数字显示0～100kPa压力测量系统电路设计

数字显示0～100kPa压力测量系统电路设计
目录
摘要3
关键字 3
1.引言 4
2.数字显示仪表的一般电路框图及对各部分要求 5
2.1 数字显示仪表的原理框图 (5)
2.2 传感器输出信号的特点 (5)
2.3 传感器信号的二次变换 (5)
2.4 传感器信号二次变换的组成 (5)
2.5传感器信号的调理 (6)
2.6 DVM的概述 (8)
3.数字显示0～100kPa压力测量系统电路设计10
3.1 压力传感器供电电源设计及有关参数计算 (10)
3.2 二次变换电子电路设计及参数计算 (12)
3.3 基于MC14433的DVM电路设计及有关参数计算 (13)
4.数字显示0～100kPa压力测量系统电路设计20
5.关于本毕业设计的进一步思考及总结 21
参考文献22
数字显示0-100kPa压力测量系统电路设计
【摘要】本毕业设计课题首先设计出由传感器、传感器供电电路、传感器信号调
理电路等单元电路组成的以直流电压信号为输出量的参量（压力）测量电路；同
时，配套设计以MC14433为核心的数字式直流电压表。

在上述参量（压力）测量
电路、DVM的基础上对外围电路再进一步进行相应的扩展构成数字显示式压力测
量系统。

数字显示式压力测量系统使测量结果一目了然，保证了读数的客观性与
准确性，符合人们的读数习惯，缩短了读数和记录的时间，减小了视觉疲劳。

【关键词】压力数显 MC14433 DVM
数字显示0-100kPa压力测量系统电路设计
1.引言
在工农业生产、日常生活、医疗等领域，对压力、温度等参量的测量及控制始终
占据着重要地位。

随着科学技术的进步和电子工业的发展，国内外相继推出各种传感器、集成传感器、大规模集成电路及超大规模集成电路，这为开发各种数字仪表，智能数字仪表提供了极大的方便。

在数字电压表的基础上配上温度、压力等传感器及相应的测量电路，即可构成一块数字显示式温度计、压力计等各种新型通用、专用数字仪表或测量系统。

在工业生产中，为了高效安全生产，必须有效控制生产流程中诸如压力、流量、温度等主要参数。

压力是工业生产过程中重要的参数之一，压力的检测和控制是保证生产和设备安全运行必不可少的条件、意义重大；压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环节，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产控制、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

数字显示式参量测量系统使测量结果一目了然，保证了读数的客观性与准确性，符合人们的读数习惯，缩短了读数和记录的时间，减小了视觉疲劳。

新型数字仪表以其高准确度、高分辨率、高性价比等优良特性而受到人们的青睐。

新型数字仪表以其高准确度、高分辨率、高性价比等优良特性而受到人们的青睐。

另外，在工农业生产、日常生活、医疗等领域，对温度的测量及控制始终占据着重要地位。

本次设计是压力的测量，即是将非电量转换为电量的输出。

非电量的电测法是自动检测技术的重要组成部分，内容非常广泛。

实际上非电量电测法几乎可以用来测量各种非电量参数，这些参数被用来鉴定各种物理现象、化学现象和工业生产过程。

目前普遍采用电子测量线路和电子测量仪表来测量各种非电量（包括除去电参数的一切物理量）是现代自动检测技术发展的一大特点。

这是因为电测法有大家所熟知的一系列的优点。

这些优点主要是：
1）便于实现连续测量；2）便于实现远距离测量与控制；3）具有高的灵敏度和准确度；4）信号传输速度快；5）测量范围宽广，能够测量较大或较小的数
值。

通过各种传感器测得的电参量，不仅随着所测非电量的变化而变化，而且还与被测对象的其它物理和化学属性以及周围介质的物理属性有关。

如金属导线的电阻不仅依赖于温度，并且与导线在拉力作用下的机械变形有关。

如果要利用导线的电阻与拉力的关系来测量拉力，则必须设法补偿因环境温度的变化而引起的导线电阻的变化。

因此这不仅对传感器提出了许多要求，而且对测量装置的其它部分，如测量电路和二次仪表也提出了许多要求。

2.数字显示仪表的一般电路框图及对各部分要求
2.1数字显示仪表的原理框图
工业生产过程中常用的数字式仪表有数字式温度计、数字式压力计、数字流量计、数字电子秤等。

数字式仪表的出现适应了科学技术及自动化生产过程中高速、高准确度测
量的需要，它具有模拟仪表无法比拟的优点。

数字仪表的主要特点有：准确度高、分辨率高、无主观读数误差、测量速度快、能以数码形式输出结果。

同时数字量传输信息，可使得传输距离不受限制。

数字仪表按工作原理可分为：带微处理器的和不带微处理器的。

不带微处理器的仪表，通常用运算放大器和中、大规模集成电路来实现；带微处理器的仪表，是借助软件的方式来实现原理框图中的有关功能。

数字显示仪表中由于直接观察到的是所测参数的绝对数字量，所以在数字式显示仪表中除模数（A/D）转换装置外，必须具有另一重要组成部分，即对被测参数的非线性函数的线性化及各种系数的标度变换。

标度变换是将仪表显示的数字量和被测物理量统一起来；而线性化环节的作用是消除或减小敏感元件非线性对测量结果的影响，使输出的数字量与被测参数间保持良好的线性关系。

其原理框图如图2-1-1所示。

图2-1-1数字显示仪表原理框图
2.2传感器输出信号的特点
传感器输出信号的特点；
1、传感器的输出会受温度的影响，有温度系数变化。

2、传感器的输出顺着输入物理量的变化而变化，但是他们之间的关系不一定是线形比例关系。

3、传感器的动态范围很宽。

4、由于传感器的种类很多，输出的形式也多种多样。

例如，尽管同样是温度传感器，热电偶顺温度变化输出的是不同的电压，热敏电阻顺温度变化其阻抗
发生变化，而双金属温度传感器顺温度变化输出的是开关信号。

5、传感器的输出阻抗都比较高，这样传感器输出信号到测量电路时会产生较大的信号衰减。

6、传感器的输出信号一般比较微弱，有的传感器输出的电压最小仅有0.19V。

2.3传感器信号的二次变换
根据上述的传感器输出信号的特点来看，传感器输出的信号一般是能直接用于仪器、仪表显示作控制信号用，往往需要通过=专门的电子电路对传感器输出信号进行“加工处理”。

如将微弱的信号给予放大，经过滤波器将有害的杂波信号滤掉，将非线性的特性曲线线性化，如有必要再加温度补偿电路。

这种信号变换一般称为二次变换。

完成二次变换的电路成为传感器电子电路，一般也成为测量电路，仪表电子电路或调理电路。

2.4传感器二次变换的组成
2.4.1传感器电子电路的组成
传感器电子电路主要是模拟电路，它与数字电路一样，是由一些单元电路组成。

这些单元电路有:各种信号放大电路、有源及无源滤波电路、绝对值检测电路、峰值保持电路、采样-保持电路、A/D及D/A变换电路、V/F及F/V变换电路、调制解调电路温度补偿电路及非线性特性化补偿电路等。

传感器电子电路是一个中间环节，它的输入端接传感器，输出端接仪器、仪表显示器、记录仪或控制装置，其示意图为2.4.1所示
2.4.1传感器电子电路示意图
2.4.2.传感器电子电路的要求
传感器电子电路的设计要根据传感器输出的特性及仪器、仪表的显示器、打印机、记录仪或调节器、自动控制装置对信号的要求，并且还要考虑使用的环境条件及整个系统呢对它的要求等。

在传感器电子电路设计上，一般应满足下列要求：
1、在与传感器连接上，要考虑阻抗匹配问题，必要时加一级电压跟随器，并要考虑长电缆带来的电阻、电容及噪声影响。

2、放大器的放大倍数（输出电压的幅值）要满足显示器、A/D变换器或I/O 借口的要求。

3、电子电路的设计要满足仪器、仪表或自动控制系统的精度要求、动态性能的要求及可靠性要求。

4、电子电路中采用集成电路和其它元器件要满足仪器、仪表或自动控制装置的使用环境要求（如湿度、温度等），或某种特殊要求，如防爆要求。

5、电子电路设计中营考虑外部或内部的温度影响，必要时加温度补偿电路。

6、电子电路设计中（包括结构设计）应考虑内部或外部电磁场干扰，要相应采取措施解决，如加屏蔽、加光电隔离等等。

7、电子电路的结构、尺寸要与仪器、仪表或自动控制系统整体相协调。

8、电子电路的电源电压、功耗要与总体想协调。

9、电子电路的设计要考虑成本，满足经济性要求，使产品更有竞争力。

2.5传感器信号的调理电路
信号调理是指测量系统的组成部分，它的输入时传感器的输出信号，输出为适合传输、显示、记录或者能更好的满足后续标准设备或装置要求的信号。

例如传感器的输出电信号如果不在-10～+10V之间，那么在接入模数转换器时，必须首先经过信号调理电路。

信号调理电路通常具有放大，电平移动，阻抗匹配、滤波、解调功能。

另外，从数据域的角度考虑，可以认为信号解调电路，可以实现数据域之间的变换。

如图2.5.1所示为数据域表示信息的量的名称。

2.5.1数据域表示信息的量的名称
传感器输出信号通常可以分为模拟量和数字量两类。

对模拟量信号进行调整
匹配时，传感器的信号调理环节相对复杂些，通常需要放大电路、调制与解调电路、滤波电路、采样保持电路、A/D及D/A转换电路等。

而对于数字量信号进行调理匹配时，通常只需使信号通过比较器电路及整形电路，控制计数器计数即可。

图2.5.2、2.5.3分别为传感器输出为模拟电子量和数字量的信号调理过程示意图。

2.5.2 传感器输出为模拟量的信号调理过程示意图
2.5.3传感器输出为数字量的信号调理过程示意图
测试系统的第二个环节为信号的调理，图2.5.4所示为测量系统的信号传输过程。

被测物理量精传感环节转换为电阻、电容、电感、或电压、电流、电荷等电量的变化，由于在测量过程中不可避免地遭受个种内外干扰因素的影响，为了正确使用被测信号，比北方最后驱动显示记录和控制仪器，需进一步将信号输入计算机进行数据处理，抑制干扰噪声，提高信噪比，使之利于进一步的传输和在后续环节中的处理。

CPU 总线
2.5.4测试系统的信号传输过程
2.6 DVM的概述
2.6.1、概述
模拟式电压表具有电路简单、成本低、测量方便等特点，但测量精度较差，特别是受表头精度的限制，即使采用0.5级的高灵敏度表头，读测时的分辨力也只能达到半格。

再者，模拟式电压表的输入阻抗不高，测高内阻源时精度明显下降。

数字电压表作为数字技术的成功应用，发展相当快。

数字电压表（Digital VoIt Me-ter，DVM），以其功能齐全、精度高、灵敏度高、显示直观等突出优点深受用户欢迎。

特别是以A／D转换器为代表的集成电路为支柱，使DVM向着多功能化、小型化、智能化方向发展。

DVM应用单片机控制，组成智能仪表；与计算机接口，组成自动测试系统。

目前，DVM多组成多功能式的，因此又称数字多用表（Digital Multi Meter，DMM）。

DVM是将模拟电压变换为数字显示的测量仪器，这就要求将模拟量变成数字量。

这实质上是个量化过程，即将连续的无穷多个模拟量用有限个数字表示的过程，完成这种变换的核心部件是A／D转换器，最后用电子计数器计数显示，困此，DVM的基本组成是A／D转换器和电子计数器。

DVM最基本功能是测直流电压，考虑到仪器的多功能化，可将其他物理量，如电阻、电容、交流电压、电流等，都变成直流电压，因此，还应有一个测量功能选择变换器，它包含在输入电路中。

DVM对直流电压直接测量时的测量精度最高，其他物理量在变换成直流电压时，受功能选择变换器精度的限制，测量精度有所下降
模拟部分数字部分。

2.6.2、主要性能指标
1）测量范围
DVM用量程显示位数以及超量程能力来反映它的测量范围。

a.量程DVM的量程是以基本量程（即未经衰减和放大的量程）为基础，借助于步进衰减器和输入放大器向两端扩展实现。

b.显示位数DVM的显示位数是指能显示0-9十个数码的完整显示位
c.超量程能力DVM是否具有超量程能力，与基本量程无关。

2）分辨率
DVM能够显示被测电压的最小变化值，称为分辨率即最小量程时显示器末位跳一个单位值所需的最小电压变化量。

在不同量程上，具有不同的分辨率，在最小量程上，具有最高分辨率，这里的分辨率应理解为最小量程上的分辨率。

3）输入阻抗
由于输入有衰减器，所以输入阻抗不是固定值。

4）测量速度
测量是在单位时间内以规定的准确度完成的最大测量次数。

或者用测量一次所需的时间（即一个测量周期）来表示。

5）测量误差
DVM的固有误差通常用一下两种方式表示：
（1）ΔUx=±a%Ux±β%U m
（2）ΔUx=±a%Ux±n个字
式中Ux——被测电压读数
U m ——该量程的满度值
a%Ux——读数误差
β%U m——表示满度误差
3. 数字显示0～100kPa压力测量系统电路设计
数字电压表电路框图如图3.1所示。

该测量系统采用P3000S-102A型绝对压力传感器，可测0～98.0665KPa（约0～100K的压力）。

数字压力表整机包括
P3000S-102A压力传感器、恒流源、仪用放大器、调零电路、数字电压表DVM、+15V和+5V稳压电源、-15V和-5V的高效DC/DV负电源变换器等七大部分组成。

图3-0-1基于P3000S-102A数字电压表的电路
图
3.1.压力传感器供电电源设计及有关参数计算
传感器采用绝对压力传感器P3000S-102A,恒流驱动，电流为1.5mA,灵敏度是60×10-5～180×10-5mV/Pa,额定压力范围是0～98.0665KPa.（约0～100KPa）
3.1.1.压阻式压力传感器概述
压阻式传感器piezoresistance type transducer是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。

单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。

压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。

这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线（图1）。

压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。

图 1 中硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。

硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。

在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。

图2中是两种微型压力传感器的膜片，图中数字的单位为毫米。

此外，也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。

硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。

压阻式压力传感器特点：1.易于微小型化；2.易于集成化；3.灵敏度高；4.测量范围宽5.频率响应高；6.精度高，工作可靠，寿命长
压阻式传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。

在航天和航空工业中压力是一个关键参数,对静态和动态压力,局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。

压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。

例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。

在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达500℃以上。

在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05％的配套硅压力传感器。

在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。

单个传感器直径仅2.36毫米，固有频率高达300千赫,非线性和滞后均为全量程的±0.22％。

在生物医学方面,压阻式传感器也是理想的检测工具。

已制成扩散硅膜薄到10微米,外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。

用于测量脑压的传感器的结构图。

压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。

此外，在油井压力测
量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。

随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。

3.1.2.P3000S-102A 压力传感器供电电源的设计及参数计算
3.1.2.1供电电源供电方案比较
桥式电路的压力传感器的供电方式有恒压源供电、恒流源供电两种方式。

由恒压源供电的电路如图3-1-1所示。

图3-1-1 恒压源供电
设4个桥臂电阻值起始值相等而且均为R 。

当有压力作用时，2个桥臂电阻增加增加量为△R ，而另外2个桥臂电阻阻值减小，减小量也为△R 。

另外，在温度变化时，每个电阻随温度的变化量为R t ∆。

因此，电桥的输出：
U
sc
=U ×△R/(R+R t ∆)。

若R t ∆=0，则
U
sc
=U ×△R/R ，即电桥的输出与
△R/R 成正比，并与电源电压U 成正比。

若R t ∆≠0，则U
sc
与R t ∆有关，说明
它有温度误差，而且是非线性的。

而由恒流源供电的电路如图3-1-2所示。

图3-1-2恒流源供电
设4个桥臂初始电阻相等。

I142=I132=I/2在有压力使用时，仍有
I142=I132=I/2,因此，电桥的输出U sc为:
U sc=U43=(I/2)(R+△R+R t
∆)
∆)- (I/2)(R-△R+R t
整理后得: U sc=I×△R
由上式可看出，电桥的输出与温度无关。

但是由于工艺的原因，电桥的每一个桥臂电阻实际上也不是完全相等的，因此在零压时，有零位电压输出，用恒流源供电仍会有一定的温度误差。

综上所述，在它们任何条件都均等的条件下，用恒流源供电的电桥输出与温度无关，即没有温度误差，所以一般都采用恒流源给传感器供电。

3.1.2.2恒流源供电电源设计及参数计算
本设计采用基于运算放大器、基准电压源等构成的恒流源供电电源，具体电路如图3-1-3所示。

图3-1-3 恒流源供电电路
电路中VD1采用LM385，其稳定电压为2.5V，作为传感器提供1.5mA恒流源的基准电压。

因为电源电压为+15V,所以电阻R1压降为12.5V。

因VD1的电流范
围是20uA～20mA。

这样，电阻R1选用范围为625KΩ，（12.5V/20uA）到625Ω（12.5V/20mA）。

如果VD1电流选为20mA，R1应选为625Ω，则R1要消耗250mW功率，VD1要消耗50mW功率，可见其消耗太大。

如果VD1电流选的太小，VD1阻抗变大，易受噪声影响。

因此实际电路R1为100KΩ，VD1电流为125uA。

电阻R2上的电压与VD1的电压相同，也为2.5V，而传感器的电流也流经R2，为使传感器电流为 1.5mA，而R2阻值为 1.67KΩ（2.5V/1.5mA），电路中选R2=1.6KΩ。

恒流驱动传感器的运放A1的输出电流为 1.5mA，采用通用运放LM324。

3.1.2.2.1关于LM324的简介
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器，与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四运算放大器可以工作在低到3.0V或者高到32V的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

每一组运算放大器可用上图所示的符号来表示，他有5个引出脚，其中
“＋”、“－”为两个信号输入端，“V
+”、“V
-
”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中Vi
-
（-）。

为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与
该输入端的相位相反；Vi
+
（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

3.2二次变换电子电路设计及参数计算
3.2.1仪用放大电路的设计
本设计选用的压力传感器P3000S-102A的应变电阻为桥式连接，输出电压很小，仅为60～180 mV。

因此如果要求测量精确度很高时，必须选用输入阻抗高，放大差动电压的放大电路。

本设计选用通用运算放大器LM324构成的差动输入、差动输出的仪用放大电路，具体如图3-2-1所示。

图3-2-1仪用放大电路
如果要求放大电路输出电压为1V，则要求放大电路增益为5.5～17倍可调，因此电路电压放大倍数Av可表示为
Av=1+ (R
3+R
4
)/
1
P
R
式中R
3与R
4
选用相同的阻值。

1
P
R采用10KΩ电位器。

由上式可见，当
1
P
R值最大时，增益最小，这是增益为5.5倍较好。

因此，
设
1
P
R为10KΩ，将Av代入上式，可计算R3和R4的阻值,即R3=R4=22.5KΩ。

电路中选R
3=R
4
=20KΩ。

A2与A3的输出是电压差信号，需变换成对地输出信号。

因此，采用A5构成
差动输入﹑单端输出的放大电路，该电路仅放大差动电压，必须R
R
R
R8
6
7
5。

最后一级A5为单端输出，输出电压为0～1V,而A5的差动输入电压也为0～
1V。

因此，A5的增益设为1，R
5﹑R
6
﹑R
7
和
8
R都采用相同阻值的电阻。

电
路中A5采用通用运放LM324，输出可接2KΩ负载电阻。

3.2.2调零电路的设计
当被测压力为0时，P3000S-102A传感器输出应为0。

但实际上，当被测压力为0时，P3000S-102A传感器桥路不平衡，约有±5 mV的电压。

如果A2和A3组成的差动放大器的增益为17倍，就将把桥路的不平衡的±5 mV电压放大17倍，即为±85mV 电压。

若A5增益为1，则输出
O
U就有±85mV 电压，因此，要进行补偿,具体调零电路（零点补偿电路）如图3-2-2所示
图3-2-2 调零电路
电路中A点电位U A=[+15V/( R10+ R9)]×R10=[15V/(15KΩ+100Ω)] ×100Ω=+100 mV，而B点电位U B =-15V/(R12+R11)×R11=[-15V/(15KΩ+10Ω)] ×100Ω=-100 mV。

如果接入2KΩ电位器
2
P
R，则2P R两端的电压约为±90 mV 。

R9、R10、R11、
R12和1P R这些阻值变动的比率相同，若阻值小，消耗电流就要增大，若阻值大，A4偏置电流会产生影响。

影响程度可用A4相同输入端与地之间电阻R10﹑R11和R的合成电阻来计算。

图中参数，合成电阻最大值为550Ω，而A4(LM324)的2
P
偏置电流最大值为250nA，产生最大的电压为0.14 mV，因此采用的电阻值可稍大于图中的电阻值。

因A4电压跟随器的输入是不平衡的，所以不用失调电流而用偏置电流来计
R所形成的电压算其影响。

为补偿传感器桥路不平衡所产生的电压，将电位器
2
P
经A4进行阻抗变换，再通过R8加到A5的同相输入端，就可起到补偿作用。

接入跟随器A4，主要是保证流经R8电流恒定，转换的补偿电压也恒定。

3.2.3 压力传感器的测量电路
图3-2-3压力传感器的测量电路
3.3基于MC14433的DVM电路设计及有关参数计算
3.3.1 DVM电路组成部分及基本原理
数字电压表是将被测模拟量转化成数字量，并进行实时数字显示的数字系统。

该电压表可由MC14433-31/
位A/D转换器、MC1413七段达林顿驱动器数
2
组、CD4511BCD七段锁存-译码-驱动器、基准电源MC1403和共阴极LED发光数码管组成，电路如图3.3.1所示。