数字显示仪表

被测参数变

送

器

前

置

放

大

非线性

补偿

标

度

变

换

模/数

（A/D）转换

计

数

显

示

被测参数变

送

器

前

置

放

大

非线性

补偿

标

度

变

换

模/数

（A/D）转换

计

数

显

示

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：

被测参数变

送

器

前

置

放

大

标

度

变

换

非线性模/数

（A/D）转换

计

数

显

示

(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％％，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

（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 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。

(c)

C

指针读数

输入电压V i

0110010101000011001000010000输入电压V i

量化单位i

数字量

（a ） （b ） 越小转换准确度越高

V0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、、、、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=,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

砝码重量21

二进制数111001二进制数为“1”的砝码重量加起来等于，和实际质量相差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

标准

电压

10010010

二进

制数

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：

标准电压

解码网络

显示器

数码寄存器

控制门

移位寄存器 控制线路 比较签别器 脉冲源 逐次比较型模/数转换原理图

（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。

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。