数字式压力表设计

实习报告课程名称: 数字式电压表

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数字式压力表的设计

1.课程设计的目的

压力表就是指以弹性元件为敏感元件,测量并指示高于环境压力的仪表,它几乎遍及所有的工业流程与科研领域。利用ICL7107构成数字式压力表。

2.课题要求

(1)测压范围:0—60Mpa,主要分为四个量程段:0、04—0、6Mpa;0、1—6Mpa;1—25Mpa;1—60Mpa;

(2)测量精度:1、0级。

(3)具有显示、变送、报警等功能,可同时两路输入;

(4)模拟输出:可同时提供两组4-20mA或0-10V输出。

3.设计原理

主要器件由芯片ICL7106与液晶显示器LCD组成

关键词:芯片ICL7106 液晶显示器LCD

图一为简易原理方框图。

由于7106就是把模拟电路与逻辑电路集成在一块芯片上,属于大规模CMOS 集成电路,因此本方案主要有以下特点:(1)采用单电源供电,可使用9V迭层电池,有助于实现仪表的小型化。(2)芯片内部有异或门输出电路,能直接驱动LCD显示器。(3)功耗低。芯片本身消耗电流仅1。8mA,功耗约16mW。(4)输入阻抗极高,对输入信号无衰减作用。(5)能通过内部的模拟开关实现自动调零与自动显示极性的功能。(6)噪声低,失调温标与增益温标均很小。具有良好的可靠性,使用寿命长(7)整机组装方便,无须外加有源器件,可以很方便地进行功能检查。

本文设计的电压表,电压值显示稳定,读数方便,能测量正、负电压且能自动切换量程,使用方便。系统框图(如图1 所示)。本系统可分为测试电压转换、模拟电压通道、数据电压通道(A/D 转换及译码锁存)、数码显示、小数点驱动电路5部分。

图1系统框图

4.设计思路

4、1工作原理

ICL7107 就是双积型的A/D 转换器,还集成了A/D 转换器的模拟部分电路,如缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源与模拟开关,以及数字电路部分如振荡源、计数器、锁存器、译码器、驱动器与控制逻辑电路等,使用时只需外接少量的电阻、电容元件与显示器件,就可以完成模拟到数字量的转换,从而满足设计要求。显示稳定可读与测量反应速度快,就是本设计的关键。ICL7107 的一个周期为用4000 个计数脉冲时间作为A/D 转换的一个周期时间,每个周期分成自动稳零(AZ)、信号积分(INT)与反积分(DE)3 个阶段。内部逻辑控制电路不断地重复产生AZ、INT、DE 3 个阶段的控制信号,适时地指挥计数器、锁存器、译码器等协调工作,使输出对应于输入信号的数值。而输入模拟量的数值在其内部数值上等于计数数值T,即:VIN 的数值=T 的数值或Vin=Vref(T/1000) 式中:1000 为积分时间(1000 个脉冲周期);T 为反积分时间(满度时为2000)。

ICL7107的管脚排列:管脚1与26就是ICL7107的正、负极。COM为模拟信号的公共端,简称模拟地,使用时应与IN－、UREF－端短接。TEST就是测试端,该端经内部500Ω电阻接数字电路的公共端(GND),因二者呈等电位,故亦称做数字地。该端有两个功能:①作测试指示,将它接U＋时LCD显示全部笔段1888、可检查显示器有无笔段残缺现象;②作为数字地供外部驱动器使用,来构成小数点及标志符的显示电路。a1～g1、a2～g2、a3～g3、bc4分别为个位、十位、百位、千位的笔段驱动端,接至LCD的相应笔段电极。千位b、c段在LCD内部连通。当计数值N＞1999时显示器溢出,仅千位显示“1”,其余位消隐,以此表示仪表超量程(过载溢出)。POL为负极性指示的驱动端。BP为LCD背面公共电极的驱动端,简称“背电极”。OSC1～OSC3为时钟振荡器引出端,外接阻容元件可构成两级反相式阻容振荡器。UREF＋、UREF－分别为基准电压的正、负端,利用片内U＋－COM之间的＋2、8V基准电压源进行分压后,可提供所需UREF值,亦可选外基准。CREF＋、CREF－就是外接基准电容端。IN＋、IN－为模拟电压的正、负输入端。CAZ端接自动调零电容。BUF就是缓冲放大器输出端,接积分电阻RINT。INT为积分器输出端,按积分电容CINT。需要说明,ICL7106的数字地(GND)并未引出,但可将测试端(TEST)视为数字地,该端电位近似等于电源电压的一半。

图2 7107管脚示意图

4、2 ICL7107的工作原理

ICL7107内部包括模拟电路与数字电路两大部分,二者就是互相联系的。一

方面由控制逻辑产生控制信号,按规定时序将多路模拟开关接通或断开,保证A/D 转换正常进行;另一方面模拟电路中的比较器输出信号又控制着数字电路的工作状态与显示结果。下面介绍各部分的工作原理。

（1）模拟电路

模拟电路由双积分式A/D转换器构成,电路如图3所示。主要包括2、8V 基准电压源(E0)、缓冲器(A1)、积分器(A2)、比较器(A3)与模拟开关等组成。缓冲器A4专门用来提高COM端带负载的能力,可谓设计数字多用表的电阻

图3 ICL7107的模拟电路

挡、二极管挡与hFE挡提供便利条件。这种转换器具有转换准确度高、抗串模干扰能力强、电路简单、成本低等优点,适合做低速模／数转换。每个转换周期分三个阶段进行:自动调零(AZ)、正向积分(INT)、反向积分(DE),并按照AZ→INT →DE→AZ…的顺序进行循环。令计数脉冲的周期为TCP,每个测量周期共需4000TCP。其中,正向积分时间固定不变,T1＝1000TCP。仪表显示值, 将T1＝1000TCP,UREF＝100、0mV代入上式得

N＝10UIN 或UIN＝0、1N (1)

只要把小数点定在十位上,即可直读结果。满量程时N＝2000,此时UM＝2UREF＝200mV,仪表显示超量程符号“1”。

欲测量2V以上的直流电压,必须利用精密电阻分压器对UIN进行衰减。积分电阻应采用金属膜电阻,积分电容宜选绝缘性好、介质吸收系数小的聚苯乙烯电容或聚丙烯电容。

为了提高仪表抗串模干扰的能力,正向积分时间(亦称采样时间)T1应就是工频周期的整倍数。我国采用50Hz交流电网,其周期为20ms,应选 T1＝n·20(ms) (2)

式中,n＝1,2,3,…。例如取n＝2、4、5时,T1＝40ms、80ms、100ms,能有效地抑制50Hz干扰。这就是因为积分过程有取平均的作用,只要干扰电压的平均值为零,就不影响积分器输出。但n值也不宜过大,以免测量速率太低。

图4 ICL7107外围电路图