簡(jiǎn)易數(shù)字電子稱(chēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

目錄1簡(jiǎn)易數(shù)字電子稱(chēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述12簡(jiǎn)易數(shù)字電子稱(chēng)22.1 傳感器電路的設(shè)計(jì)22.1.1傳感器原理22.1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容32.2 運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)52.3 模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)82.3.1雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器82.3.2 ICL7107A/D轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介82.3.3 CL7107的A/D轉(zhuǎn)換器的工作過(guò)程112.4 數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì)132.5 電源部分的設(shè)計(jì)142.5.1 電源電路的結(jié)構(gòu)及各部分作用142.5.2 參數(shù)計(jì)算162.6 電路校驗(yàn)173設(shè)計(jì)總電路圖194設(shè)計(jì)的PCB板圖205方案仿真216元件清單22參考文獻(xiàn)24致謝25摘 要以前人們用手工稱(chēng)來(lái)計(jì)量物體的輕重，而如今是數(shù)字時(shí)代，數(shù)字器件的便捷逐漸取代了古老的手工稱(chēng)。數(shù)字電子稱(chēng)根據(jù)其量程可用于許多場(chǎng)合，能方便地讀出物體的質(zhì)量，還能進(jìn)行千克、市斤的轉(zhuǎn)換，復(fù)位清零操作等，很多數(shù)字電子稱(chēng)還能直接讀出物體的價(jià)格。將壓力傳感器、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器及顯示電路組合起來(lái)，便能制成體積小、精度高、經(jīng)久耐用的簡(jiǎn)易數(shù)字電子稱(chēng)。此外，該電路稍加改造，還可演變出很多電路，如數(shù)顯電流表、數(shù)字溫度計(jì)等。關(guān)鍵詞：AD521；ICL7107；傳感器；電子稱(chēng) AbstractBefore long, people weighted the objects with the manual name. But the present is the Digital Age, and the digital device convenience has gradually substituted for the ancient manual name. The digital electronic name acts according to its measuring range to be possible to use in many situations, and we can not only conveniently read out the objects weight but also can carry on a kilogram in transformation, clear zero and so on. Many digital electronic name also can directly read out the objects price. The resistance pressure transmitter, combining with the amplifying circuit, Analog to Digital converter and the digital display device then can make up a slightly volume, high precision digital electronic name. By changing the circuit a little, it can also use in many electric devices, like digital ampere meter, the digital thermometer and so on. Key words: AD521; ICL7107; resistance pressure transmitter; digital electronic name1簡(jiǎn)易數(shù)字電子稱(chēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述簡(jiǎn)易數(shù)字電子稱(chēng)系統(tǒng)是由壓力傳感器（電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器）、運(yùn)算放大器、3位半模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器、數(shù)字顯示器等主要部分組成。在測(cè)量壓力時(shí)，把外界壓力信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大后經(jīng)過(guò)模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，數(shù)字量送顯示器顯示。使用過(guò)程說(shuō)明：通電后，首先清零，數(shù)碼管均顯示零，將物體（重量范圍在0.11 kg）放在電子稱(chēng)上，由于電阻應(yīng)變片受到壓力發(fā)生形變，阻值發(fā)生相應(yīng)變化，傳感器輸出一個(gè)電壓值1。此電壓值經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)碼管顯示一個(gè)讀數(shù)，該讀數(shù)便為該物體的重量。按下千克、市斤的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，則能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的單位轉(zhuǎn)換功能。主要技術(shù)指標(biāo)：（1）稱(chēng)量范圍：0.11kg；（2）誤差：0.10g（或1個(gè)字）；（3）千克、市斤轉(zhuǎn)換；（4）LED（LCD）數(shù)碼顯示：3位半。（5）復(fù)零調(diào)節(jié)。2簡(jiǎn)易數(shù)字電子稱(chēng)1）組成按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要由4個(gè)模塊組成：壓力傳感器（電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器）、運(yùn)算放大器、模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器、數(shù)字顯示器等主要部件組成。2）原理及框圖在測(cè)量壓力時(shí)，把外界壓力信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，數(shù)字量送顯示器顯示1。復(fù)零調(diào)節(jié)電路是將數(shù)字顯示器清零，測(cè)試轉(zhuǎn)換電路是實(shí)現(xiàn)千克和市斤之間的轉(zhuǎn)換。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。壓力傳感器運(yùn)算放大器OSC復(fù)零調(diào)節(jié)測(cè)試轉(zhuǎn)換數(shù)字顯示器模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器圖1 簡(jiǎn)易數(shù)字電子稱(chēng)的結(jié)構(gòu)框圖2.1 電源部分的設(shè)計(jì)在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。小功率穩(wěn)壓電源的組成可以用如圖2表示，它是由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。濾波電路整流電路穩(wěn)壓電路電源變壓器UiUo 圖2 電源電路的結(jié)構(gòu)框圖電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰慕涣麟妷褐?，然后通過(guò)整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)（一般有10%左右的波動(dòng)）、負(fù)載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電，完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。常見(jiàn)的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。下圖3為單相橋式整流電路圖。其中Tr是電源變壓器，其作用是將交流電網(wǎng)電壓變成整流電路要求的交流電壓，R1是要求直流供電的負(fù)載電阻，四只整流二極管接成電橋的形式。圖3 單相橋式整流電路濾波電路用于濾除整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。常用的結(jié)構(gòu)如圖4所示。濾波電路選用（a）中的電容濾波。圖4 濾波電路的基本形式在本設(shè)計(jì)中，穩(wěn)壓電路采用三端集成穩(wěn)壓器組成。三端集成穩(wěn)壓器只有輸入、輸出和公共引出端。78 L系列為正電壓輸出， 79L系列為負(fù)電壓輸出。本設(shè)計(jì)使用了7815、7805、7915、7905四個(gè)三端集成穩(wěn)壓器，其中7815、7805分別輸出+15V、+5V直流電源，7915、7905分別輸出-15V、-5V直流電源。綜上，畫(huà)出電源部分的電路如圖5所示。圖5 電源部分電路圖（變壓器及濾波電容的參數(shù)計(jì)算）設(shè)計(jì)內(nèi)容要求耗電低，而功耗又要足夠因此選用78M05穩(wěn)壓，整流部分采用常用的橋路二極管，變壓器的參數(shù)以及濾波電容的電容值計(jì)算如下：變壓器的參數(shù)計(jì)算:保證穩(wěn)壓器在電網(wǎng)電量低時(shí)仍處于穩(wěn)壓狀態(tài)，要求： 式中，是穩(wěn)壓器的最小輸入輸出壓差，典型值為3V。按一般電源指標(biāo)的要求，當(dāng)輸入交流電壓220V變化10%時(shí)，電源應(yīng)穩(wěn)壓。所以穩(wěn)壓電路的最低輸入電壓 由于5V，所以有，取值9V另一方面，為保證穩(wěn)壓器安全工作，要求：式中，是穩(wěn)壓器的最大輸入輸出壓差，典型值為35V可見(jiàn)9V在所需范圍內(nèi)。由于=0.5A，以變壓器副邊P4.5W，變壓器的效率=0.7，則原邊功率P6W，由以上分析可見(jiàn)，選購(gòu)副邊電壓為9V，輸出電流1A，功率為9W的變壓器。2濾波電容C要求滿足： （式中T為輸入交流信號(hào)周期；為整流濾波電路的等效負(fù)載電路）因此有=1800 3000F取C1=2200F接入電容C2（0.33）用于消除波紋電壓、C3（1）用來(lái)抑制穩(wěn)壓器自激。為便于隨處可使用該器件，特制作干電池也可提供自流電源的設(shè)計(jì)，該不部分直接由蓄電池和兩個(gè)穩(wěn)壓二極管組成。2.12 傳感器電路的設(shè)計(jì)2.1.1傳感器原理導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外界作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，其阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“應(yīng)變效應(yīng)”2。根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)材料上，使其在受到外界應(yīng)力作用時(shí)，引起應(yīng)變片的變形，并使其阻值發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量雙差動(dòng)全橋電路將應(yīng)變片阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的輸出，就可確定被測(cè)材料機(jī)械量的變化。根據(jù)傳感器理論可知，設(shè)長(zhǎng)為L(zhǎng)、截面積為S、電阻率為的電阻絲，已知其阻值為： （1）當(dāng)電阻絲兩端有機(jī)械應(yīng)力P時(shí)，、L、S都會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻發(fā)生變化。其金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)K為： （2）比例系數(shù)稱(chēng)為泊松比，c為金屬晶格結(jié)構(gòu)的比例系數(shù)，一般在-12（鎳）+6（鉑）范圍。在彈性形變范圍內(nèi)，K決定于泊松比和比例系數(shù)c；在塑性形變范圍內(nèi)，因=0.5，所以K=23。在電子秤的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)變式傳感器包括兩個(gè)主要部分：一個(gè)是彈性敏感元件亦稱(chēng)彈性體，利用它把被測(cè)物理量質(zhì)量轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值。本設(shè)計(jì)采用鋁合金作為彈性體的材值。另一個(gè)是應(yīng)變片，由于金屬材料的應(yīng)變片穩(wěn)定性好，在很大范圍內(nèi)保持常數(shù)，所以一般采用金屬電阻應(yīng)變片。電子秤在秤臺(tái)結(jié)構(gòu)上一個(gè)顯著的特點(diǎn)是一個(gè)相當(dāng)大的秤臺(tái)只在中間裝置一塊專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的傳感器組來(lái)感應(yīng)物料重量。當(dāng)秤臺(tái)上放置物料時(shí)，應(yīng)變片產(chǎn)生電阻應(yīng)變R（應(yīng)變片受拉時(shí)為R+R，應(yīng)變片受壓時(shí)為R-R）。為了顯示和記錄，通常將應(yīng)變片組成雙差動(dòng)全橋電路。雙差動(dòng)全橋電路具有較高的靈敏度，良好的線性關(guān)系和適應(yīng)溫度變化的補(bǔ)償能力。2.1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容1）結(jié)構(gòu)及原理圖本方案選用雙孔梁彈性稱(chēng)重傳感器如圖2（a），其同一截面正反兩面粘貼應(yīng)變片，組成差動(dòng)工作形式的電橋輸出如圖2（b），即采用兩片受壓（、），兩片受拉（、）的四片應(yīng)變片，且使相同受力狀態(tài)的兩應(yīng)變片接入電橋的相對(duì)臂上。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易加工、粘貼應(yīng)變片方便、靈敏度較高，適用于測(cè)量小載荷的傳感器中。圖2 （a） 雙孔梁彈性稱(chēng)重傳感器 （b）全橋電路2）與的關(guān)系全橋輸出應(yīng)接在高輸入電阻的放大器上，故可把電橋看成開(kāi)路工作狀態(tài)，此時(shí)全橋的輸出表達(dá)式3： （3）電橋平衡條件為： （4）設(shè)=，且，則當(dāng)應(yīng)變片受到力的作用時(shí)，輸出電壓為： （5）為應(yīng)變系數(shù)，一般為5002000；相當(dāng)于。用電阻應(yīng)變片作為敏感元件的稱(chēng)重傳感器叫應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器。電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的基本工作原理為：彈性元件（敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。本方案選用雙孔梁彈性稱(chēng)重傳感器 (如圖6)，圖中R1R4為電阻應(yīng)變片。圖6 雙孔梁彈性稱(chēng)重傳感器 電阻應(yīng)變傳感器是一種利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。任何非電量只要能轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量都可以用電阻應(yīng)變傳感器測(cè)量。電阻應(yīng)變傳感器由彈性元件、電阻應(yīng)變片和測(cè)量電路組成。彈性元件用來(lái)感受被測(cè)量的變化，并將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為彈性元件表面應(yīng)變。電阻應(yīng)變片貼在彈性元件上，彈性元件的表面應(yīng)變將轉(zhuǎn)換為電阻變化。由此可見(jiàn)，電阻應(yīng)變片、彈性元件和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。懸臂梁式彈性元件 它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易加工、粘貼應(yīng)變片方便、靈敏度較高，適用于測(cè)量小載荷的傳感器中。 圖4-29所示為一截面懸臂梁彈性元件，在其同一截面正反兩面粘貼應(yīng)變片，組成差動(dòng)工作形式的電橋輸出。 若梁的自由端有一被測(cè)力如圖2（a）P，則應(yīng)變片感受的應(yīng)變?yōu)椋?（6） （4-22） 電橋輸出為 （4-23） 式中: lL應(yīng)變計(jì)中心處距受力點(diǎn)距離； b懸臂梁寬度； h懸臂梁厚度； E懸臂梁材料的彈性模量。由式（5）和（6）得： （7）其中，代入（7）式中得： （8）由于K、E、b、l、h、g、都是固定常量，設(shè)，則可得出物體的質(zhì)量和輸出電壓的線性關(guān)系： （9）例如，假設(shè)放置一個(gè)質(zhì)量為200g的物體，一般K=2，若取g=10N/kg，=1V，則輸出電壓=2mV。 K應(yīng)變計(jì)的靈敏一 、電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片的工作原理是電阻應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體的電阻隨機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象。金屬導(dǎo)線的電阻R可表示為 （） （1）其中L為金屬絲長(zhǎng)度， S為截面積，為電阻率。受力作用時(shí)，金屬的長(zhǎng)度和截面積都要發(fā)生變化，從而改變了其電阻。當(dāng)受外力伸長(zhǎng)時(shí)，長(zhǎng)度增加，截面積減小，電阻值增大；當(dāng)受壓力縮短時(shí)，長(zhǎng)度減小，截面積增大，電阻值減小。其轉(zhuǎn)換關(guān)系為： =K （2）式中R為金屬絲電阻的變化量；K為金屬材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)，主要由實(shí)驗(yàn)方法確定，在彈性極限內(nèi)，其值為常值。對(duì)于金屬絲，K在26之間。為軸向應(yīng)變值（長(zhǎng)度應(yīng)變值），=，對(duì)于金屬絲其值為0.240.4之間。彈性體 彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱(chēng)重傳感器所受的外力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。 檢測(cè)電路檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，可以提高線性度，抵消溫度漂移，方便地解決稱(chēng)重傳感器的補(bǔ)償問(wèn)題，所以稱(chēng)重傳感器均采用全橋式等臂電橋。（如圖7所示）電橋的四個(gè)橋臂都接成應(yīng)變片，、應(yīng)變方向相同，、應(yīng)變方向相反。 圖7 全橋電路全橋輸出應(yīng)接在高輸入電阻的放大器上，故可把電橋看成開(kāi)路工作狀態(tài)，此時(shí)全橋的輸出表達(dá)式： （3）測(cè)量之前，應(yīng)將電橋調(diào)平衡，以消除不平衡產(chǎn)生的零漂。調(diào)零方法是：在電橋輸出端接一檢流計(jì)，調(diào)橋臂電阻使檢流計(jì)指示為0，即電橋輸出電流=0，輸出電壓=0，電橋達(dá)到平衡狀態(tài)。電橋平衡條件為： = （4）應(yīng)變片全橋是指四個(gè)橋臂都接有應(yīng)變片，此時(shí)相鄰橋臂所接的應(yīng)變片承受相反應(yīng)變，相對(duì)橋臂所接的應(yīng)變片承受相同應(yīng)變，即有，=，= 全橋輸出表達(dá)式為： （5）用電阻應(yīng)變片制作傳感器時(shí)，為了改善其性能，特別是改善溫度特性，一般要在應(yīng)變片電路中附加對(duì)零點(diǎn)和靈敏度的溫度補(bǔ)償。零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)哪康氖潜M量減小電橋零點(diǎn)隨溫度的變化，因此，除應(yīng)變片本身的溫度自補(bǔ)償外，又介入了電阻溫度系數(shù)和電橋只能感應(yīng)變片的溫度系數(shù)不同的電阻元件（如銅電阻或鎳電阻等），以加強(qiáng)補(bǔ)償作用。靈敏度補(bǔ)償?shù)哪康氖菧p小輸出電壓隨溫度的變化，即補(bǔ)償彈性體的彈性系數(shù)和應(yīng)變片的靈敏系數(shù)隨溫度的變化。因此，對(duì)電橋串接兩個(gè)與電橋溫度補(bǔ)償作用相同的電阻。改變電阻值，調(diào)整電路的輸出電壓，并且通過(guò)在電路中增加簡(jiǎn)單的恒壓驅(qū)動(dòng)電橋電路和運(yùn)算放大器，從輸出電壓直接讀出壓力數(shù)值，如：0V對(duì)應(yīng)0kg，10mV對(duì)應(yīng)10kg。 綜上，可設(shè)計(jì)出傳感器電路如圖3所示，其中、為調(diào)零電阻，調(diào)節(jié)，使沒(méi)有對(duì)傳感器施加壓力時(shí)，輸出電壓為零；、為分壓電阻，調(diào)節(jié)，為電路提供=1V的電壓。圖3 傳感器電路2.2 運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)由于稱(chēng)重傳感器輸出的信號(hào)往往較弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗3。經(jīng)分析篩選出以下兩種小信號(hào)放大電路。方案一：下圖4所示的電路是為提高測(cè)量精度所設(shè)計(jì)的高輸入電阻放大電路。它用3個(gè)OP07構(gòu)成差分放大電路。OP07構(gòu)成的差分放大電路有很高的共模抑制比，能很好地消除共模影響，但如果正負(fù)電源不平衡，就會(huì)造成失調(diào)。而且此方案需要采用過(guò)多的集成運(yùn)放和分立器件，穩(wěn)定性難以保證，調(diào)試也有較大困難，故不予采用。圖4 高輸入電阻放大電路方案二：采用AD公司推出的單片精密測(cè)量?jī)x用放大器AD521。這種單片測(cè)量放大器具有性能優(yōu)異、體積小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。AD521具有高輸入阻抗，低失調(diào)電流，高共模抑制比的特點(diǎn)，其增益可以在0.11000范圍內(nèi)調(diào)整，增益的調(diào)整不需要精密的外接電阻，各種增益參數(shù)已進(jìn)行了內(nèi)部補(bǔ)償3。它能很好地抑制工頻、靜電和電磁耦合等引起的共模干擾和電源電壓噪聲，其管腳功能與基本接法如圖5所示。圖5 AD521的管腳功能和基本接法在圖5（b）中，Rp用來(lái)調(diào)節(jié)放大器零點(diǎn)，調(diào)整方法是將管腳4和6接到10k電位器的兩個(gè)固定端，滑動(dòng)端接電源負(fù)端。Rg為外接增益電阻，Rs為外接反饋電阻。測(cè)量放大器增益的計(jì)算公式為： （10）放大倍數(shù)Ku在0.1到1000范圍內(nèi)調(diào)整，選用Rs100k時(shí)，可以得到較穩(wěn)定的放大倍數(shù)。取Rg1k，則放大器增益Ku為100。在使用AD521（或任何其他測(cè)量放大器）時(shí)，都要特別注意為偏置電流提供回路。為此，輸入端（1或3）必須與電源的地線構(gòu)成回路。可以直接相連，也可以通過(guò)電阻相連。比較兩種方案，我選用AD521作為本設(shè)計(jì)的放大電路（增益為100），放大后的信號(hào)送到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的輸入端。畫(huà)出放大電路圖如圖6所示。圖6 放大電路若輸入AD521放大器的電壓是2mV，則放大后輸出電壓為：由于下面A/D轉(zhuǎn)換電路的量程為200mV，故需要對(duì)放大器輸出的200mV電壓進(jìn)行分壓，可接入一分壓電阻=100。則流過(guò)輸出電路的電流約為2mA。因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求能實(shí)現(xiàn)市斤、千克的轉(zhuǎn)換，故加入電阻=10和電位器（最大阻值為20），調(diào)節(jié)，使加在A點(diǎn)的電壓為40mV，加在B點(diǎn)的電壓為20 mV。當(dāng)S1接到A點(diǎn)時(shí)，顯示的是市斤；當(dāng)三S1接到B點(diǎn)時(shí)，顯示的是千克。2.3 模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)2.3.1雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器1）特點(diǎn)雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。對(duì)正負(fù)對(duì)稱(chēng)的工頻干擾信號(hào)積分為零，所以對(duì)50的工頻干擾抑制能力較強(qiáng)，對(duì)高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。尤其對(duì)本系統(tǒng)，傳感器輸出的是緩慢變化的壓力信號(hào)，很容易受到工頻信號(hào)的影響。故而采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對(duì)濾波電路的要求。另外雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有價(jià)格低廉、精度高、輸入阻抗高（大于103M）、可自動(dòng)調(diào)零、超量程信號(hào)、全部輸出與TTL電平兼容等優(yōu)點(diǎn)3。雖然轉(zhuǎn)換速度較慢，但對(duì)稱(chēng)量影響并不大。2）芯片選擇作為電子秤，系統(tǒng)對(duì)A/D的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上14位的A/D足以滿足要求。綜合分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我選擇使用ICL7107對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。2.3.2 ICL7107A/D 轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介 1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及芯片圖3位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107是CMOS大規(guī)模集成電路芯片，片內(nèi)已經(jīng)集成了模擬電路部分和數(shù)字電路部分，所以只要外接少量元件就可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。它內(nèi)部集成了3位A/D轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動(dòng)等多種功能的CMOS電路，并設(shè)有參考電壓、獨(dú)立模擬開(kāi)關(guān)、邏輯控制、顯示驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)調(diào)零電路等，可直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管。利用它可以組裝成各種體積小、重量輕的數(shù)字儀表1。其芯片如下圖7所示。圖7 ICL7107芯片2）外圍電路及引腳功能ICL7107的外圍電路如圖8所示：圖8 ICL7107的外圍電路圖各引腳功能如下：1端：=5V，電源正端。26端：5V，電源負(fù)端。19端：bc4，千位數(shù)筆段驅(qū)動(dòng)輸出端，由于位的計(jì)數(shù)滿量程顯示為“1999”，所以bc4輸出端應(yīng)接千位數(shù)顯示器顯示“1”字的b和c筆段。20端：POL，極性顯示端（負(fù)顯示），與千位數(shù)顯示器的g筆段相連接（或另行設(shè)置的負(fù)極性筆段）。當(dāng)輸入信號(hào)的電壓極性為負(fù)時(shí)，負(fù)號(hào)顯示，如“19.99”；當(dāng)輸入信號(hào)的電壓極性為正時(shí)，極性負(fù)號(hào)不顯示，如“19.99”。21端：GND，與正負(fù)電源的公共地端相連接。27端：INT，積分器輸出端，外接積分電容（一般取=0.22）。28端：BUF，輸入緩沖放大器的輸出端，外接積分電阻（一般取47）。29端：CAZ，積分器和比較器的反相輸入端，接自校零電容（取0.47）。30、31端：IN、IN，輸入電壓低、高端。由于兩端與高阻抗運(yùn)算放大器相連接，可以忽略輸入信號(hào)的注入電流，輸入信號(hào)應(yīng)經(jīng)過(guò)1M電阻和0.01電容組成的濾波電路輸入，以濾除干擾信號(hào)。28端：個(gè)位數(shù)顯示器的筆段驅(qū)動(dòng)輸出端，各筆段輸出端分別與個(gè)位數(shù)顯示器對(duì)應(yīng)的筆段ag相連接。914、25端：十位數(shù)顯示器的筆段驅(qū)動(dòng)輸出端，各筆段輸出端分別與十位數(shù)顯示器對(duì)應(yīng)的筆段ag相連接。1518、2224端：百位數(shù)顯示器的筆段驅(qū)動(dòng)輸出端，各筆段輸出端分別與百位數(shù)顯示器對(duì)應(yīng)的筆段ag相連接。32端：COM，模擬公共電壓設(shè)置端，一般與輸入信號(hào)的負(fù)端，負(fù)基準(zhǔn)電壓端相接。33、34端：、，基準(zhǔn)電容負(fù)壓、正壓端，它被充電的電壓在反相積分時(shí)，成為基準(zhǔn)電壓，通常取0.1。35、36端：、，外接基準(zhǔn)電壓低、高位端，由電源電壓分壓得到。Rp和是分壓電阻。37端：TEST，數(shù)字地設(shè)置端及測(cè)試端，經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的500電阻與GND相連。38、39、40端：，產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖的振蕩器的引出端，外接、元件。振蕩器主振頻率與的關(guān)系為： （11） 2.3.3 ICL7107的A/D轉(zhuǎn)換器的工作過(guò)程ICL7107的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程大致分兩個(gè)階段：即對(duì)被測(cè)電壓定時(shí)積分和對(duì)基準(zhǔn)電壓定值積分。各階段的工作過(guò)程如圖（9）：圖9 ICL7107A/D轉(zhuǎn)換原理圖1）對(duì)被測(cè)電壓定時(shí)積分如圖9（a），設(shè)t時(shí)，開(kāi)關(guān)接通被測(cè)電壓，反向積分器A1對(duì) 積分，其輸出電壓開(kāi)始線性上升（如圖9（b）。當(dāng)0時(shí)，則過(guò)零比較器A2翻轉(zhuǎn)，輸出的正跳變脈沖打開(kāi)閘門(mén)，時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間或計(jì)數(shù)器預(yù)置的數(shù)（例如預(yù)置1000個(gè)脈沖數(shù)）后計(jì)滿溢出時(shí)，（即t）產(chǎn)生溢出脈沖。這時(shí)通過(guò)邏輯控制電路使開(kāi)關(guān)接通基準(zhǔn)電壓，斷開(kāi)被測(cè)電壓。則定時(shí)積分階段宣告結(jié)束，對(duì)基準(zhǔn)電壓的定值積分開(kāi)始。定時(shí)積分階段積分器的輸出電壓的表達(dá)式為： （12）定時(shí)積分階段結(jié)束時(shí)，積分器的輸出電壓為 （13）式中，計(jì)數(shù)脈沖的頻率，計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)，。2）對(duì)基準(zhǔn)電壓定值積分設(shè)t時(shí)，開(kāi)關(guān)接通基準(zhǔn)電壓（如圖9（a）。反向積分器A1對(duì)積分，輸出電壓開(kāi)始線性下降。當(dāng)下降到0時(shí)（即t），如圖9（b），過(guò)零比較器A2再次翻轉(zhuǎn)，輸出的負(fù)跳變脈沖關(guān)閉閘門(mén)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，邏輯控制電路使開(kāi)關(guān)閉合，積分電容快速放電，使積分器恢復(fù)到零狀態(tài)，則定值積分階段結(jié)束。在定值積分階段，積分器的輸出電壓的表達(dá)式為： （14）定值積分階段結(jié)束時(shí)，積分器的輸出電壓為： （15）式中，定值積分的時(shí)間，可以通過(guò)計(jì)數(shù)器累計(jì)的時(shí)鐘脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算，即 （16）由式（15）可得： （17）由式（13）和（17）可得： （18）可見(jiàn)，ICL7107被測(cè)電壓與參考電壓之間有著嚴(yán)格的比例關(guān)系1。若固定為1000，應(yīng)設(shè)定為100mV，則被測(cè)電壓的值可直接以計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值來(lái)顯示。輸出讀數(shù)（） （19）在放大器輸出端，若接到A端，此時(shí)輸出電壓為40mV，則在顯示電路中將顯示“0400”；若接到B端，此時(shí)輸出電壓為20 mV，則在顯示電路中將顯示“0200”。利用VIN與VREF的比例關(guān)系來(lái)設(shè)計(jì)電路，可以大大簡(jiǎn)化放大器的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作。2.4數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì)1）七段數(shù)碼管顯示原理七段數(shù)碼管在工業(yè)控制中有著很廣泛的應(yīng)用,例如用來(lái)顯示溫度、數(shù)量、重量、日期、時(shí)間，還可以用來(lái)顯示比賽的比分等，具有顯示醒目、直觀的優(yōu)點(diǎn)。七段數(shù)碼管可分為共陰極和共陽(yáng)極的數(shù)碼管，對(duì)于共陰極的數(shù)碼管只有當(dāng)其輸入端輸入高電平時(shí)二極管才會(huì)發(fā)光；而共陽(yáng)極的數(shù)碼管只有當(dāng)輸入端輸入低電平時(shí)二極管才會(huì)發(fā)光。其具體工作原理可敘述如下：首先將數(shù)碼管要顯示的8分為七段如圖10所示。圖10 數(shù)碼管位置圖這七段分別由七個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，還有一個(gè)發(fā)光二極管用來(lái)顯示小數(shù)點(diǎn)。各段LED顯示器需要由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，且驅(qū)動(dòng)一個(gè)二極管點(diǎn)亮需要約3mA的電流。根據(jù)數(shù)碼（0，1，2，3，4，5，6，7，8，9）來(lái)決定七段中的某一段或幾段進(jìn)行顯示，例如：如果數(shù)碼為0，則要點(diǎn)亮a、b、c、d、e、f段。對(duì)于其它的數(shù)字可依次類(lèi)推。2）顯示方式的選擇因?yàn)樾酒琁CL7107采用雙電源供電，能輸出較大的電流，適合于驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼顯示器，并且ICL7107芯片內(nèi)部包括7段譯碼，可以用硬件譯碼的方法直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼顯示器，所以顯示方式采用共陽(yáng)極數(shù)碼管LED顯示。七段 LED數(shù)碼管共陽(yáng)級(jí)顯示如下圖11。圖11 共陽(yáng)極顯示原理ICL7107沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使用時(shí)可將共陽(yáng)極數(shù)碼管的公共陽(yáng)極接，小數(shù)點(diǎn)接GND時(shí)點(diǎn)亮，接時(shí)熄滅1。3）外圍電阻的選擇由于每個(gè)二極管需要約3mA電流驅(qū)動(dòng)，四個(gè)數(shù)碼管共有25個(gè)二極管需要驅(qū)動(dòng)，故需要的總電流為mA，所以在5V電源處需加一個(gè)100的電阻。由式（19），若為100mV，則輸出讀數(shù)和輸入電壓間是十倍的關(guān)系，故需要將十位上的小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮，才能使所稱(chēng)物體的質(zhì)量和顯示的讀數(shù)相等。點(diǎn)亮該小數(shù)點(diǎn)的方法是將一個(gè)1.5k的電阻接地。具體電路如下圖12。圖12 顯示電路2.5 電源部分的設(shè)計(jì)2.5.1 電源電路的結(jié)構(gòu)及各部分作用1）電源電路框圖及原理在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。小功率穩(wěn)壓電源的組成可以用如圖13表示，它是由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成5。電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路圖13 電源電路的結(jié)構(gòu)框圖電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰慕涣麟妷褐?，然后通過(guò)整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓5。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)（一般有10%左右的波動(dòng)）、負(fù)載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出穩(wěn)定的直流電壓5。2）整流電路整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電，完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。常見(jiàn)的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路5。本設(shè)計(jì)選用單相橋式整流電路，如圖14，其中Tr是電源變壓器，是要求直流供電的負(fù)載電阻，四只整流二極管（D1D4）接成電橋的形式。圖14 單相橋式整流電路3）濾波電路濾波電路用于濾除整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路5。常用的結(jié)構(gòu)如圖15所示。本設(shè)計(jì)濾波電路選用（a）中的電容濾波。圖15 濾波電路的基本形式4）穩(wěn)壓電路在本設(shè)計(jì)中，穩(wěn)壓電路采用三端集成穩(wěn)壓器組成。三端集成穩(wěn)壓器只有輸入、輸出和公共引出端。78L系列為正電壓輸出，79L系列為負(fù)電壓輸出。本設(shè)計(jì)使用了7815、7805、7915、7905四個(gè)三端集成穩(wěn)壓器，其中7815、7805分別輸出15V、5V直流電源，7915、7905分別輸出15V、5V直流電源。2.5.2 參數(shù)計(jì)算1）變壓器的參數(shù)計(jì)算A保證穩(wěn)壓器在電網(wǎng)電量低時(shí)仍處于穩(wěn)壓狀態(tài)，要求： （20）式中，是穩(wěn)壓器的最小輸入輸出壓差，典型值為3V。按一般電源指標(biāo)的要求，當(dāng)輸入交流電壓220V變化10%時(shí)，電源應(yīng)穩(wěn)壓。所以穩(wěn)壓電路的最低輸入電壓： （21）由于5V（或15V），所以有（），取值9V（或18V）。B另一方面，為保證穩(wěn)壓器安全工作，要求： （22）式中，是穩(wěn)壓器的最大輸入輸出壓差，典型值為35V可見(jiàn)9V（或18V）在所需范圍內(nèi)。C由于=0.5A，變壓器副邊P4.5W，變壓器的效率=0.7，則原邊功率P6W，由以上分析可見(jiàn)，選購(gòu)副邊電壓為9V（或18V），輸出電流1A，功率為9W（18W）的變壓器。2）濾波電容C的計(jì)算5 （23）（式中T為輸入交流信號(hào)周期；為整流濾波電路的等效負(fù)載電路）因此有取、=2200F（、=1000uF）接入電容、用于消除波紋電壓，、用來(lái)抑制穩(wěn)壓器自激。綜上，畫(huà)出電源部分的電路如圖16所示。圖16 電源部分電路圖2.6 電路校驗(yàn)1）傳感器電路的調(diào)零如圖3，即當(dāng)應(yīng)變片不受力作用時(shí)，調(diào)節(jié)，輸出電壓為零。2）放大電路調(diào)零如圖6，當(dāng)放大器輸入為零時(shí)，調(diào)節(jié)Rp，使輸出電壓為零。3）ICL7107A/D轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試如圖8，主要調(diào)試工作為基本