1為20ms的整數(shù)倍時，則可有效地抑制工頻干擾。

缺點：轉(zhuǎn)換速度較慢。完成一次A/D轉(zhuǎn)換至少需要（T1＋T2）時間，每秒鐘一般只能轉(zhuǎn)換幾次到十幾次。因此它多用于精度要求高、抗干擾能力強而轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合。

優(yōu)點2：具有良好的穩(wěn)定性，可實現(xiàn)高精度。由于在轉(zhuǎn)換過程中通過兩次積分把UI和UREF之比變成了兩次計數(shù)值之比，故轉(zhuǎn)換結(jié)果和精度與R、C無關(guān)。94三、ADC的主要技術(shù)參數(shù)（1）分辨率

分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位變化一個數(shù)碼時，對應(yīng)輸入模擬量的變化量。通常以ADC輸出數(shù)字量的位數(shù)表示分辨率的高低，因為位數(shù)越多，量化單位就越小，對輸入信號的分辨能力也就越高。例如，輸入模擬電壓滿量程為10V，若用8位ADC轉(zhuǎn)換時，其分辨率為10V/28＝39mV，10位的ADC是9.76mV，而12位的ADC為2.44mV。

（2）轉(zhuǎn)換誤差

轉(zhuǎn)換誤差表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量與理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。通常以輸出誤差的最大值形式給出。轉(zhuǎn)換誤差也叫相對精度或相對誤差。轉(zhuǎn)換誤差常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如某ADC的相對精度為±(1/2)LSB，這說明理論上應(yīng)輸出的數(shù)字量與實際輸出的數(shù)字量之間的誤差不大于最低位為１的一半。969/6/2023（3）轉(zhuǎn)換速度

完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間叫做轉(zhuǎn)換時間，轉(zhuǎn)換時間越短，則轉(zhuǎn)換速度越快。雙積分ADC的轉(zhuǎn)換時間在幾十毫秒至幾百毫秒之間；逐次比較型ADC的轉(zhuǎn)換時間大都在10～50μs之間；并行比較型ADC的轉(zhuǎn)換時間可達10ns。

集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用舉例

集成A/D轉(zhuǎn)換器規(guī)格品種繁多，常見的有ADC0804、ADC0809、MC14433等。

ADC0809數(shù)/模轉(zhuǎn)換就是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與它成正比的模擬量。

數(shù)字量：(D3D2D1D0)2＝(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10(1101)2＝(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10

模擬量：uo＝K(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10uo＝K(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10(K為比例系數(shù))D/A轉(zhuǎn)換一、D/A轉(zhuǎn)換基本原理

999/6/2023組成D/A轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想：將數(shù)字量按權(quán)展開相加，即得到與數(shù)字量成正比的模擬量。D/A轉(zhuǎn)換器的種類很多,主要有：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、權(quán)電流DAC二、D/A轉(zhuǎn)換器

（1）權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器

模擬開關(guān)，受Di控制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)求和放大器輸入代碼，為1時，模擬開關(guān)上撥；為0時，模擬開關(guān)下?lián)堋?019/6/2023（2）倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC

1.電路組成電路由解碼網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、求和放大器和基準(zhǔn)電源組成。

倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC原理圖

基準(zhǔn)參考電壓雙向模擬開關(guān)D＝1時接運放D＝0時接地R－2R倒T形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)求和集成運算放大器1029/6/2023

由于從UREF向網(wǎng)絡(luò)看進去的等效電阻是R，因此從UREF流出的電流為：

因此流過四個2R電阻的電流分別為I/2、I/4、I/8、I/16。電流是流入地，還是流入運算放大器，由輸入的數(shù)字量Di通過控制電子開關(guān)Si來決定。輸出電壓可表示為：流入運算放大器的總電流為：1049/6/2023

由此可見，輸出模擬電壓uO與輸入數(shù)字量D成正比，實現(xiàn)了數(shù)模轉(zhuǎn)換。

對于n位的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC，則：

電路特點：（1）解碼網(wǎng)絡(luò)僅有R和2R兩種規(guī)格的電阻，這對于集成工藝是相當(dāng)有利的；

（2）這種倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)各支路的電流是直接加到運算放大器的輸入端，它們之間不存在傳輸上的時間差，故該電路具有較高的工作速度。

因此，這種形式的DAC目前被廣泛的采用。三、DAC的主要技術(shù)參數(shù)（1）分辨率

分辨率是指輸出電壓的最小變化量與滿量程輸出電壓之比。輸出電壓的最小變化量就是對應(yīng)于輸入數(shù)字量最低位為1，其余各位均為0時的輸出電壓。滿量程輸出電壓就是對應(yīng)于輸入數(shù)字量全部為1時的輸出電壓。對于n位D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率可表示為：

分辨率＝

位數(shù)越多，能夠分辨的最小輸出電壓變化量就越小，分辨率就越高。也可用位數(shù)n來表示分辨率。（2）轉(zhuǎn)換速度

D/A轉(zhuǎn)換器從輸入數(shù)字量到轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的模擬輸出電壓所需要的時間稱為轉(zhuǎn)換速度。不同的DAC其轉(zhuǎn)換速度也是不相同的，一般約在幾微秒到幾十微秒的范圍內(nèi)。

（3）轉(zhuǎn)換精度

轉(zhuǎn)換精度是指電路實際輸出的模擬電壓值和理論輸出的模擬電壓值之差。通常用最大誤差與滿量程輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù)表示。通常要求D/A轉(zhuǎn)換器的誤差小于ULSB/2。

例如，某D/A轉(zhuǎn)換器滿量程輸出電壓為10V，如果誤差為1%，就意味著輸出電壓的最大誤差為±0.1V。百分?jǐn)?shù)越小，精度越高。轉(zhuǎn)換精度是一個綜合指標(biāo)，包括零點誤差、增益誤差等，它不僅與D/A轉(zhuǎn)換器中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且還與環(huán)境溫度、集成運放的溫度漂移以及D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。

（4）非線性誤差通常把D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓值與理想輸出電壓值之間偏差的最大值定義為非線性誤差。

D/A轉(zhuǎn)換器的非線性誤差主要由模擬開關(guān)以及運算放大器的非線性引起。

5.溫度系數(shù)

在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化而變化的量，稱為DAC的溫度系數(shù)。一般用滿刻度的百分?jǐn)?shù)表示溫度每升高一度輸出電壓變化的值。

學(xué)習(xí)情境三顯示儀表的使用任務(wù)一顯示儀表的認(rèn)知

任務(wù)二顯示儀表的使用上篇檢測儀表任務(wù)描述：學(xué)習(xí)WP數(shù)字顯示儀表、無紙記錄儀的使用方法；通過查閱使用說明書，能對儀表進行故障判斷與異常處理。單元二顯示儀表的使用

問題思考某測溫系統(tǒng)變送器輸出0～10mA的直流電流信號，現(xiàn)要求顯示儀表具有指示和記錄功能。如果只有配K分度號熱電偶的電子電位差計，試問是否可用？若可用，應(yīng)采取什么措施？什么是無紙記錄儀，有哪幾種組態(tài)方式？數(shù)字顯示儀表、無紙記錄儀如何校驗，需提供哪些校驗設(shè)備？1、石灰窯爐溫度工藝參數(shù)及儀表選擇

目前煅燒溫度工藝參數(shù)為950-1150℃，在實際生產(chǎn)中，通過調(diào)整煅燒帶溫度控制，煅燒溫度在1050℃左右。

共有6個測溫點（1#、2#、3#窯窯尾各一個點、沉降室3個點）在使用該測量系統(tǒng)，如圖所示：

熱電偶B型熱電偶（使用周期為4個月），為鉑銠材質(zhì)，價格較為昂貴，目前使用的該型號熱電偶價格在5000元每支左右，一個測溫點一年需產(chǎn)生該項備件費用15000元。下圖為B型熱電偶：

K型熱電偶使用周期短（為15天左右），其測量范圍（K型熱電偶測量范圍為0-1300℃；B型熱電偶測量范圍為400-1600℃）但價格較為低廉。下圖為K型熱電偶實物：

材料名稱物理性能B型熱電偶溫度測量范圍：400-1600℃材質(zhì)：鉑銠靈敏度低穩(wěn)定性好價格昂貴準(zhǔn)確度高適用于氧化性和惰性氣氛中K型熱電偶溫度測量范圍：0-1300℃材質(zhì)：鎳鉻靈敏度高穩(wěn)定性好價格便宜測量精度高適用于氧化性和惰性氣氛中

從上表中可以看出，除測量范圍、材質(zhì)、價格三個方面不同外，其它性能基本一致。雖然K型熱電偶測量范圍較B型低，但其測量范圍也能滿足工藝控制要求，而在價格和靈敏度方面則優(yōu)于B型熱電偶。因此選擇K型熱電偶。

石灰窯爐溫度測量儀表系統(tǒng)使用的一次元件為K型熱電偶，連接導(dǎo)線同樣為K型補償導(dǎo)線。二次儀表選擇了(WP-80數(shù)字顯示儀表)虹潤NHR-5100系列數(shù)字顯示儀表。該系統(tǒng)主要用于監(jiān)測回轉(zhuǎn)窯沉降室溫度和窯尾溫度，要求儀表準(zhǔn)確穩(wěn)定的持續(xù)指示，該儀表系統(tǒng)如圖所示：二次儀表熱電偶(K型)補償導(dǎo)線1．面板示意圖：任務(wù)引導(dǎo)1：WP-80數(shù)字顯示儀表的使用

一、WP-80數(shù)字顯示儀表概述資訊2．儀表接線圖

一、WP-80數(shù)字顯示儀表概述3．儀表的自檢

一、WP-80數(shù)字顯示儀表概述

儀表在投入電源后先進行自檢（右圖所示），可確認(rèn)儀表設(shè)備號及版本。自檢完畢后，儀表自動轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，數(shù)字顯示當(dāng)前測量值。如要求再次自檢，可按下面板右下方的復(fù)位鍵，儀表將重新進入自檢狀態(tài)。4．儀表參數(shù)的設(shè)定一、WP-80數(shù)字顯示儀表概述

（1）一級參數(shù)的設(shè)定：一級參數(shù)主要有報警上限值A(chǔ)L1、下限值A(chǔ)L2、上限回差值A(chǔ)H1、下限回差值A(chǔ)H2等。方法：按住SET鍵，顯示SLK，再按1次顯示0000，再按1次…根據(jù)提示進行。

（2）二級參數(shù)的設(shè)定：二級參數(shù)主要有檢測元件型號（K、Pt…），零點遷移值（PB1、PB2）、量程值（SLL、SLH）、比例系數(shù)（KK1、KK2）等。方法：同上操作，當(dāng)儀表窗口顯示CLK的設(shè)定值0000時調(diào)整

鍵使之為0132的狀態(tài)下，同時按下SET鍵和

鍵5秒，儀表進入二級參數(shù)設(shè)定狀態(tài)，每按SET鍵一次，即進行一項參數(shù)的設(shè)定。參數(shù)說明表、設(shè)定表及分度號設(shè)定參數(shù)表參見附錄。

一、WP-80數(shù)字顯示儀表概述4．儀表參數(shù)的設(shè)定一、WP-80數(shù)字顯示儀表概述5．儀表主要技術(shù)參數(shù)

測量精度：0.5％FS+1字

顯示方式：-1999-9999數(shù)字顯示

控制報警：可選擇1-2限控制，LED指示。

控制方式：為繼電器ON／OFF帶回差(用戶可自由設(shè)定)

溫度補償：0-50數(shù)字式溫度自動補償

保護方式：輸入回路斷線報警(熱電偶或電阻輸入時)輸入超限報警二、WP-80數(shù)字顯示儀表校驗1．配接K型熱電偶校驗

（1）設(shè)定流程按住SET，顯示CLK→調(diào)到132，SET+▲按住5秒，再按SET鍵：SL0→2（選用K型熱電偶，默認(rèn)值12），小數(shù)點SL1（0-3默認(rèn)值0），量程下限SLL（默認(rèn)值0），量程上限SLH（默認(rèn)值1000）→待調(diào)，零點遷移PB1（默認(rèn)值0），→待調(diào)，量程比例KK1（默認(rèn)值1）→待調(diào)，冷端零點遷移PB2（默認(rèn)值0）→待調(diào)，冷端比例系數(shù)KK2（默認(rèn)值1）→待調(diào)。其中：KKl=預(yù)定量程/顯示量程×原KKl；PBl=預(yù)定量程下限-顯示量程下限×KK1十原PBl。二、WP-80數(shù)字顯示儀表校驗

（2）接線

1．配接K型熱電偶校驗

二、WP-80數(shù)字顯示儀表校驗

（3）校驗步驟

①按上圖接線。②儀器儀表狀態(tài)檢查應(yīng)符合要求：電位差計擋位及旋鈕應(yīng)在調(diào)整好的位置。③經(jīng)指導(dǎo)教師允許后上電。儀表進行自檢，觀察儀表指示。自檢結(jié)束后儀表即指示被測溫度值。④儀表零點的檢查。⑤量程的檢查。1．配接K型熱電偶校驗

二、WP-80數(shù)字顯示儀表校驗

（3）校驗步驟

⑥表量程及零點的調(diào)整。⑦端補償功能的調(diào)整。⑧表的開路試驗。⑨表的開路試驗。⑩儀表的報警試驗。1．配接K型熱電偶校驗

二、WP-80數(shù)字顯示儀表校驗2．配接Pt100熱電阻校驗

（1）參數(shù)設(shè)定流程按住SET，顯示CLK→調(diào)到132，SET+▲按住5秒，再按SET鍵：SL0→8（選用Pt100型熱電阻，默認(rèn)值12），量程下限SLL（默認(rèn)值0），量程上限SLH（默認(rèn)值1000）→500，零點遷移PB1（默認(rèn)值0）→待調(diào)，量程比例KK1（默認(rèn)值1）→待調(diào)，其中：KKl=預(yù)定量程/顯示量程×原KKl；PBl=預(yù)定量程下限-顯示量程下限×KK1十原PBl。二、WP-80數(shù)字顯示儀表校驗

（2）校驗接線

2．配接Pt100熱電阻校驗

二、WP-80數(shù)字顯示儀表校驗

（3）校驗步驟

①按上圖接線，電源引入線應(yīng)注意端子位置并接牢固。②儀器儀表狀態(tài)檢查應(yīng)符合要求：標(biāo)準(zhǔn)電阻箱應(yīng)在100Ω擋位。③經(jīng)指導(dǎo)教師允許后上電儀表進行自檢，觀察儀表指示。④儀表零點檢查。⑤儀表量程檢查：查Pt100分度表500℃電阻值Rt，調(diào)電阻箱旋鈕至Rt值，此時數(shù)字表顯示值應(yīng)為500，否則記取該上限顯示值。⑥儀表量程及零點的調(diào)整。⑦確定Pt100型熱電阻校驗點：0→500℃之間均布3點。2．配接Pt100熱電阻校驗

二、WP-80數(shù)字顯示儀表校驗3．配接4-20mA變送器校驗

（1）參數(shù)設(shè)定流程按住SET，顯示CLK→調(diào)到132，SET+▲按住5秒，再