电子测量技术及应用课件-(7)[146页].pptx

1、第7章 电子测量技术应用第第7 7章章 电子测量技术应用电子测量技术应用 7.1 静态数字频率计设计静态数字频率计设计7.2 三位半数字电压表设计三位半数字电压表设计7.3 电流测量电流测量7.4 电感电感L 及电容及电容C 的测量的测量7.5 电压电压-频率转换频率转换7.6 非电量测量技术及应用非电量测量技术及应用思考与练习题思考与练习题第7章 电子测量技术应用7.1 静态数字频率计设计静态数字频率计设计7.1.1 结构框图及波形关系结构框图及波形关系 结构框图及波形关系如图7-1所示,其原理在时频测量技术一章中已做过介绍,这里 主要介绍设计过程。第7章 电子测量技术应用图71 电子计数法

2、测频的原理框图及各点波形第7章 电子测量技术应用7.1.2 各部分功能及实现方法各部分功能及实现方法 1.信号放大、整形电路信号放大、整形电路 为了能测量不同幅度与波形的周期信号的频率,必须对被测信号进行放大与整形处 理,使之成为能触发计数器的脉冲信号。信号放大可以采用一般的运算放大电路,波形整 形可以采用过零触发电路(将被测信号的波形转变为矩形波),也可以采用施密特触发器。此系统采用 LM741放大器及SN74HC14施密特触发器实现放大整形功能,放大器的增益 为20倍,电路如图72(a)所示。由于系统为+5V 供电,为了得到 LM741运算放大器-5V 电压,采用了反向器集成器件ICL76

3、60。ICL7660管脚如图72(b)所示。第7章 电子测量技术应用图72 放大、整形电路第7章 电子测量技术应用施密特门整形原理如图73所示,其中图(a)为迟滞特性,图(b)为基于迟滞特性的整 形关系波形图。图73 施密特门整形原理第7章 电子测量技术应用2.振荡器振荡器 振荡器的作用是为门控时间提供原始的时间基准,一般用晶体振荡器实现。为了频率 调试方便,这里采用具有一定稳定性的555振荡器实现。图74是用 NE555器件组成的 振荡器电路,调整R2 的阻值可调整振荡器的输出频率。为了获得更好的触发效果,可将 振荡器的输出信号用施密特触发器进行整形。第7章 电子测量技术应用图74 振荡器电

4、路第7章 电子测量技术应用3.分频器分频器 分频器的作用是获得对应门控时间大小的周期性信号的周期。分频器可以采用计数器 通过计 数 获 得。图 75 是 利 用 7 位 二 进 制 输 出 的 计 数 器 74HC4024 及“与 门”器 件 SN74HC11组成的一百进制计数器,以实现100分频。第7章 电子测量技术应用图75 分频器电路第7章 电子测量技术应用4.门控产生门控产生 门控产生器的作用是获得所需的门控时间,一般通过双稳电路来实现,即门控时间对 应了输入信号的周期。如图7 6(a)所示,输入脉冲的周期为 T,输出脉冲的门控时间为 T,即相当于二分频。如图76(b)所示是利用双JK

5、 触发器74HC109中的一个触发器组 成 T 触发器来实现门控产生功能的电路图。JK 触发器构成的 T 触发器为上升沿触发,使 J为高电平、K 为低电平,则可实现图76(a)所示的功能。若当频率为1 Hz的信号由 CLK 输入时,Q 端会输出脉宽为1s、周期为2s的方波信号。第7章 电子测量技术应用图76 门控产生电路及输出波形第7章 电子测量技术应用需要说明的是,时间基准(振荡器周期)是周期性给出的,门控(闸门)信号亦是周期性 的。当闸门时间T 开始(门控上升沿)时,计数器开始计数;在闸门时间T 结束(门控下降 沿)时,将计数器所计数值寄存后对计数器清零。下一个闸门周期依此循环进行。第7章

6、 电子测量技术应用5.主门主门 主门用于控制是否将输入被测脉冲信号送到计数器计数。它的一个输入端接门控产生 电路的输出,用此信号去打开与关闭主门,另一个输入端接被测脉冲,这样就可以获得在 门控时间内所通过的被测信号脉冲的数目。主门可以用“与门”或“或门”来实现。当采用与 门时,门控信号为高电平时进行计数;若采用或门,则门控信号为负电平时进行计数。此 设计采用具有与门功能的集成器件74HC11来完成。第7章 电子测量技术应用6.计数器计数器 选择 228 CD4518B芯片实现计数器功能。CD4518B是一个双 BCD 二/十同步加法计数器结构,功能管脚分别为17和915,其管脚结构如图7 7(

7、a)所示。各管脚功能如下:CLOCK A、CLOCKB:时钟 A 输入端、时钟 B输入端;ENABLEA、ENABLEB:计数允许控制端 A、计数允许控制端 B;Q1AQ4A、Q1BQ4B:计数器 A 输出端、计数器 B输出端;CLEARA、CLEARB:清除端 A、清除端 B;Vdd:正电源;Vss:地。第7章 电子测量技术应用每个计数器有两个时钟触发输入端 CLOCK 和 ENABLE(1脚或2脚;9脚或10脚),4路BCD码信号输出(3脚6脚;11脚14脚)。时钟触发输入端 CLOCK 为上升沿触发 计数,时钟触发输入端 ENABLE为下降沿触发计数。第7章 电子测量技术应用图77 基于

8、 CD4518芯片计数器设计第7章 电子测量技术应用若选择时钟上升沿触发计数,则时钟触发信号应由 CLOCK 端输入,此时 ENABLE 端应置为高电平(1),清除端应置低电平(0);若选择时钟下降沿触发计数,则时钟触发信 号应由 ENABLE 端输入,此时 CLOCK 端应置为低电平(0),清除端应置低电平(0)。CD4518功能表如图77(b)所示。第7章 电子测量技术应用图77 基于 CD4518芯片计数器设计第7章 电子测量技术应用对于四位LED显示,最大显示数字为9999,则需要四位十进制加法计数器,即四个十 进制加法计数器,采用两块 CD4518芯片即可。考虑到 CD4518没有进

9、位触发端,对于前 三位计数器,需要施加适当的控制以实现进位触发功能。现选择上升沿触发,为了保证当 前位计数器在输出数字量1001结束后能给下一位计数器提供上升沿触发电平信号,将 Q4 和 Q0 端“与非”后作为下一级计数器的时钟输入,即可完成进位功能。具有进位端的十进 制计数器如图77(c)所示。把4个计数器级联起来就构成了4位十进制计数器,Z指输 出为高阻状态。第7章 电子测量技术应用图77 基于 CD4518芯片计数器设计第7章 电子测量技术应用7.锁存器锁存器 在门控时间内,计数器的计数结果(对应被测信号频率)必须经锁定后才能获得稳定的 显示值。锁存器的作用是通过触发脉冲控制,从而将计数

10、器的计数结果寄存起来,再送至 译码显示器。锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器,为了使数据控制稳定,最好采 用边沿触发方式的锁存器件。这里选择常用的8位锁存器74HC374。74HC374为具有三 态输出的八 D 边沿触发锁存器,其管脚功能如图78(a)所示,功能表如图78(b)所示。在CLK 触发输入端输入脉冲的上升沿时,将D1D8 的数据锁存(打入)到输出端 Q1Q8。功能表中的 Q0 为建立稳态前各 Q 的电平,Z指输出为高阻状态。第7章 电子测量技术应用图78 HC374管脚功能图及功能表第7章 电子测量技术应用8.译码器与数码管显示译码器与数码管显示 译码器的作用是把用 BCD码表

11、示的十进制数转换成能驱动数码管正常显示的笔段信 号,以获得对应十进制数的数字显示。在选用译码器时,译码器的输出方式必须与数码管 的显示方式匹配。此设计选择通用的共阴七段 LED 数码管,译码驱动选用集成译码器件 CD4511。译码器与数码管连接方法如图79所示,其中 A、B、C、D为四位二进制数的输入端。为了防止数码管工作电流过大而损坏,在译码器的输出端与数码管各段的输入端需 加330 左右的限流电阻。第7章 电子测量技术应用图79 CD4511译码器与数码管连接示意图第7章 电子测量技术应用9.逻辑控制器逻辑控制器 逻辑控制器主要完成两个功能:第一个是控制计数器的计数、清零功能;第二个是控

12、制寄存器的锁存(打入)功能,即显示器的显示控制。在计数阶段(闸门工作期间),显示器 显示的是上一个闸门工作期间的计数结果,不会显示计数器计数期间的瞬时计数值。控制 电路如图710所示,用集成器件74HC11的一个与门,经合理的输入、输出关系控制后 即可实现这些逻辑控制功能。第7章 电子测量技术应用图710 逻辑控制电路第7章 电子测量技术应用7.1.3 数字频率计系统结构及电路组成数字频率计系统结构及电路组成 图711为测量频率范围为19999Hz的四位静态显示的数字频率计系统结构及电 路组成。系统供电电压为+5V。第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用7.1.4 各部分工作原理及系

13、统工作过程各部分工作原理及系统工作过程 被测信号通过由LM741运算放大器组成的20倍增益的放大电路后送至施密特触发器 整形,得到能触发计数器的脉冲波输出,送至主门电路。为了防止输入信号太强,损坏集 成运放,可在运放的输入端反向并接两个保护二极管。图711中,V100指的是555电路输出并整形之后的100Hz信号,V+1s指的是门 宽为1s的门控信号,V-1s指的是 V+1s信号取反后的信号。第7章 电子测量技术应用7.2 三位半数字电压表设计三位半数字电压表设计7.2.1 系统结构设计系统结构设计 系统结构框图如图712所示,其原理在电压测量技术的电压数字化测量中已做介 绍,这里主要介绍设计

14、过程。第7章 电子测量技术应用图712 系统结构框图第7章 电子测量技术应用7.2.2 各部分功能及实现方法各部分功能及实现方法 根据设计三位半数字电压表的任务要求,需要选择三位半双积分式 A/D转换器,并根 据所选择的 A/D转换器的特点,选择其余各部分的功能电路。现选择摩托罗拉公司生产 的 A/D转换器 MC14433,此转换器内部不包括译码电路,但正好可以从测量关系分解的 角度更好地认识数字化测量技术。第7章 电子测量技术应用1.三位半双积分三位半双积分 A/D转换器转换器 MC14433 1)管脚功能 MC14433是 CMOS双积分式三位半 A/D 转换器。该器件将构成数字和模拟电路

15、的 约7700多个 MOS晶体管集成在一个硅芯片上,采用双列直插式24管脚封装,其管脚功 能示意图如图713所示。第7章 电子测量技术应用图713 管脚功能示意图第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用2)性能特点(1)工作电压范围为4.58V,功耗为8mW。(2)内含时钟振荡器,具有自动调零、自动极性转换功能。(3)仅需外接一只振荡电阻,电压量程分两挡:200 mV 和2V,最大显示值分别为 199.9mV、1.999V。基准电压与量程成1 1关系,即Um=Uref。能获得超量程(OR)、欠 量程(UR)信号,便于实现自动转换量程。能增加读数保持(HOLD)功

16、能。(4)可测量正或负的电 压 值。当 CP1、CP0 端 接 入 470k 电 阻 时,时 钟 频 率 约 为 66kHz,每秒钟可进行4次 A/D转换。第7章 电子测量技术应用(5)需配外部的段、位驱动器,采用 动 态 扫 描 显 示 方 式,通 常 选 用 共 阴 极 LED 数 码管。(6)有多路调制的 BCD码输出,能与微处理机或其它数字系统兼容,可直接配微处理 器构成智能仪器。第7章 电子测量技术应用3)内部结构及工作原理 MC14433的内部原理结构如图714所示,主要由积分器及自动调零、时钟振荡器、三位半计数器、锁存器、多路选择开关、控制逻辑、极性检测器及过载(超量程)指示器等

17、组成。MC14433内部没有段译码器。第7章 电子测量技术应用图714 MC14433的内部原理结构示意图第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用DS1DS4 是各位数据输出的位选通信号,当某一位选通信号为高电平时,相应位的 数据即被选通,此时该位数据从 Q0Q3 端输出,时序关系如图715所示。EOC为脉宽 仅为T0/2的窄脉冲。当 EOC正脉冲过后,按照 DS1(最高位 MSD,即千位)DS2DS3DS4(最低位LSD)的顺序依次选通。位选通信号的脉宽为18T0,相邻位选通信号之间有 2T0 的位间消隐时间。作动态扫描时,扫描频率f1=f0/80,若取f0=50kHz,则f1=62

18、5Hz,测量速率 MR=f0/164003次/s。第7章 电子测量技术应用图715 DS1DS4 时序关系图第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用MC14433外部接线电路如图716所示,R4、C1 分别为外接积分电阻及电容,C2 为 外接调零电容,R5 为外接振荡电阻。为了调试方便,3脚的被测电压Ux 连接一开关,通 过开关S可以选择被测对象。图中,用电位器R3 对正、负电压分压,调节电位器R3 滑动 端的位置就可以模拟不同的被测量。第7章 电子测量技术应用图716 MC14433外部接线电路图第7章 电子测量技术应用2.译码、显示电路译码、显示电路 译码器

19、的作用是把用 BCD码表示的十进制数转换成能驱动数码管正常显示的笔段信 号,以获得对应十进制数的数字显示。在选用译码器时,译码器的输出方式必须与数码管 显示方式匹配。此设计选择通用的共阴七段 LED 数码管,译码驱动选用集成译码器件 CD4511。第7章 电子测量技术应用考虑到 A/D 转换器 MC14433内部的三位半计数器功能,又考虑到各位计数器 的计数值是按位动态扫描输出的,所以译码、显示亦采用动态扫描译码、显示方式,即将 一个CD4511译码器的四个输入端和 A/D转换器的四位二进制数字输出端相连接,将该译 码器的各个输出端同时连接到四个LED数码管的对应输入端,利用 A/D转换器 M

20、C14433 的选通信号控制 LED数码管接地端的电平,从而保证 A/D转换器中相应位上的计数器点 亮 LED显示器的相应位。译码器、数码管控制连接方法如图717所示。第7章 电子测量技术应用图717 译码器、数码管控制关系第7章 电子测量技术应用3.逻辑控制电路逻辑控制电路 鉴于一部分逻辑控制电路已在 A/D转换器中完成,又考虑到 A/D 转换器输出的各位 计数器的计数值和选通信号相对应,所以,需要配合好 A/D 转换器的输出,做好译码、显 示的逻辑控制功能。第7章 电子测量技术应用由于 A/D转换器 MC14433输出的选通信号为高电平信号,因此对于选择的共阴LED 数码管显示器就需要进行

21、反向,此系统选择 MC1413七路达林顿管作为数码管的选通器。MC1413采用 NPN 达林顿复合晶体管的结构,可直接接收 MOS或 CMOS集成电路的输 出信号。其封装为16引脚的双列直插式。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量 的抑制二极管。该器件有两个作用:一是增强驱动能力,它有很高的电流增益(=1500,Icm 200mA)和很高的输入阻抗,可把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载,7路同时工作时每路仍可输出40mA 电流;二是具有反向作用,该电路内含有7个集电极 开路的反相器(也称 OC门)。MC1413内部结构及应用如图718所示,其中图(a)为内部 结构,图(b)为应用

22、示意图。第7章 电子测量技术应用图718 MC1413内部结构及应用示意第7章 电子测量技术应用4.精密基准稳压电源精密基准稳压电源 A/D转换需要外接标准电压源作为参考电压,标准电压源的精度应当高于 A/D 转换 器的精度。此系统采用 MC1403集成精密稳压源提供参考电压。MC1403的输出电压为 2.5V,当输入电压在4.515V 范围内变化时,输出电压的变化不超过3mV,一般只有 0.6mV 左右,输出最大电流为10mA。在 MC1403的输出端通过电位器分压来得到所需 要的2V 或200mV 基准参考电压。为了方便,可用两个10k 电位器分别分压输出,并 由开关来选择,其电路如图71

23、9所示。第7章 电子测量技术应用图719 基于 MC1403的稳压输出第7章 电子测量技术应用7.2.3 三位半数字电压表系统结构及电路组成三位半数字电压表系统结构及电路组成 由 MC14433等器件组成的三位半数字电压表的系统结构及电路组成如图720所示。被测直流电压Ux 经 A/D转换后以动态扫描形式输出,数字量输出端 Q0、Q1、Q2、Q3 上 的数字信号(8421BCD码)按照时间先后顺序依次按千位、百位、十位、个位输出,同时位 信号指示 DS1、DS2、DS3、DS4 依次为高电平,作为位选信号;数字信号经七段译码器 CD4511译码后,驱动四只LED数码管的各段阳极,位选信号DS1

24、、DS2、DS3、DS4通过位 选开关 MC1413反向后分别控第7章 电子测量技术应用制着千位、百位、十位和个位上的四只 LED 数码管的公共 阴极,这样就把 A/D转换器按时间顺序输出的数据以扫描形式在四只数码管上依次显示 出来。由于选通重复频率较高,工作时从高位到低位以每位每次约300s的速率循环显 示,即一个四位数的显示周期是1.2ms,所以人的肉眼就能清晰地看到四位数码管同时显 示三位半十进制数字量。第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用7.3 电电 流流 测测 量量7.3.1 电流电流 电压转换法电压转换法 电流 电压转换法

25、主要可归纳为下面两种方法。1.取样电阻法取样电阻法 取样电阻法就是在被测电流回路中串入很小的标准电阻r取样电阻,将被测电流 转换为被测电压Ux,当满足条件rR 时,取样电阻r 上的电压为第7章 电子测量技术应用若被测电流Ix 较大,可以直接用高阻抗电压表测量取样电阻两端的电压Ux;若被测 电流Ix 较小,应将Ux 放大到接近电压表量程的适当值后再由电压表进行测量。为了减小 Ux 的测量误差,要求该放大电路具有极高的输入阻抗和极低的输出阻抗,为此,一般采用 电压串联负反馈放大电路,如图721所示。对于不同大小的测量电流,可以选择不同的 取样电阻,即分挡测量。第7章 电子测量技术应用图721 取样

26、电阻法测量电流第7章 电子测量技术应用在图721中,开关S1S3 为量程开关。若选择电阻为ri,则输出电压为第7章 电子测量技术应用2.反馈电阻法反馈电阻法 反馈电阻法就是在被测电流回路中串接一个电压并联负反馈运放电路,让被测电流流 过反馈电阻,如图722所示。图722(a)中,S为量程开关,取R1=1k,R2=10k,R3=100k。若Ux 接5V 量程电压表,则该测量电路可测电流量程相应约为5mA、0.5mA、0.05mA 三挡。该电 路中标准电阻R1R3 阻值一般为101 M。当R1 M 时,难 以 保 证 准 确 度。若 被 测 电 流Ix 很 小 时,例 如 将Ix=10nA 转 换

27、 为 Ux=1V 时,需R=100 M,测量准确度就难以保证。此时可选R=1 M,先将10nA转换成10mV,再用一个电压增益为100的同相比例运算放大器将电压放大到1V。第7章 电子测量技术应用图722 反馈电阻法测量电流第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用7.3.2 电流电流 频率转换法频率转换法 用 NE555定时器可组成电流 频率转换器,用该转换器可以比较简单地测量电流。将 NE555电路的阈值端(6脚)、触发端(2脚)和放电端(7脚)全部连接在一起,并接上一个积 分电容,利用输入电流对电容的充放电,可实现从电流到频率的转换。其电路如图723 所示。第7章 电子测量技术应用

28、图723 基于555的电流 频率转换电路第7章 电子测量技术应用7.3.3 电流电流 磁场转换法测量电流磁场转换法测量电流霍尔式电流表霍尔式电流表 不论是用电流表直接测量电流还是用RU 转换法间接测量电流,都需要将被测量电 流回路切断后再接入测量装置,测量不是很方便。在不允许切断电流回路或被测电流太大 的情况下,可以利用电流 磁场转换的关系,然后再利用霍尔传感器将对应的磁场转换为 电压值,之后进行放大、处理后显示。这里简单介绍转换原理。第7章 电子测量技术应用霍尔式电流表的原理是利用霍尔传感器,将被测电流产生的磁场大小转变为对应霍尔 电势的大小。图724为采用霍尔传感器的钳形电流表测量现场示意

29、图。图中,冷轧硅钢 片圆环的作用是将被测电流Ix 产生的磁场集中到霍尔元件上,以提高灵敏度。作用于霍 尔片上的磁感应强度B 为式中,KB 为电磁转换灵敏度。第7章 电子测量技术应用线性集成霍尔片的输出电压Uo 为式中,KH 为霍尔片灵敏度,I 为霍尔片控制电流;K 为霍尔电流表的电流灵敏度,且 K=KHKBI。第7章 电子测量技术应用若Ix 为直流,则Uo 亦为直流;若Ix 为交流,则Uo 亦为交流。霍尔式钳形电流表可 测量的最大电流达100kA,可用来测量输电线上的电流,也可用来测量电子束、离子束等 无法用普通电流表直接进行测量的电流。第7章 电子测量技术应用图724 霍尔式钳形电流表测量现

30、场示意图第7章 电子测量技术应用7.4 电感电感L 及电容及电容C 的测量的测量7.4.1 电感电感L 测量测量 可以采用LU 转换技术和电压测量技术相结合的方式测量电感值L。如图725所 示,将电感器接入放大器的反馈支路,用正弦信号ur 作为放大器的激励。图中,R1 为放 大器输入端的标准电阻,被测电感器可等效为rx 和Lx 串联电路,其中rx为等效串联 电阻。第7章 电子测量技术应用图725 放大器式L U 变换第7章 电子测量技术应用设测试电压ur=Ursint,则从图725不难求得经电感 电压变换的输出电压uo:第7章 电子测量技术应用从式(71)可见,uo 由实部和虚部两部分组成,它

31、们分别与rx 和Lx 成正比。利用同 步检波器可把实部(同相分量)与虚部(正交分量)分离出来,即uo 经同步检波后分别得到 两个直流电压:第7章 电子测量技术应用为了实现对rx 和Lx 的数字化测量,可采用双积分式 A/D转换器。为此,把U1(改变符号 后)加到图420的 A/D变换器的Ux输入端,而将ur(t)经检波后所得的对应其幅度的直 流电压Ur 加到图420中的基准电压输入端,这样由式(427)可得于是第7章 电子测量技术应用或写成从式(75)可知,计数器计得的数 N2 正比于被测电感的等效串联电阻rx,因此,rx 可直接用数字显示。改变R1 可进行量程转换。第7章 电子测量技术应用同

32、样,把分离出来的正交分量U2(改变符号后)加到 A/D转换器的Ux 输入端,则可得 如下关系:或适当选择R1、的数值,则可数字化显示Lx 的值。第7章 电子测量技术应用7.4.2 电容电容C 测量测量 为了充分利用电压测量和时间测量的优势,可将电容大小转换为电压大小或对应时间 大小进行测量,现分别予以分析。1.CU 转换法转换法 CU 变换与上述的LU 变换基本相同,考虑到电容器的等效电路一般采用并联形 式,故将被测件与标准电阻R1 在电路中的位置互换,即把标准电阻接到放大器的反馈支 路,被测电容器接到放大器的输入端。电路结构如图726所示,被测电容器可等效为Gx 与Cx 的并联电路,其中Gx

33、 为等效并联电导。第7章 电子测量技术应用图726 放大器式CU 变换第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用2.CT 转换法转换法 1.积分式CT 转换 积分式CT 转换是将被测电容Cx 作为米勒积分器中的积分电容,通过积分器、比较 器及相关外部控制电路将电容大小转换为振荡输出信号周期大小的方法。转换电路及转换 波形如图727所示。第7章 电子测量技术应用图727 积分式CT 转换示意图第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用2.迟滞比较式迟滞比较式CT 转换转换 将被测电容接入RC 积分器,用迟滞比较器作为开关,控制RC 积分器的充、放电时 间,可组

34、成方波振荡器,振荡器的周期与电容值成正比关系。图728(a)为矩形波产生电 路。图中,在比较器的输出端需接反向串接的两个稳压管 VD1、VD2 和分压电阻R2、R3。VD1、VD2 的稳压工作值皆为UZ。图728(b)为波形关系图。第7章 电子测量技术应用图728 迟滞比较式CT 转换第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用7.5 电压电压 频率转换频率转换若测量结果需要远距离传输,由于直流电压是不易远距离传输的,可以通过电压 频 率(UF)转换,将电压转换为易于远距离传输的交流信号,交流信号经过远距离传输后,可采用频率测量技术对被测对象定标和测量,也可经过FU 转换后通过电压进行测量

35、。这里主要介绍集成UF 转换原理及集成UF 转换器应用电路。第7章 电子测量技术应用7.5.1 集成集成UF 转换原理转换原理 集成UF 转换器大多采用平衡型UF 转换电路作为基本电路,如典型的LMx31系 列集成转换器。图729为 LMx31内部结构,主要由输入比较器、定时比较器、基于 RS 触发器构成的单稳定时器、基准电源、精密电流源、电流开关、基准比较器及集电极开路 的输出三极管等部分组成。第7章 电子测量技术应用图729 LMx31系列集成转换器内部结构第7章 电子测量技术应用LMx31用作UF 转换器的简化结构如图730所示。图中有两个RC 定时电路:一 个由Rt、Ct 组成,它与单

36、稳定时器相连;另一个由 RL、CL 组成,依靠精密电流 源 充 电。电流源的输出电流Is 由内部基准电压源供给的1.9V 参考电压和外接电阻 Rs 决定(Is=1.9V/Rs)。第7章 电子测量技术应用图730 LMx31系列UF 转换器的简化结构第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用图731 U F 转换关系波形图第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用7.5.2 集成集成UF 转换应用电路转换应用电路 在实际应用中,一般采用如图732所示的连接方法。图中,2脚的电阻Rs 由Rs1=12k 和Rs2=5k 可变电阻组成,Rs

37、用来调节LMx31的增益偏差和由RL、Rt、Ct 引起 的偏差,以校正输出频率。7脚上增加了由 R1=100k 和C1=0.1F 组成的低通滤波 器,使转换精 度 有 所 提 高。按 图 示 的 元 件 值,该 电 路 可 获 得 将 010 V 转 变 为 对 应 10Hz10kHz的结果。第7章 电子测量技术应用图732 集成 LM331应用电路第7章 电子测量技术应用7.6 非电量测量技术及应用非电量测量技术及应用图733 测量系统基本结构7.6.1 高精度温度测量系统设计高精度温度测量系统设计 本设计主要针对低中温温度测量,测量系统基本结构可用图733来表示。第7章 电子测量技术应用1

38、.传感器选择及参量转换传感器选择及参量转换 通常说的传感器,有的是指传感器元件,有的是指传感器模块(包括处理电路)。这里 以传感器元件为例。对于中高温测量,工业常用的热电偶的测量范围大,高温测量响应 好;对于低中测量,常用热电阻。对于半导体热敏电阻,其体积小,但精度低;对于金属热 电阻,其精度高,但体积较大,引线电阻影响大,使用中需要做一定的技术处理。低中温的高精度温度测量,通常选择稳定性能好的铂电阻温度传感器,且选择直流电 阻桥实现参量转换,将对应温度的电阻大小转换为对应电压大小。电阻桥转换电路如图 734所示。第7章 电子测量技术应用图734 电阻桥转换电路第7章 电子测量技术应用第7章

39、电子测量技术应用由于金属电阻传感器元件的阻值小,而引线具有一定的长度,所以其电阻值波动对测量结果会产生影响。要实现高精度温度测量,需采取措施消除引线电阻的波动对测量结果 的影响,通常采用三线制的连接方式。三线制连接方式及转换电路如图735所示。第7章 电子测量技术应用图735 三线制连接方式及转换电路第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用2.信号调理信号调理 从转换电路输出的温度变化电压是很小的,不适合直接进行 A/D转换,而先要进行放 大,使其温度测量范围对应的电压符合 A/D转换的范围;同时,转换电路的输出为具有抗 共模干扰的差分信号。基于以上两点,放大电路应具有高增益且具有抑制

40、共模干扰的差动 放大电路。可选择具有两级放大的测量放大器,其原理电路如图736所示。第7章 电子测量技术应用图736 测量放大器原理电路第7章 电子测量技术应用不难推出,放大器增益为其中,为第一级放大电路的电压增益,R4/R3 为第二级放大电路的电压增益。调整 RG 电阻值,可以调整放大器的增益。实际应用中要考虑到放大器调零(也可作为系统调 零)。具有实际应用的测量放大器电路如图737所示。第7章 电子测量技术应用图737 实际测量放大器电路第7章 电子测量技术应用3.A/D转换及微处理器转换及微处理器 1)微处理器 微处理 器 可 以 选 择 带 有 内 存 的 AT89C51 或ST89C

41、51。这里 以 AT89C51 为 例。其 管 脚 分布及功能如图738所示。第7章 电子测量技术应用图738 AT89C51管脚分布及功能第7章 电子测量技术应用2)选择12位的逐次比较式 AD574作为 A/D转换器的测量方式 图738所示为 AD574的引脚封装图及与单片机微处理器的接口方法。输入模拟电 压既可以是单极性的,也可以是双极性的。“10Vin”端允许输入010V 单极性被测电压或5V 双极性被测电压。在“20Vin”端允许输入020V 单极性电压或10V 双极性电 压。“BIP”端用来调节变换电路基准电平的偏移程度,以便与输入信号极性相匹配。当进 行单极性变换时,“BIP”端

42、应该接地(有时可适当进行零偏调节)。当进行双极性变换时,“BIP”要用一只100 左右的电位器连接到芯片基准电压输出端“VR”。另外,“VR”端输 出的基准电压还要用另一只电位器适当调节后直接接入到“VRin”端作为变换基准。第7章 电子测量技术应用AD574的 A/D转换精度是可以选择的,可以按8位转换,也可以按12位转换。因 此,在使用 AD574时,转换精度选择和读出方式选择也是需要注意的问题。AD574的控 制方法如表71所示。第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用图738(b)接口电路是按12位 ADC 设计的,可实现对4kHz以下信号的采集与测 量。若寻址地址为4400H

43、44FFH,按图中接法,可用4400H 作启动12位转换的地址(A0=0)或用4402H 作启动8位转换的地址(A0=1)。图中12/8端接地,因此12位结果 可分二次读取,第一次用4401H 读取高8位,第二次用4403H 读取低4位。若单片机选 用 AT89C51,则相应的数据采集程序设计如下:第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用3)选择积分式 A/D转换器的测量方式 逐次比较式 ADC的缺点是抗干扰能力差,很难实现对模拟信号的高精度转换。而积 分式 ADC具有很强的抗干扰特性,可以获得较高的转换精度,因此在测量仪器中获得广 泛的应用。常见芯片有三位半 A/D 器件和四位半 A

44、/D 器件两种,前者相当于11位二进 制精度,后者相当于14位二进制精度。这种器件的缺点是转换速度较慢,每秒只能进行3 次左右,实时性差,适合用于直流或缓慢变化信号的测量。第7章 电子测量技术应用MC14433是按双斜积分原理设计的,它能在02V 或00.2V 两个基本量程上将直 流电压直接转换成用三位半十进制数(BCD形式)表示的数字量。图739为 MC14433与 微处理器的接口连接方法。第7章 电子测量技术应用图739 MC14433与微处理器的接口方法第7章 电子测量技术应用4.结果显示结果显示 常用的显示器件有 LED数码管和 LCD 液晶显示器两种。由 LED 数码管组成的仪器 数

45、据显示器具有亮度高、全天候的特点,在测量中应用广泛。驱动方式不同,数据显示器 的接口电路形式也不同,一般有静态驱动和动态驱动两种方式,这里采用动态驱动方式。第7章 电子测量技术应用动态驱动实际上是一种动态扫描显示过程,这种方法的电路硬件数量少,较经济。它 的基本形式如图740所示。图中的数据显示器由6只共阴极 LED 数码管组成,X5X0 与各数码管的阴极相连。第7章 电子测量技术应用图740 动态扫描式 LED驱动显示电路第7章 电子测量技术应用7.6.2 重量测量系统设计重量测量系统设计 重量测量系统的基本结构也可以用图733来表示,只是在传感器选择及参量变换部 分有所不同。本设计主要针对

46、小量级的重量测量,这里简单介绍传感器选择及参量转换、A/D转换及微处理器、结果显示及相关程序设计。第7章 电子测量技术应用1.传感器选择及参量转换传感器选择及参量转换 将重量测量对象转换为电参量可以有多种选择方法,如电阻传感器、电容传感器、电 感传感器等。电容传感器和电感传感器需要通过交流电桥和交流信号电路来处理,技术相 对复杂。这里仍以电阻传感器转换为例,即将重量的大小通过重力的作用转换为对应电阻 的大小。第7章 电子测量技术应用弹性元件又有多种结构形式,常见的有悬臂梁式、柱式及环式等。对于小量级的重量 测量,通常选择悬臂梁式弹性元件。图741为基于悬臂梁弹性元件结构形式的应变电阻 传感器装

47、置原理结构示意图。第7章 电子测量技术应用图741 基于悬臂梁弹性元件的应变电阻传感器装置原理结构第7章 电子测量技术应用同样,通常选择直流电桥进行参量转换,将对应重量的电阻大小转换为对应电压大 小,电桥转换电路如图742所示。图742 电桥转换电路第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用2.信号调理信号调理 信号调理部分同7.6.1节。3.A/D转换及微处理器转换及微处理器 A/D转换及微处理器可以同7.6.1节,也可以选择带有 A/D转换器的微处理器。这里 以内部资源丰富、功能多、功耗低的 MSP430单片机为例做简单说明。图743为 MSP430FE425单片机芯片管脚图,图74

48、4为其内部结构功能图。第7章 电子测量技术应用图743 MSP430FE425单片机芯片管脚图第7章 电子测量技术应用图744 MSP430FE425内部结构功能第7章 电子测量技术应用内置电量计量模块,在无需 CPU 干预的情况之下,可自动完成交流电压、电流有效 值、功率、有功电能测量和计量工作(不能和 ADC同时使用);内置1.2V 基准源和输出缓冲器;三个高精度的16位独立 ADC;内置可编程增益放大器(132倍)。MSP430单片机具有两种运行模式:在LPM4模式下,系统运行的电流大约为0.1A;在 LPM3模式下,系统运行的电流约为1A,而且 MSP430提供了低速时钟可供外部设 备

49、使用。第7章 电子测量技术应用4.结果显示结果显示 结果显示采用 LCD1602型工业字符液晶模块,它是一种专门用来显示字母、数字、符 号等的点阵型液晶模块,由若干个57或者511等点阵字符位组成。每个点阵字符位 都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距 和行间距的作用(正因为如此,所以不能很好地显示图形)。LCD1602液晶显示的原理是 利用液晶的物理特性,通过电压对其显示区域进行控制。它能够同时显示162即32个 字符,即可以显 示 两 行,每 行 16 个 字 符。LCD1602 采 用 标 准 的 16 脚 接 口,结 构 如 图 745所示,其各

50、管脚功能如表72所示。第7章 电子测量技术应用图745 LCD1602接口第7章 电子测量技术应用第7章 电子测量技术应用5.系统软件设计系统软件设计 电子秤系统需要软件来协调各个硬件部分的工作,以满足重量测量系统的要求。要实 现特定功能,首先需要设计系统程序的总流程图,并在总流程图的框架下有序地设计初始 化程序、A/D 模块程序、预处理程序、称重程序、键盘程序等。系统程序总流程图如图 746所示。(注:该系统的软件设计以外接 A/D芯片 HX711为例。)第7章 电子测量技术应用图746 系统程序流程图第7章 电子测量技术应用思考与练习题思考与练习题71 在静态频率测量中,若测量范围为199