2013第四章第二节数字显示仪表(2013)

第二节 数字式显示仪表

定义：数字式显示仪表是一种具有模/数转换器并以十进制数码形式显示被测变量值的显示仪表。

特点：与模拟仪表相比，它具有精度高、功能全、速度快、抗干扰能力强、体积小、耗电低、读数直观、且 能将测量结果的数字形式输入计算机等优点。

一、数字式显示仪表的构成和主要性能指标(一)基本组成 数字式显示仪表通常由检测元件或传感器、前置放大 器、A/D转换器、线性化器(非线性补偿)、标度变换 和显示器组成。

组成数字式显示仪表的三要素： A/D转换器、 线性化器(非线补偿器 )和标度变换。

被测 变量

检测元件 或传感器

前置放大

A/D 转换

非线性 补偿

标度变换

显示 (a) 数字式非线性补偿方案

被测 变量

检测元件 或传感器 标度变换

前置放大

非线性A/D 转换

显示

(b) 非线性A/D补偿方案 前置放大 非线性 补偿

被测 变量

检测元件 或传感器

标度变换

A/D 转换

显示

(c) 模拟非线性补偿方案

(二)主要性能指标1 显示位数：以十进制显示被测变量值的位数。能够显 示“0~9”的数字位称为“满位”;仅显示1或不显示 的数字位称为“半位”或“1/2位”;若数字温度显示 仪表的显示位数为3 ½位，则它可显示-1999~1999,高 精度的数字表显示位数目前可达8 ½位。 2 量程：仪表标称范围的上下限之差。量程有效范围上 限值称为满度值。

3 精度： 精度表示法有三种：

满度的±a%±n字 读数的±a%±n字

读数的±a%±满度的b%其中n是指显示仪表读数最末一位数字变化，即改 变n个字。一般n=1,最直接的原因是把模拟量转 换成数字量的过程中，至少要产生约±1个量化单 位误差。

4

分辨力和分辨率分辨力：指仪表示值末位数字改变一个字所对应的被 测变量的最小变化值。它表示仪表能够检测到的被测 量最小变化的能力。数字显示仪表在不同的量程下的 分辨力不同，通常在最低量程上具有最高的分辨力， 并以此作为该仪表的分辨力指标。 分辨率：指仪表显示的最小数值与最大数值之比(在 最低量程上)例如：数字温度显示仪表测量范围为佳 0~999.9℃,最小显示0.1 ℃(末位跳变一个字),最 大显示999.9 ℃,则分辨率为0.1/999.9≈0.01%。

二、数字式显示仪表的主要环节(一)模数转换——双积分A/D转换器 数字信号不仅在时间上是离散的，数值上也是不连续的。 即任何一个数字量的大小都是最小量化单位的整数倍。 A/D转换的任务是把连续变化的模拟量转换成断续变化的 数字量，以便进行数字显示，这就需要对其进行采样和量 化。 把采样信号转换为最小量化单位整数倍的过程叫做量化。 最

小量化单位用Δ 表示。 把量化的结果用代码(二进制或二-十进制等)表示出来， 称为编码。

常

把0~1V的模拟电压量化为三位二进制代码，划分量化电平的两 种方法如图所示。(a)图Δ =1/23,量化误差为Δ ;(b)图Δ = (2×1)/(2× 23 -1),量化误差为Δ /2 。

A/D转换器实际上是一个编码器，若量化单位用Δ 表 示，A/D转换器的输入电压用Vi表示，A/D转换器的输 出用十进制数D表示，则有：

Vi D 恒等号和中括号的定义是D最接近比值Vi/ Δ(用四舍 五入取整)。Vi与D和Δ之积的差称为量化误差，一 般为量化单位的二分之一。

Vi Vs

K1 K2

积分器

C V0比较器

R

时钟 脉冲 控制 逻辑电路

门

计数器

显示

K3

K 1K 2K 3

双积分A/D转换器原理图 转换过程分为两个阶段： 采样积分阶段 比较测量阶段

转换原理：将输入电压转换为时间t2,再利用周期为Tc 的脉冲在时间t2内记数，脉冲记数器上得到的脉冲数N, 即为A/D转换的数字量。双积分A/D转换器的特点：

(1)转换过程本质上是积分过程，所以是平均值转换， 因此对叠加在信号上的交流干扰有较好的抑制能力；(2)转换速度较低，特别是为了提高对工频(50HZ) 和工频整数倍信号干扰的抑制能力，一般选择t1时间 为工频周期(20ms)的整数倍，如40ms,80ms等，所 以转换速度不高于20次/S。

(3) 最终转换结果与电路参数R、C无关，可大大降低对 R、C的要求。

(二)非线性补偿非线性补偿的方法较多。 依实现方式 用软件方式实现 用硬件方式实现 依非线性补偿环节的位置 模拟式非线性补偿 非线性A/D转换 数字式非线性补偿 1 模拟式非线性补偿 接入方式 串联方式 反馈方式 2 非线性A/D转换 3 数字式非线性补偿 (1)折线乘系数法 (2)软件查表法

1、模拟式非线性补偿X 传感器 U1 放大器 U2 线性化 器 U0 A/D

串联式线性化原理图

U1 f ( X ) U 2 KU1 U 0 SX U2 U0 U0 Kf ( ) S 1 U 2 Sf ( ) K

X

传感器

Ui

+

ΔU_

放大器

U0

Uf 非线性反 馈反馈式线性化原理图

反馈式线性化就是利用反馈补偿原理，引入非线性的 负反馈环节，用负反馈环节本身的非线性特性去补偿 检测元件或传感器的非线性，使输入和输出具有线性 关系特性。 Ui f ( X )

U 0 SX U0 U f Ui f ( X ) f ( ) S

X

传感器

Ui

+

ΔU_

放大器

U0

Uf非线性反馈 反馈式线性化原理图

设Ui=f(X),放大器的放大倍数很大，构成了深度负反

馈系统，问线性化器具有什么样的特性，才使U0和X 之间的关系具有线性特性？

2、非线性A/D转换

非线性双积分A/D转换原理图

3、数字式非线性补偿是在模-数转换之后的计数过程中，进行

系数运算而实 现非线性补偿的一种方法。

(1)折线乘系数法基本原则是“以折 代曲”,将不同斜 率的斜线段乘以不 同的系数，就可以 使非线性的输入信 号转换为有着同一 斜率的线性输出， 达到线性化的目的。G

E

C ΔU’ ΔU AN O t

B

ΔN’ ΔN

Δt

见右图，可看出：

K3

U U

E G

对于任一折线段，可得到： U Ki U ΔU’ ΔU AN O

C

B

式中ΔU为基础段(OA)的电 势增量， ΔU’为除基础段之外 的任一段电势的增量。对应于ΔU的计数器脉冲数为：

t

ΔN’ ΔN

Δt

N C U CKi U 此特性见图 第二象限所 示直线

模拟输入 模-数转换 计数门 计数器

计数输出

E G

C ΔU’钟频 系数运算 器 系数控制器

ΔU A

B

数字线性化器逻辑原理图

N

O

t

ΔN’ ΔN

Δt

0 U U1 CK1U N C[ K1U1 K 2 (U U1)] U1 U U 2 C[ K U K (U U ) K (U U )] U U U 1 1 2 2 1 n n 1 n 1 n