1、目录第 1 章 数显仪表的工作原理 .11.1 数字显示仪表的基本构成 11.2 模数(A/D)转换与数字显示电路的主要组成部分 .31.3 信号的标准化及标度转换 4第 2 章 数显仪表的设计方案及芯片选择 .52.1 数显仪表原理 52.2 ICL7107 双积分 AD 转换器 52.3 ICL7107 的 逻辑电路 .72.4 MC1403 82.5 LED 显示器 .8第 3 章 数显 仪表的安装 103.1 数显部分的安装 .103.2 电源部分的安装 .10第 4 章 结论与体会 12参考文献 .13数字显示仪表课程设计1第 1 章 数显仪表的工作原理1.1 数字显示仪表的基本构成
2、数字仪表亦称数字多用表，是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续的、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式万用表功能单精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片的数字仪表，精度高、抗干扰能力强，可扩展尾强、集成方便，目前，由各种单片机芯片构成的数字电万用表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。数字仪表具有以下几点特点：1显示清晰直观，计数准确：为了提高观察的清晰度，新型的手持式数字用用表（HDMM）已普遍采用字高为 26mm 的大屏幕 LCD（液晶显示器） 。有些数字仪表还增加了背光源，以便于夜间观察读数。2显示位数：数字
3、仪表的显示位数通常为 3 位半到 8 位半。3准确度高：准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。它表示测量结果与真值的一致程度，也反映了测量误差的大小，准确度愈高，测量误差愈小。数字仪表的准确度远优于指针万用表。4分辨力高：数字仪表在最低电压量程上末位 1 个字所代表的电压值，称作仪表的分辨力，宏观世界反映了仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。5测试功能强：数字仪表不公可以测量直流电压（DCV） 、交流电压（ACV） 、直流电流（DCA） 、交流电流（ACA） 、电阻（） 、二极管正向压降（Uf ） 、等等。新型数字仪表大多增加了下述测试功能：读数保持（HOLD） 、逻辑（LO
4、GIC）测试等等。6测量范围宽：数字仪表可满足常规电子测量的需要。智能数字仪表的测量范围更宽。7测量速率快：数字仪表在每秒钟内对被测电压的测量次数叫测量速率，单位是“次/秒” 。它主要取决于 A/D 转换器的转换速率。一般数字仪表的测量速率为 25 次/秒。有的能达到 20 次/秒以上，另有的一些比这个还要高得多。数字仪表可满足不同用户对测量速率的需要。8输入阻抗高：数字仪表电压挡具有很高的输入阻抗，通常为1010000M，从被测电路上吸取的电流小，不会影响被测信号源的工作状态，数字显示仪表课程设计2能减小由信号源内阻引起的测量误差。9集成度高，微功耗：新型数字仪表普遍采用 CMOS 大规模集
5、成电路的 A/D转换器，整机功耗很低，3 位半，4 位半手持式数字仪表的整机功耗仅几十毫瓦，可用 9V 叠层电池供电。10保护功能完善，抗干扰能力强：数字仪表具有比较完善的保护电路，过载能力强，新型数字仪表还增加了高压保护器件，能防止浪涌电压。本设计就是基于这个基础设计一个基于单片机的数字仪表。该设备具有直观简单的优点。并且能深入的说明万用表的测量原理。能直观的了解万用表各个部分的结构和测试原则。不带微处理器的数显仪表一般应具备数模转换，非线性补偿及标度变换三大部分，这三部分又各有很多种类，三者之间相互巧妙地组合，可以组成适应于各种不同要求场合的数字是显示仪表。尽管数字仪表的品种繁多，原理各不
6、相同，但其基本构成形式可有图 1-2 所示的主要环节组成。模数转换器是数字仪表的核心，以它为中心，将仪表分成数字和模拟量大部分。仪表的数字部分一般由计数器，译码器，时钟脉冲发生器，驱动显示电路以及逻辑控制电路组成。基本工作原理框图如下：传感器三运放大器ADC0809 A/D 转换器8031 8155LED显示器图 1-1 基本工作原理框图电路方框图如下：电阻应变式传感器输出信号三运放大电路放大信号显示电路A/D 转换电路图 1-2 电路方框图仪表的模拟部分一般设有滤波、前置放大器和模拟开关等环节。来自传感数字显示仪表课程设计3器或变送器的统一电量信号一般都比较微弱，并且包含着在传输过程中产生的
7、各种干扰成分，因此在将其转换成数字量之前，首先要进行滤波和放大。前置放大器就是用来提高仪表的灵敏度、输入阻抗及信号的信噪比。仪表的数字部分一般由计数器、译码器、时钟脉冲发生器、驱动显示电路以及逻辑控制电路组成。被放大的模拟信号有模-数转化器转换成相应的数字量后，经译码、驱动，送到显示器件中进行数字显示。也可送到报警系统和打印系统中去，进行报警和记录打印 。在需要的时候，亦可将测量结果以数码形式输出，供计算机数据处理之用。根据数字仪表的原理，结合以下的设计要求：“设计一个数字仪表，能够测量交、直流电压值，直流电流、直流电阻，四位数码显示。实现多级量程的直流电压测量，其量程范围是 200mv、2v
8、 ,20v,200v 和 500v.实现多级量程的交流电压测量，其量程范围是 200mv、2v ,20v,200v 和 500v.实现多级量程的直流电流测量，其量程范围是 2mA ，20mA，200mA、2A 和 20A.实现多级量程的电阻测量，其量程范围是 200、2k ,20k,200k 和 2M。 ”以及电容测量电路。由此设想出以下的解决方法，即数字仪表的系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、电容测试芯片电路、51 单片机最小系统、显示部分、报警部分、AD 转换和控制部分组成。为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障。1.2 模数(A/D)转换与数字显示电路的主要组成部分常见的物理量都是幅
9、值(大小)连续变化的所谓模拟量(模拟信号)。指针式仪表可以直接对模拟电压、电流进行显示。而对数字式仪表，需要把模拟电信号(通常是电压信号) 转换成数字信号，再进行显示和处理(如存储、传输、打印、运算等) 。数字信号与模拟信号不同，其幅值(大小)是不连续的。这种情况被称为是“量化的” 。若最小量化单位(量化台阶)为 ，则数字信号的大小一定是 的整数倍，该整数可以用二进制数码表示。但为了能直观地读出信号大小的数值，需经过数码变换( 译码) 后由数码管或液晶屏显示出来。数字测量仪表的核心是模数(A/D)转换、译码显示电路。A/D 转换一般又可分为量化、编码两个步骤。数字仪表的主要技术指标：显示位数、
10、仪表的量程、精度、分辨力和分辨率、 输入阻抗、抗干扰能力。数字仪表的分辨力是指末位数字改变一个字所对应的被测变量的最小变化值。它表示了仪表能够检测到的被测量最小变化的能力。数字式显示仪表在不同量程下的分辨力是不同的，通常在最低量程上有最高的分辨力，并以此作为该仪表的分辨力指标。分辨率指仪表现实的最小数值与最大数值之比。数字显示仪表课程设计41.3 信号的标准化及标度转换由检测元件或传感器送来的信号的标准化或标度变换是数字信号处理的一项重要任务，也是数字显示仪表设计中必须要解决的问题。一般情况下，由于被测量和显示的过程参数多种多样，因而仪表输入信号的类型和性质千差万别。即使是同一种参数或物理量，
11、由于检测元件和装置的不同，输入信号的性质的电平的高低等也不相同。以测温为例，用热电偶作为测温元件，得到的是电势信号；以热电阻作为测温元件，输出的是电阻信号；而采用温度变送器时，其输出又变换为电流信号。不仅信号的类别不同，且电平的高低也相差极大。这就不能满足数字仪表或数字系统的要求。因此必须将这些不同性质的信号，或者不同点评的信号统一起来，这叫输入信号的规格化，或者称为参数信号的标准化。这种规格化的统一输出信号可以使电压、电流或其他形式的信号。目前国内采用的统一直流信号电平有以下几种：010mA,030mV,040.95mV,050mV 等。对于过程参数测量用的数字显示仪表的输出，往往要求用被测
12、变量的形式显示，例如：温度、压力、流量、液位等，就存在“标度变换”的问题。图 1-2 为一般数字仪表组成的原理框图。其刻度方程可表示为y=S1S2S3x=Sx (1-3)图 1-3 数字仪表的标度变换式中 S 为数字式显示仪表的总灵敏度和或称标度变换系数；S1、S2、S3 分别为模拟部分、模-数转换部分、数字部分的灵敏度或标度变换系数。因此标度变换可以通过改变 S 来实现，且使显示的数字值的单位和被测变量或物理量的单位一致。通常当模-数转换装置确定后，则模-数转换系数 S2 也就确定了，要改变标度系数 S，可以改变模拟转换部分的转移系数 S1；也可以通过改变数字部分的转换系数 S3 来实现。前
13、者称为模拟量的标度变换，后者称为数字量的标度变换。因此标度变化可以在数字部分进行，也可在模拟部分进行。y数字输出x模拟输入S1 S2 S3模拟部分 模数转换 数字部分数字显示仪表课程设计5第 2 章 数显仪表的设计方案及芯片选择2.1 数显仪表原理数显仪表的工作原理图如图 2-1 所示，它是配接硅压卒式压力传感器，利用 02000mV 发光二极管显示标准表头，制成数字式压力显示仪表。它的主要部件简述如下。图 2-1 数显压力表原理图2.2 ICL7107 双积分 AD 转换器ICL7107 具有以下特点：内部有自动稳零电路，保证零电压输入时，读数为零。内部有极性判别电路，即使输入电压很小也能正
14、确区别极性，并显示出来；内部有时钟电路，可外接 RC 器件，产生自激振荡，也可由外部时钟输入；内含供 AD 转换必须的基准稳压电源，可不用外接基准电源；输出为 3 位七段译码信号，可直接驱动 LED；与其他 CMOS 集成电路相同，这些电路具有输入电阻高等特点。ICL7107 采用标准的双列直插 40 引线封装，引线排列如图 2-2 所示。各引线功能如下：A1G1-各位段驱动信号；A2G2-十位段驱信号；A3G3-百位段驱动信号；数字显示仪表课程设计6图 2-2 ICL7107管脚示意图AB4-千位（b、c）段驱动信号；P0M-负号指示信号，接千位 g 段；GND-数字地；OSC1OSC3-时
15、钟发生器接头端；REF+REF_-基准电压的接头端； CREF-基准电容的接头端； INT+INT_-模拟信号输入端； AZ-积分发大器反向输入端，接自校零位电容；13456213161511101412897172018193129282726252423222133343536373839403032V+D1C1B1A1F1G1E11sD2C2B2A2F2E2D3B3F3E3AB4POL10s100s1000OSC1OSC2OSC3TESTREF HICREF+C REF-COMMONIN HIIN LOAZBUFFIN TV-G2C3A3G3BP/GNDREF LO100s10sICL7
16、106,ICL7107(PDIP)TOP VIEWMINUS数字显示仪表课程设计7BUF-缓冲器输出端，接积分电阻；INT-积分器输出端，接积分电容；TEST-试灯端，接高电位 V+时，显示“-1999” ；V+-正电源（56V）接头端；V负电源（-5-9V）接头端。ICL7107D 的双积分 AD 转换ICL7107 模拟部分每个转换周期分为自校零位、信号积分、反向积分三个阶段。自校零（AZ）阶段：模拟电路部分的模拟开关 AZ 接通，其余开关全部断开，电路进入自校零状态。这时模拟输入端和公共模拟端 COM 短路 AZ、比较器输出端、输入端接通成负反馈电路。电路中的总漂移电压对自校零电容CAZ
17、 充电，以记忆并抵消漂移电压对转换的影响。与此同时基准电容 CREF 被基准电压充电至 VREF。信号积分（INT）阶段：模拟开关 INT 接通，其余开关均断开-负反馈回路断开、输入端短路解除并对模拟输入信号进行采样积分。2.3 ICL7107 的逻辑电路图 2-3 ICL7107的数字部分逻辑图输入信号 V1 经过缓冲器送至积分器，大大提高了转换器的输入阻抗。反向积分（DE）阶段：模拟开关 DE 或 DE 接通，与输入电压 V1 反极性的基准电压VREF 接入积分器，同事计数器从零开始计数，反向积分阶段开始。当积分器输数字显示仪表课程设计8出电压为零时，计数器停止计数，锁存器并计数器的计数结
18、果，及译码有发光二极管显示器显示输入电压 V1 的数值，一次转换结束。反向积分阶段一结束，电路及自动转入自校状态开始了下一个转换周期。逻辑电路包括八大单元：时钟脉冲发生器；分频器；计数器；锁存器；译码器；大电流反相驱动器；逻辑控制电路；LED 显示器。时钟脉冲发生器由两个反相器 F1、F2，以及脉冲 fcp=100KHZ,既 Tcp=0.1ms 组成。显示器采用七断显示方式，其中个位、十位和百位数字部分分成a、b、c、d、e、f、g 七断，再加上千位 K 和符号位 P，不断发光，可以显示出不同的数字。对 7107 来说，因为发光二极管需要较大驱动电流，故驱动电流吸入电流增大至 8mA，对千位数
19、字，K 断有两个显示断，所以 7107 的第 19 脚吸收电流可达 16mA。2.4 MC1403MC1403 是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源，国产型号为 5G1403 和 CH1403。它采用 DIP8 封装，引脚排列如图 7-1-2 所示。UI4.5V15V，UO2.500V（典型值） ，T 可达10106/。为了配 8P 插座，还专门设置了 5 个空脚。其输出电压UOUg0(R3R4)/R41.2052.082.5V。MC1403 是高精度低温度漂移的基准电路，作为 8-12 位数模转换的基准电压源而设计，为避免温度漂移所造成的 7107 的误差，
20、通常采用具有温度补偿的外接基准稳压源。MC1403 的脚管排列如图 2-5 所示。NCNCNCNC87651234NCGNDVoutVin图 2-4 MC1403的管脚排列输出电压误差：2.5V1输出电压温度系数：10ppm/（typ）输出电流：10mA输出电压范围：4.5-40V数字显示仪表课程设计9封装：8 脚 DIL 陶封；8 脚 DIL 塑封2.5 LED 显示器反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将单个 LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上，每个反射腔底部的中心位置就是 LED 芯片。在装反射罩前，用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好 30
21、m 的硅铝丝或金属引线，在反射罩内滴入环氧树脂，再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合，然后固化。将条状发光二极管按照共阳极（正极）或共阴极（负极）的方式连接，并组成“8” 字型发光二极管另一极做笔画电极，就构成了 LED 数码显示器。只要按规定使某些笔画的发光二极管发光就能组成 09 的一系列数字，可作为数字仪表。LED 显示器一般采用七段，既把七只 LED 共阳极（或共阴极）连接，每段具有单只 LED 的特性及驱动显示方法。图 2-5 管脚排列LED 显示器的型号很多，发光颜色也不同，以 BS342 型和 BS431 型（如图2-6 所示）为例，说明其工作原理。二者外型相同，BS342
22、为共阳极，BS341 为共阴极。脚 3 与脚 8 在内部已经连通，作为公极。使用时，BS342 的公共极应接电源正极，BS341 的公共极应接电源的负极，如果极性接反了，不仅不能发光，还容易损坏 LED。数字显示仪表课程设计10第 3 章 数显仪表的安装数字显示部分电路的安装要在面包板上进行，压力传感器、电源部分不在面包板上。由于数显部分需要5V 的电源，因此，电源要在另外的印刷电路安装，以给数显部分供电。3.1 数显部分的安装根据绘制的接线图，首先在面包板上吧 7107 和四个数码管的位置确定好，为了便于显示，一般要把四个数码管放在上方。然后以接线方便为原则，确定7107 的位置。同时要考虑
23、“电源” 、 “电源” 、 “地”线的接法。其它芯片、电阻、电容、电位器等围绕 7107 就近安排位置。切记，面包板上芯片接过的联通列上不可再接其他芯片、电阻电容等器件，否则会导致短路以致烧毁芯片。一旦在这点上出现失误，修改起来非常不方便，几乎要把所有器件都重新挪动。插接导线时要细心，否则日后检查起来将十分麻烦；插接导线时要注意保证导线的牢固整齐。插接导线时要使用钳子。保证插接牢固。同时掌握以上工具的使用方法。按照电路原理图连接好面包板后，要进行初步调试。我组的做法是先按照原理图逐一对证检查，将连接得不对的地方进行改正。然后用万用表逐个检查导线是否连通。经过此番检查几乎排除大的问题。一定要注意
24、，裸露的导线不可搭在一起，否则会短路。导线的插接头越长越好。3.2 电源部分的安装整 流 桥 堆 产 品 是 由 四 只 整 流 硅 芯 片 作 桥 式 连 接 ， 外 用 绝 缘 朔 料 封 装 而 成 ， 大功 率 整 流 桥 在 绝 缘 层 外 添 加 锌 金 属 壳 包 封 ， 增 强 散 热 。 整 流 桥 品 种 多 ： 有 扁形 、 圆 形 、 方 形 、 板 凳 形 （ 分 直 插 与 贴 片 ） 等 ， 有 GPP 与 O/J 结 构 之 分 。最 大 整 流 电 流 从 0.5A 到 100A， 最 高 反 向 峰 值 电 压 从 50V 到 1600V。半 桥 是 将 两
25、 个 二 极 管 桥 式 整 流 的 一 半 封 在 一 起 ,用 两 个 半 桥 可 组 成 一 个 桥式 整 流 电 路 ,一 个 半 桥 也 可 以 组 成 变 压 器 带 中 心 抽 头 的 全 波 整 流 电 路 , 选 择 整 流 桥 要 考 虑 整 流 电 路 和 工 作 电 压 .优 质 的 厂 家 有 广 州 国 信 电 子 科 技有 限 公 司 （ 文 斯 特 电 子 ） 的 G 系 列 整 流 桥 堆 ,进 口 品 牌 有 ST、 IR,台 系 的SEP、 GD 等 。 整 流 桥 堆 一 般 用 在 全 波 整 流 电 路 中 ， 它 又 分 为 全 桥 与 半 桥 。
26、 全 桥 是 由 4 只 整 流 二 极 管 按 桥 式 全 波 整 流 电 路 的 形 式 连 接 并 封 装 为 一 体构 成 的 ， 图 是 其 外 形 。 全 桥 的 正 向 电 流 有0.5A、 1A、 1.5A、 2A、 2.5A、 3A、 5A、 10A、 20A、 35A、 50A 等 多 种 规数字显示仪表课程设计11格 ， 耐 压 值 （ 最 高 反 向 电 压 ） 有25V、 50V、 100V、 200V、 300V、 400V、 500V、 600V、 800V、 1000V 等多 种 规 格 。213 2130.33+2000CW78CW78220VD1 D2D3D
27、40.330.10.1+V。-V。图 3-1 正，负输出电压电路输入电容用于抑制纹波电压，输出电容用于消振，缓冲冲击性负载，保证电路工作稳定。由于数显部分要使用5V 的电源，这里采用两个三端集成稳压器。其中7806 为固定标准正电压稳压器；7906 为固定标准负电压稳压器。电源原理图如图 3-1 所示。电源电路的器件包括电源变压器、整流桥、集成稳压器及电容。整个电路安装在一块印刷线路板上，安装时要使用电烙铁。为了使用该电源的安全性、可靠性。因此，在设计时要考虑线路布置合理，强电与弱电之间要留有相当的距离。同时注意 220V 电源线的引入方向、安全，防止短路，输入5V 电源要有“接线端子” 。电
28、源的安装部分首先要根据电原理图绘制印刷电路板的接线图，学生绘制的接线图需经过教师检查无误后才可安装在面包板上。数字显示仪表课程设计12第 4 章 结论与体会通过学习我们对数显工艺的理论有了初步的系统了解。这些知识不仅在课堂上有效，对以后的电子工艺课的学习有很大的指导意义，在日常生活中更是有着现实意义；也对自己的动手能力是个很大的锻炼。实践出真知，纵观古今，所有发明创造无一不是在实践中得到检验的。没有足够的动手能力，就奢谈在未来的科研尤其是实验研究中有所成就。在实习中，我锻炼了自己动手技巧，提高了自己解决问题的能力。这次数字显示仪表课程设计让我深刻的体会到在实际生活或是将来的工作中要有足够强的动
29、手能力，这个能力包含各个方面。并且，以小组为单位一起做课程设计让我体会到合作的快乐与方便，与同伴的合作与分工作业也将成为未来工作的一个重要环节，而此次课程设计让我们提前体会到这一点。本次课程设计可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。我的设计中还存在有很多的不足之处，还望老师予以指正，提出修改的建议！数字显示仪表课程设计13参考文献1 李正军.计算机控制系统M.机械工业出版社.2006.2 沙占有.数字化测量技术与应用M.机械工业出版社.20043 井口征士.传感工程M.科学出版社.20054 路勇.高文焕.电子电路实验及仿真M.清华大学出版社.2004.5 刘润华.数字电子技术M.石油大学出版社.2003.6 王松武.于鑫.电子创新设计J.国防工业出版社.2005.7 何希才.新型集成电路及其应用实例J.科学出版社.1999.
