第1页：4.2数字式显示仪表
4.2数字式显示仪表
- 数字式显示仪表框图前置放大：把检测元件的输出信号(常见是电阻或毫伏信号)放大并变换到A／D转换器所需的电压值。
- A／D转换
- 主要任务是使连续变化的模拟量转换成断续的数字量，具体包括采样和量化(编码)两个过程。
- ♦采样
- 将模拟量转换成离散量。
第2页：♦量化过程
♦量化过程
- 将被测信号在它的变化范围内划分为若干层，每一层用一个整量化数字来代表。
- 量化过程即为被测信号与量化层数字的比较过程。
- 量化过程必然存在量化误差，是用数字量逼近模拟量的过程中产生的舍入误差。
- 其大小与量化过程中划分的量化层数及量程有关。
- 标度变换：量纲还原。
- 数字仪表显示要求用被测变量的形式显示，例如，温度、压力、流量等。
- 标度变换实际上是一种系数运算。
- 通过得到的系数将量化后的数字量转化为实际物理量的数值进行显示。
第3页：4.2.1模-数转换
4.2.1模-数转换
- （A/D）模数转换多为直流电压到数字量的转换。理想A/D转换器的输入、输出函数关系可精确的表示为D：A/D转换输出的数字信号；Ux：A/D输入的模拟电压；Uq：A/D量化单位电压。量化误差: Ux/Uq和D之间的差值。A/D转换方法分类：
- 直接比较型
- 基于电位差计的电压比较原理
- 间接比较型
- 利用中间变量的模-数转换方法
- 复合型
- 上两种方法的复合应用
第4页：直接比较型A/D转换
直接比较型A/D转换
- （基于电位差计的电压比较原理）基本方法：利用已知标准电势的叠加不断与被测电势比较原理图UR：标准可调电势；Ux：被测电势主要构成环节：
- 解码网络
- 产生标准电势
- 比较器
- 比较被测电势与标准电势
- 数码寄存器
- 存储比较结果（0、1）
- 控制线路
- 保证整个比较、存储过程的有序进行
第5页：逐次比较法
逐次比较法
- 基本原则
- 利用已知标准电势（量化层数字）与未知电势比较，若标准电势大于未知电势，相应层位置置“0”；若标准电势小于未知电势，则在相应层位置置数1。
- 上述置“1”层的比较电势之和加下一标准电势的总和与未知电势比较，总和大于或小于未知电势，相应标准电势层置“0”或置“1”。
- 重复上述步骤直到达到最小标准电势为止。
第6页：1分层比较过程
1分层比较过程
例：利用逐次比较法将624mV模拟信号按照8-4-2-1码转换为数字信号分层：按8-4-2-a.800>624，相应层置“0”b.400<624，相应层置“1”c.400+200<624，相应层置“1”d.600+100>624，相应层置“0”e.600+80>624，相应层置“0”f.600+40>624，相应层置“0”g.600+20<624，相应层置“1”h.620+10>624，相应层置“0”………………8位量化结果：01100010量化误差：4mV80040020010080402010842112位量化结果：011000100100量化误差：0mV
第7页：间接比较型A/D转换器
间接比较型A/D转换器
- 通过中间变量实现模数转换。
- 一般取时间(U-T型)或频率(U-F型)作为中间变量U-T型A/D转换基本思想：以时间为中间变量将被测电压转换成数字量。
- 基本步骤
- a.确定采样区间，求取采样区间的被测电压平均值。
- 将采样区间的被测电压平均值转换成一个时间段，c.中间变量（时间段）转换到数字量。
第8页：双积分法A/D转换
双积分法A/D转换
例：：(采样积分、反向积分), (U-T型)转换过程（步骤）a.采样积分阶段b.反向积分（电容电压与基准电压比较阶段）采样图：转换原理图：
第9页：3断开
3断开
- 采样积分阶段计数器置“0”；K1闭合，K2、K。积分(C、R、A构成积分器) ,积分时间t1(=20ms, 100ms)
- 积分输出电压
- 令为t1时间间隔的平均电压：完成平均电压转换：
第10页：3断开
3断开
- 反向积分（电容电压与基准电压比较阶段）K2闭合；将与被测电压极性相反的基准电压UR接入积分器。
- K1、K。
- 计数器开始计（脉冲）数。
- 则将Ux与UA关系代入，得：实现了Ux到t2的转换，设：反向积分时间为t2，有：反向积分段，计数器记录了脉冲个数，完成了t2到数字量N的转换。
第11页：2采用同一脉冲源
2采用同一脉冲源
- 间接比较型特点：
- 对时钟要求降低：t1、t；
- 对积分元件要求较低，t2与R、C无关；
- 抗干扰能力强
- 采用对平均电压转换；
- 应保证t2＜＜t1
- 反向积分时对被测电压无监视能力；
- 测量速度慢
- 为提高抗工频干扰的能力，采样时间应取工频周期的整数倍。t1= n · 20msn越大，抗干扰能力越强，但是，测量速度越慢
第12页：4.2.2信号的标准化及标度变换
4.2.2信号的标准化及标度变换
- 信号标准化
- 数字显示仪表要求输入标准直流电压信号，信号标准：0 ~ 10mV，0 ~ 30mV，0 ~ 50mV，0 ~ 1.25V，0 ~ 2.5V，0 ~ 5V等2)标度变换（线性标度变换）标度变换实际上是一种系数运算，即,使输出的数字量与被测变量一致。
- 由于这种转换是基于线性条件而实现的，所以称为“线性标度变换”。
- 标度变换方式
- 模拟量标度变换，数字量标度变换
第13页：模拟量标度变换在仪表
模拟量标度变换在仪表
- 主要类型及实现方法
- a.电势信号标度变换：一般是调整前置放大电路的放大倍数，使放大器的输出电压经A/D转换器后的二进制数值与被测参数的数值一致。
- 电阻信号标度变换
- 通常采用不平衡电桥实现电阻-电压转换c.电流信号标度变换：应用简单的电阻网络实现电流-电压转换d.频率信号标度变换：应用频率-电压转换器或计数累计方法
第14页：10位二进制数
10位二进制数
- 电势信号标度变换例
- 某数字温度显示仪表，配用K型热电偶，A/D转换器的最大输入为4V，最大输出为，对应十进制1023。
- 仪表采用模拟量标度变换，温度测量范围为0～1000℃。
- 标度转换设置
- 仪表显示数值1000要求的A/D转换器输入信号为即当被测温度为1000℃时，热电偶的输出电势（41.276mV）经前置放大后应达到3910mV，据此，可求得前置放大器的放大倍数为
第15页：电阻信号标度变换将电阻信号转
电阻信号标度变换将电阻信号转
变为电势信号原理图：描述：桥路输出：则被测温度为任意值时有：被测温度为下限时，Rt= Rt0= R0，有：设温度为非下限温度,且R>>R0,则有：
第16页：50铜电阻测温
50铜电阻测温
- Cu，测温范围
- 0~50℃，电阻变化值：△R=10.70Ω。
- 设：数字仪表分辨力：100μV，则：满度显示50时所需信号为50×100=5mV,根据前式有线路电流为：通过选择E或R可获得需要的信号I。
- 仪表分辨力或显示位数变化，则桥路参数应随之改变。
第17页：数字量标度变换信号经A
数字量标度变换信号经A
- ／D转换器后进行标度变换。也可直接通过对数字脉冲信号的运算实现。
- 通过A/D转换器的标度变换标度变换原理可以通过图示的“与”门电路来说明。由“与”门的真值表可知：A、B端均为高电位时，“与”门的输出为高电位，A、B端如有一个低电位则F为低电位，变换方法：利用控制脉冲B(负脉冲)改变输入脉冲A的频率。
第18页：2个脉冲
2个脉冲
例图：如图所示，由于控制脉冲B的作用，使输入脉冲A每10个脉冲扣除了，即输出脉冲F是输入脉冲A的0.8倍，相当于乘了一个0.8的系数。
第19页：查表法标度变换
查表法标度变换
- 通过查表法来实现。
- 表格被固化在EPROM中，A/D转换器的输出(二进制数)作为地址访问EPROM，取出EPROM存放的表格内容作为显示器的显示值。
- 例如，某数字温度显示仪表配K型热电偶，放大器的放大倍数为100倍，温度测量范围为0～800℃。
- 求解地址
- 当t=800℃时，E=33.275mV，放大器的输出为3327.5mV。
- 如果A/D转换器的最大输入为4V，输出为10位二进制数，则在t=800℃时，A/D转换器的输出为即：在EPROM地址为851单元中存放800，则可完成标度变换
第20页：注意
注意
- 如果敏感元件的热电势与温度之间具有线性关系，则其他单元按上述比例关系存放相应数值即可。
- 例如，在地址单元425中存放400。
- 否则，应在对应地址中存放转换结果。
- 热电偶是一个典型的非线性元件，当t=400℃时，热电势是16.397 mV ≠ 33.275/2 mV，计算得因此，在地址单元419存放400，就能保证在热电偶被测温度为400℃时，数字显示仪表也正好显示400。
- 可知
- 查表法不仅能实现标度变换，还能进行线性处理。
第21页：4.2.3线性化
4.2.3线性化
- 模拟式线性化
- 置于A/D转换之前，精度较低，调整方便，成本低
- 数字式线性化
- 置于A/D转换之后，精度高
- 非线性A/D转换
- 精度介于上二者之间，0.1%~0.5%非线性补偿硬件非线性补偿软件非线性补偿模拟式线性化数字式线性化非线性A/D转换
第22页：模拟式线性化
模拟式线性化
- ①串联方式原理图使线性化器具有与检测元件相反的非线性特性，利用二非线性特性互补实现线性化。
- 关键问题
- 获取线性化器静态特性方法：解析法、图解法本课程介绍图解法
第23页：图解法
图解法
- 基本方法
- 利用折线逼近原非线性曲线，使之分段呈线性线性化（图解）方法:操作方法：a.传感器非线性特性曲线置于第一象限。
- 放大器特性曲线置于第二象限。
- 期望线性关系曲线置于第四象限d.设点，作图获得线性化器特性曲线传感器特性曲线放大器特性曲线期望线性曲线线性化器特性曲线
第24页：反馈式线性化利用反馈补偿原理
反馈式线性化利用反馈补偿原理
- 引入非线性负反馈环节，用负反馈环节本身的非线性特性补偿检测元件的非线性。
- 反馈式线性化原理图注意到
- 负反馈回路特性是反馈环节特性的倒特性。
- 使反馈环节与检测元件具有相同的非线性特性，则，负反馈回路的特性与检测元件的非线性关系相反，实现对检测元件非线性补偿。
第25页：2完全补偿
2完全补偿
设：UI=ax2,求非线性反馈环节特性∵K很大，有：UI= Uf= ax，有：U0= SxS：整机灵敏度反馈环节特性：解析法例：
第26页：反馈式线性化图解法
反馈式线性化图解法
- 步骤
- a.传感器非线性特性曲线置于第一象限。
- 期望线性关系曲线置于第四象限c.根据精度要求，将x轴分成数段，d.作图，所求特性曲线置于第二象限。
- 上述方法应用前提是放大器放大倍数足够高，满足式：UI≈Uf传感器特性曲线期望线性曲线反馈网络特性曲线
第27页：非线性A/D转换
非线性A/D转换
- 例如
- 利用A/D转换输出，通过逻辑处理后发出相应的控制信号反馈到A/D转换网络，改变A/D转换的转换系数等方法。
- 电桥不平衡，检零器输出高电平，打开CP脉冲控制门，计数器计数，同时输出控制信号控制模拟开关动作，直到电桥平衡。
