第一章 智能仪器初步设计【精选】

发布于:2021-06-21 05:15:35

智能仪器设计主要内容
智能仪器设计概念:概念、组成、分类、特点和发展。 智能仪器输入信号:分类、特点、传感器和检测方法。 智能仪器硬件电路:放大、显示、键盘、A/D 、D\A。 智能仪器软件编程:信号采样、数据处理、数据通讯。 智能仪器结构外形:外形尺寸、面板布局、输出端子。 智能仪器设计工具: Pretel Autocad Prodeus Keil Word 。

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一. 数字电压表设计
1. 设计要求: (1)测量范围:DC 0—2000mV (2)测量精度:1mV (3)供电电源:AC220V/50HZ (4)显示方式:数字式
2. 设计思路: (1)模拟仪表:不符合数字显示方式(50年代:精度差、速度慢、功能单一) (2)数字仪表:符合要求(60年代:精度高、速度快、读数清晰 ) (3)智能仪表:符合要求( 70年代:测量范围宽、稳定性好、通讯功能 ) (4)P C 仪表:符合要求( 80年代:灵活方便、储存记忆、扩展性好 ) (5)虚拟仪表:符合要求( 80年代后期:测量功能易于扩展、系统组建时间短 ) (6)网络仪表:符合要求( 90年代:网络化、远程化、共享化 )
■发展方向:???
数字化、智能化、网络化、功能多样化、体积微型化。

一. 数字电压表设计
3. 设计步骤: 输入信号(DC0-2000mV) 转换电路(要求标准信号) A/D电路(模拟转数字量) 译码电路(数字量转译码) 驱动电路(输出信号放大) 显示电路(数码管显示器) 数字显示(0000-1999mV)

核心部件ICL7107

一. 数字电压表设计
☆ 核心部件ICL7107介绍
ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含3 1/2位数字A/D 转换器,可直接驱动LED数码管,内部设有参考电压、独立模拟开关、 逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。
管脚说明: 1.IN+和IN-为直流电压输入。 2.REFHI和REFLO为内部参考电压。 3.OSC1~3为内部振荡电路外接RC。 4.TEST为测试端。 5.CREF+和CREF-外接参考电容。 6.AZ BVFF和INT为阻容积分电路。 7. IN-和 COM为模拟地和数字地。 8.VSS VDD和GND 9.A1 ~G1为个位七段数码管输入端。
A2 ~G2为十位七段数码管输入端。 A3 ~G3为十位七段数码管输入端。 C4(B1)为千位1,G4为负数 – 或溢出。

☆ 核心部件ICL7107介绍

ICL7107的量程使用方法:
1. 外部基准电压UREF=100mV时, 内部基准电压UREF=200mV 。 此时模拟输入UIN+=0~200mV时, 数字显示为:000.0~199.9 阻容网络 0.22uF,47K,0.47uF
2. 外部基准电压UREF=1000mV时, 内部基准电压UREF=2000mV 。 此时模拟输入UIN+=0~2000mV时, 数字显示为:0000~1999 阻容网络 0.22uF,470K,0.047uF
3. B4 C4=0V时,LED4数码管显示1? G4=0V时,LED4数码管显示负 -? 模拟输入UIN+=0~200mV时,LED?

4.数字电压表设计(主电路)

□外部基准电压 UREF= V ?
□外部基准电压 改变 ?
□三个二极管 作用 ?
□三个二极管 作用 ?
□ LED4接法 显示 ?
□能否测量U 负值 ?
□3位1/2电压表 含义 ?

4.数字电压表设计(电源电路)

供电电源:AC220V/50HZ

直流电压:DC±5V

变压器

整流器

滤波器

稳压器

课后作业题
1.1 简述智能仪器的主要特点及发展趋势(书本)。 1.2 简述智能仪器的设计原则、要求和步骤(书本)。 1.3 设计多功能数字式LED电压表(课外)。
量程要求:
(1)0 ~200 m V (2)0 ~2 V (3)0 ~20 V
1.4 设计多功能数字式LCD(7106)电压表(课外)。

二. 数字电流表设计
设计要求: (1)测量范围:DC 0—200mA (2)测量精度:0.1mA (3)供电电源:AC220V/50HZ (4)显示方式:数字式
设计方法:电流转换电压电路 U=RI, 确定满量程电压, 即当I=200mA时, 计算得:U=200mV,R=1Ω。

+ I
RU
_

注意:阻容网络参数

+

0.22uF,47K,0.47uF I

基准电压:100mV。 R U

若取1000mV如何?

_

+ I
RU
_

◆电压表和电流表扩量程设计
1.电压表:0-200mV;0-2V;0-20V(分压公式)

20V 2V

R3=900K R2=90K

200mV

R1=10K

电阻R1的取值对测量精度影响?

◆电压表和电流表扩量程设计
2.电流表:0-20mA;0-200mA;0-2A(分流公式)

20mA

R3=9

200mA

R2=0.9

2A R1=0.1

三. 数字欧姆表设计
设计要求: (1)测量范围:0-200Ω 0-2KΩ 0-20KΩ (2)测量精度:1% (3)供电电源:AC220V/50HZ (4)显示方式:数字式
1.设计方法:恒流法 应用恒流源将电阻转换电压 U=RI; 确定满量程电压, 即当R=2000Ω时,计算得:U=2000mV,I=1mA。
恒流源设计:三极管和运算放大器组成的恒流源电路。

三. 数字欧姆表设计
数字欧姆表量程扩展设计: Rx=200Ω时,电阻2.5K取何值? Rx=20KΩ时,电阻2.5K取何值? Rx=200KΩ时,电阻2.5K取何值? ……

三. 数字欧姆表设计

2.设计方法:恒压法 应用运算放大器将电阻转换电压输出: V0=(R0×Vref)/(Rx+R0); V0和Rx非线性,且参考电压Vref、标准电阻R0的误差会直接反映在测量值中。

Rx取值 0 10 50 100 200

输出电压V0 Vref=5V R0=1K

5V 4.95V

V0和Rx非线性 V0和Rx非线性

4.76V 4.54V 4.17V

V0和Rx非线性 V0和Rx非线性 V0和Rx非线性

由表可见恒压法的V0和Rx呈非线性,不适合用ICL7107转换和显示。

3.设计方法:恒阻法和积分法。

四. 数字温度表设计
1.传感器的概念
温度测量与电压和电流有所差别,属于非电量,不能直接送给电路 进行数据处理,需要传感器转换成电量再送给电路实现显示控制等。
传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用 输出信号的器件或装置,又称为敏感元件、检测器、转换器等。
在电子技术领域, 常把能感受信号的电子元件称为敏感元件, 如热敏 元件、磁敏元件、 光敏元件及气敏元件等, 在超声波技术中则强调的是 能量的转换, 如压电式换能器。
传感器的输出信号通常是电量, 它便于传输、 转换、 处理、 显示等。 电量有很多形式, 如电压、电流、电容、电阻等, 输出信号的形式由传感 器的原理确定。

四. 数字温度表设计
2. 温度传感器
常用的温度传感器种类很多:热电阻、热电偶、半导体和膨胀式(气液固)。
(1 用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率,
R-t 关系最好成线性, 物理化学性能稳定, 复现性好等。 目前最常用的热电阻 有铂热电阻和铜热电阻。
铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠, 所以在温度传感器中得 到了广泛应用。按IEC标准, 铂热电阻的使用温度范围为-200~+850℃。我国 规定工业用铂热电阻有R0=10Ω和R0=100Ω两种, 它们的分度号分别为Pt10 和Pt100, 其中以Pt100为常用,它的特性方程为:
在 - 50 ~ 450℃的温度范围内: R t ≈ R0(1+A×t+B×t); A=0.385Ω/℃ B=-0.00577Ω/℃
Pt100热电阻的分度表如下:

四.数字温度表设计
设计要求: (1)测量范围:-50℃—200℃ (2)测量误差:1% (3)供电电源:AC220V/50HZ (4)显示方式:数字式 (5)传 感 器 : Pt100
设计方法:应用恒流源将电阻转换电压 U=RI, I= 10mA
确定量程电压, 即当t=- 50℃时,U0= -50mV;
t=200℃时,U0= 200mV;
设计过程:将Rx换成Rt,电路可将温度变 化转换成电压变化。 由R t ≈ R0(1+A×t+B×t)可知,在设 计温度范围内R t ≈ R0(1+A×t)。
t=- 50℃时,Rt=80.31Ω U0= 80.31mV; t= 0 ℃时 , Rt=100.0Ω U0= 100.0mV; Rt U0 t=100℃时,Rt=138.5Ω U0= 138.5mV; t=200℃时,Rt=175.8Ω U0= 175.8mV;
如何把80.31mV 变换成-50mV? 如何把175.8mV 变换成200mV?

四.数字温度表设计

◆应用减法器将电*移动-100mV:

t=- 50℃时,Rt=80.31Ω U0= 80.31-100=19.69mV;
t= 0 ℃时 , Rt=100.0Ω U0= 100.0-100=0mV; t=100℃时,Rt=138.5Ω U0= 138.5-100=38.5mV; t=200℃时,Rt=175.8Ω U0= 175.8-100=75.8mV;

◆应用放大器得到符合要求的电压:

t=- 50℃时,Rt=80.31Ω U01=-50mV; t= 0 ℃时 , Rt=100.0Ω U01= 0mV; t=100℃时,Rt=138.5Ω U01= 100mV;
t=200℃时,Rt=175.8Ω U01= 200mV;

100mV

◆综合上述两点要求设计电路如图:

减法器的U-=?

2.59

放大器的A =?

500Ω的电位器在电路起什么作用?

20KΩ的变阻器在电路起什么作用?

调零点
调量 程

数字温度表电路

四.数字温度表设计
(2 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。 它构造简单, 使用方便,
具有较高的准确度、稳定性及复现性, 温度测量范围宽, 在温度测量中占 有重要的地位。常用的分度号有E型(镍铬-铜镍)和K型(镍铬-镍硅)。
热电偶有两个接点A和B, 一个称工作端 (T ), 又称测量端或热端, 测温时将它置于被 测介质中; 另一个称自由端, 又称参考端或冷 端(T0); AB间的热电势为:
EAB(T,T0) ? EAB(T,TC ) ? EAB(TC ? T0)
该公式是参考端温度计算修正法的理论 依据,在实际热电偶测温回路中,利用热电 偶这一性质,可对参考端温度不为0℃的热电 *行拚

四.数字温度表设计
E型(镍铬-铜镍)和K型(镍铬-镍硅)分度表

四.数字温度表设计
E型(镍铬-铜镍)和K型(镍铬-镍硅)分度表

四.数字温度表设计
设计要求: (1)测量范围:0℃—800℃ (2)测量误差:1% (3)供电电源:AC220V/50HZ (4)显示方式:数字式 (5)传 感 器 : k型热电偶
设计方法:应用运算放大器将热电势转换成符合量程的电压 U0=A Uab,
确定量程电压, 即当t=0℃时,U0= 0mV; t=800℃时,U0= 800mV;根据
K型热电偶分度表:计算*均放大倍数约为A=24.2。
t= 0 ℃时, Uab= 0mV; t= 100 ℃时, Uab= 4.095mV; t= 200 ℃时 , Uab= 8.137mV; t= 300 ℃时 , Uab= 12.207mV; t= 400 ℃时 , Uab= 16.395mV; t= 500 ℃时 , Uab= 20.640mV; t= 600 ℃时 , Uab= 24.902mV; t= 700 ℃时 , Uab= 29.128mV; t= 800 ℃时 , Uab= 33.277mV;

四.数字温度表设计
数字温度表电路如下: 决定温度量程调节的因素有哪两点? 放大电路的放大倍数范围是多少? 放大电路的输入端是什么电路? 如何实现热电势Uab信号不衰减? 如何检验550℃的显示结果?(22.77mv)

数显温度表实用电路(XMT-101)

数显温度表实用电路(XMT-101)
1. 温度转换电路的特点? 2.差动电压放大电路的特点?3.设定电路的特点?

数显温度表实用电路(XMT-101)
4.控制报警电路的特点?

数显温度表实用电路(XMT-101) 5.参考电压电路的特点?

课后作业题
1.仪表传感器的作用、分类和选用原则。(课本) 2.仪表放大器的作用、分类和选用原则。(课本) 3.模拟开关和采样保持器在仪表中的作用。(课本) 4.常用模拟电信号有哪些?主要检测方法有哪些?(课本) 5.常用工业参数有哪些?如何检测?(课本) 6.设计一台数显电子秤(ICL7107)。(课外) (1)测量范围:0~10kg (2)测量精度:≤10g (3)供电电源:220V±10%


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