数字显示仪表

数字显示仪表

概述：

数字显示仪表可以与不同的传感器（变送器）配合，对压力、温度、流量、物位、转速等参数进行测量并以数字的形式显示被测结果，故称为数字显示仪表。它显示直观、没有人为视觉误差、反应迅速、准确度高等优点。目前数字显示仪表在各个行业已等到广泛的应用。

第一节数字显示仪表的分类及组成

1、数字显示仪表的分类

●按输入信号的形式分

电压型：输入信号是电压或电流（1-5VDC/4-20mADC）

频率型：输入信号是频率(Hz)。

●按仪表具有功能分

数字显示仪、数字显示报警仪、多功能数字显示仪表。

2、数字显示仪表的组成及工作原理

●数字显示仪表的组成

由五部分组成：前置放大、模/数（A/D）转换、非线性补偿、标度变换及计数显示。

●电压型数字仪表的构成方案如下：

(a)

(b)

● 方案（a ）模拟非线性补偿：被测量在模拟信号时就已被线性化了，其测量准确度较低，一般只能达到0.5％-0.1％，优点是可以直接输出线性化的模拟信号。

● 方案（b ）非线性模/数（A/D ）变换补偿：利用非线性的模/数（A/D ）转换电路，在完成模/数（A/D ）转换的同时也完成了线性化，因而结构简单，准确度高，缺点是只能适用于测量特定模拟量，多用在单一参数测量的数字式仪表中。

● 方案（C ）数字线性补偿及标度变换：它可组成多种方案，适用面宽，主要用于直接数字控制系统（DDC ）及计算机设定系统（SPC ）等较大规模的控制系统及测量系统中。其测量准确度高，结构较复杂。

第二节 模/数（A/D ）转换

模/数（A/D ）转换部分是显示仪表的重要组成部份。其功能是将连续变化的模拟量转换成与其成比例的数字量，以便进行数字显示。

上图(a)表示模拟式仪表的指针读数与输入电压V i 关系;图

(c)

指针读数

输入电压V i

输入电压V i

i

数字量

（a ）

（b ）

（b ）表示了将这种关系进行整量化，即用折线代替图（a ）中的直线。

在实际测量中经常是先把非电量转换成电压；然后再由电压转换成数字信号，即A/D 转换。A/D 转换有多种，常用的有两种：双积分型和逐次比较反馈编码型。

1、 双积分型A/D 转换电路

基本原理：将一段时间内的模拟量电压值通过两次积分变换成与其成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，从而得到数字量。

从波形图中可以看出：输入电压V i 越大，则积分器输出电压V 0也越大，t2时间间隔越长，计数器所记的数N 也就越大。因此，计数所计的数，就是输入电压V i 在t1时间内的平均值Vi 的数字值，从而完成了模拟量/数字量的转换。因为这个转换器在

C

双积分模/数转换原理框图

t

积分器输出电压V 0波形图

一次转换过程中进行了两次积分，所以称为双积分转换器。

●双积分转换器的特点：

（1）电路元件参数要求不苛刻。

（2）很强的抗工频干扰能力。

（3）不宜用在快速测量系统中。

2、逐次比较电压反馈编码型

●基本原理：用一套标准电压与被测电压进行比较并不断逼近，最后达到一致。标准电压值的大小就表示了被测电压的大小。将这一与被测电压相平衡的标准电压以二进制形式输出，就实现了模/数转换过程。

●用实验方法加以说明

天平称物：现砝码有2mg、1mg、0.5mg、0.25mg、0.125mg、0.0625mg共6种，按固定顺序排列。后面一个砝码是前一个质量的1/2，相互之间可以看成是二进制的关系。假设被称物体质量为m=3.5627mg,其称量过程如下：依次交砝码放到天平上，如加砝码后质量小于m，则保留并记为“1”，如加砝码后质量大于m则，撤去此砝码并记为“0”。如此进行下去，直到最后一个砝

质量相差3.5627-3.5625=0.0002 mg，这就是称量误差。

根据以上实验，现在我们研究如何将一个3V的电压转换成

由上述过程要以看出，要把一个电压值转换为二进制数码表

示的数值，必须具备以下条件：

（1）有一套相邻为二进制的标准电压—解码网络。

（2）有一个比较签别器，并确定是否保留此电压。

（3）有一个数码寄存器，把每次比较所得的结果保存下来。

（4）有一个控制器，以完成如下任务

a)比较由最高位开始，从高位往低位逐次比较；

b)根据每一次的比较结果，使相应位的数码寄存器记“1”

或“0”并由此决定是否保留这个“解码网络”来的电压。

逐次比较型模/数转换原理图

●特点：

完全是逻辑电路的判别过程；电路元件特性及布线时间常数小；转换速度快。已成为现代数字显示仪表模/数转换的主要手段。

3、两者的区别：前者为间接法，后者为直接法。

第三节非线性补偿及标度变换

1、非线性补偿

●非线性模/数转换补偿法

（1）根据准确度要求将曲线分成若干段，每段以直线代替曲线；将各段直线连接起来，便得到一条与原来曲线相近的折线。

（2）确定量程范围内线性关系的直线斜率，并逐段进行模/数转换，从而实现被测参数的线性显示。

●数字式非线性补偿法

此法是让被测参数经模/数转换后再进入非线性补偿环节。仍是采用以折线代替曲线的方法。

2、标度变换

●模拟量的标度变换（简单可靠但仪表的通用性受限制，仅适用于专用装置）

（1）电阻信号的标度变换

为了将热电阻的电阻变化转变为电压信号的输出，通常采用不平衡电桥作电阻-电压转换。

如图：为不平衡电桥测温原理。

R

R

R

E

Rt

Rt

R

E

U

+

-

+

=

∆

当被测温度处于下限时，R t=R t0=R0,则：

0R

R

E

Rt

R

E

+

=

+

且桥路设计时使得R>>R t0，故被测温度处于任一值时都有：I

I

R

R

E

Rt

R

E

I=

=

+

≈

+

=2

1

于是，有: △U=I（R t-R0）=I△R t

上式说明了可由不平衡电桥的转换关系，通过改变桥路的参数来实现标度变换。