《電氣測試技術(shù)第5版》 課件 第5章 數(shù)字化測量技術(shù)

第5章數(shù)字化測量技術(shù)第5章數(shù)字化測量技術(shù)5.1概述5.2有源濾波器的設(shè)計5.3模擬信號放大技術(shù)5.4集成模擬多路開關(guān)5.5集成采樣、保持（S-H）器5.6系統(tǒng)誤差校正技術(shù)5.7量程自動切換與標度變換5.8A/D轉(zhuǎn)換原理、器件及應(yīng)用5.9D/A轉(zhuǎn)換原理及常用器件的應(yīng)用5.10LED和LCD顯示技術(shù)5.11數(shù)字化測量儀器分析5.12數(shù)字化測量儀器設(shè)計5.1概述如前所述，利用各種傳感器可將各種非電量，例如溫度、壓力、流量、物位、質(zhì)量、力、振動、位移、加速度、沖擊、轉(zhuǎn)矩以及各種狀態(tài)量和成分量等轉(zhuǎn)換成便于遠傳、放大和處理的電量（如電流、電壓、頻率及阻抗等）。電信號經(jīng)過濾波、放大和處理后，可用傳統(tǒng)的指針式儀表或數(shù)字儀表來指示或顯示。后者較前者具有測量精度高、靈敏度高、速度快、讀數(shù)客觀、測量自動化、易于與微機系統(tǒng)組成自動測試系統(tǒng)等一系列優(yōu)點。數(shù)字化測量技術(shù)的基本內(nèi)容是將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的量化了的斷續(xù)量，然后予以數(shù)字編碼，進而傳輸、存儲、顯示或打印。因此，（A/D）轉(zhuǎn)換器是數(shù)字化測量的核心部件。Thankyou!03December20245.2有源濾波器的設(shè)計03December20245.2有源濾波器的設(shè)計傳感器的輸出信號多數(shù)是微弱的電信號，在信號的處理、放大、傳輸以及傳感器的本身等各個環(huán)節(jié)中，都很容易引進干擾信號。在嚴重情況下，這些干擾信號會淹沒有用信號，以致于無法測量。在這種情況下，除了采用有效的抗干擾措施外，采用信號濾波技術(shù)是提高信躁比（S/N）的行之有效的方法。濾波器的作用是選出有用的頻率信號，有用頻率信號通過濾波器時，不衰減或有放大作用（對有源濾波而言），而抑制雜散的無用頻率的信號，使其最大限度的衰減，從而提高信躁比。03December2024濾波器分類通常，稱可以通過的頻率范圍為通帶；不能通過的頻率范圍為阻帶；通帶與阻帶的界限頻率為截止頻率，其頻率特性用Q值來衡量，Q值越高，即靈敏度越高，頻率選擇特性越好，通帶越窄。因此，濾波器可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。按濾波器是否使用有源器件（放大器）來分，可分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。03December2024一階無源和有源低通濾波器見圖5-1。圖a是一階無源RC低通濾波器，其傳遞函數(shù)為：

圖b是一階有源低通濾波器，其傳遞函數(shù)為：

式中，

；

為增益。圖c是RC網(wǎng)絡(luò)接到正輸入端的一階有源濾波器，設(shè)

，其傳遞函數(shù)為：

式中，

為增益。圖5-1無源與一階有源低通濾波器03December2024表5-1無源濾波器與有源濾波器性能比較比較指標無源有源尺寸、重量和價格調(diào)諧帶寬頻帶寬度次聲頻（<10Hz）聲頻射頻（>100kHz）增益輸入和輸出的阻抗匹配多級連接傳遞函數(shù)的求取受電感器的限制必須調(diào)整

或

受電感Q的限制不具有獲得不方便好有插入損耗必須匹配逐級加載困難在于電感器的非理想特性和級間互相影響，求取既麻煩又復(fù)雜無電感器只用一個電阻器進行調(diào)整容易做到Q≥100極好極好好增益>1不需要匹配沒有問題直接，且很有效有源濾波器在低頻（<1MHz）段使用時，具有更優(yōu)越的性能。表5-1為有源濾波器與無源濾波器的性能比較。由表5-1可見，有源濾波器較無源濾波器具有無法比擬的優(yōu)越性能。因此目前在音頻信號處理、工業(yè)測量和控制領(lǐng)域已得到極為廣泛的應(yīng)用。03December20245.2.1低通有源濾波器的設(shè)計低通濾波器的功能是：讓直流到指定截止頻率的低頻信號通過，而高頻分量信號受到很大的衰減，其通帶為

，為截止頻率。圖5-2為利用運放組成有限增益可控的有源二階低通濾波器。設(shè)

，

，利用節(jié)點電流法，則該有源濾波器的幅頻特性可通過下面

的聯(lián)立方程求解：圖5-2有限增益二階低通濾波器03December2024因此可求得其傳遞函數(shù)為：上式是二階低通濾波器的標準式。上式左右兩邊對比，可得：當已知

和

值時，則可見，這種方法不能任意指定。03December20245.2.2高通有源濾波器的設(shè)計高通濾波器的功能是：讓高于指定頻率

的信號通過，而使直流到指定阻帶頻率的低頻分量受到衰減。只要低通濾波器中起濾波作用的電阻、電容的位置互換，便成為高通濾波器。二階高通濾波器見圖5-3。圖中，取

；

；

，則該電路的傳遞函數(shù)為：式中，；

；

。圖5-3二階高通有源濾波器03December20245.2.3帶通有源濾波器的設(shè)計其功能是：讓有限帶寬（

）內(nèi)的頻率分量通過，而讓此頻率范圍外的其他頻率分量衰減。其帶寬定義為：

，其中

和

為濾波器的上、下截止頻率。二階有源帶通濾波器見圖5-4。由節(jié)點方程可求得其傳遞函數(shù)為：

圖5-4二階有源帶通濾波器03December2024為簡化設(shè)計，常取

，

，上式經(jīng)簡化并化成標準形式得：對比上式可以看出：03December20245.2.4有源帶阻濾波器的設(shè)計其功能是：抑制某個頻率范圍內(nèi)的頻率分量，使其衰減，而讓此頻帶以外的頻率分量通過。幅頻特性對稱的帶阻濾波器也稱為“陷”波器。常用雙T形選頻網(wǎng)絡(luò)和運放組成有源帶阻濾波器，見圖5-5。為了獲得抑制范圍更窄的幅頻特性，將雙T形網(wǎng)絡(luò)中

接地端改接到輸出端。該電路的傳遞函數(shù)為：由式（5-9）和圖5-5可以看出：；；

由上式可見，

不能大于等于2，

愈接近2，

愈大，即起到阻斷范圍變窄的作用。03December2024圖5-5雙T有源帶阻濾波器03December2024Thankyou！03December20245.3模擬信號放大技術(shù)5.3.1概述5.3.2通用型集成運算放大器5.3.3高精度集成運放5.3.4高輸入阻抗集成運放5.3.5測量放大器5.3.6程控增益放大器5.3.7集成隔離放大器03December20245.3.1概述信號的放大技術(shù)是數(shù)字化測量技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。模擬信號的放大，常選用集成運算放大器（簡稱運放）。集成運放可分為通用型、高精度型、高輸入阻抗型、高速型、測量運放、可程控增益型和隔離型等。集成運放性能的優(yōu)劣主要從其技術(shù)指標來判斷。其主要性能指標有：開環(huán)增益、差模輸入阻抗（電阻）、輸出電阻、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、失調(diào)電壓和失調(diào)電流的溫度系數(shù)、輸入偏置電流、最大差模和共模輸入電壓范圍、共模抑制比、上升率和帶寬等。集成運放一般選擇原則是：在滿足所需電氣特性的前提下，盡可能選擇價格低廉、市場貨源充足的運放，即選用性能價格比高、通用性強的運放。通用型運放直流性能較好，種類多，價格低。線路的運放數(shù)量較多時，可選擇雙運放或四運放，其特點是內(nèi)部對稱性好，可簡化線路，縮小體積和降低成本。若信號源內(nèi)阻很大，則可選用高輸入電阻的運放。另外，像采樣/保持、峰值檢波、優(yōu)質(zhì)對數(shù)放大或反對數(shù)放大器、積分器和生物電信號的放大及提取、測量放大器等均需選擇高輸入阻抗的集成運放。若放大線路要求低噪聲、低漂移和高精度，則應(yīng)選擇高精度、低漂移的低噪聲運放。視頻信號的放大、處理等場合應(yīng)選擇高速寬帶運放?？傊?，選擇運放時，要視系統(tǒng)對放大電路的要求，作分析和耐心挑選，避免盲目選用高檔的運放。03December20245.3.2通用型集成運算放大器通用型運放的品種、規(guī)格、型號很多，各公司生產(chǎn)的型號有別，常用的有：μA741、LM124、LM224、LM324、DG741、F007等。圖5-8μA741的引腳功能及典型接法圖5-9LM124/224/324集成運放a）引腳功能b）基準電壓源應(yīng)用c）斯密特觸發(fā)電器03December20245.3.3高精度集成運放該類集成運放的型號很多，常用的有：AD0P07、ICL7650、DG725等。圖5-10ADOP07集成運放a）引腳功能b）典型接法圖5-11ICL7650集成運放a）引腳功能b）典型接法03December20245.3.4高輸入阻抗集成運放該類運放的輸入阻抗一般為107~1012MΩ。通常采用結(jié)型場效應(yīng)管構(gòu)成差分輸入級，以提高輸入阻抗，且兼有高速、寬帶，低失調(diào)電流、低諧波失真及低噪聲等特點。廣泛用于高速積分、快速D/A、采樣/保持電路及一般放大器中。常用的高輸入阻抗運放有：LF347、LF356、CA3140、DG3140等許多型號，各公司產(chǎn)品的型號也不一樣。圖5-13LF347的引腳功能03December20245.3.5測量放大器如前所述，傳感器輸出是微弱的電信號，信號中還可能包含有工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾信號。對這種信號的放大，需要放大電路具有高輸入阻抗、高增益、低噪聲和高共模擬制比，習(xí)慣上稱這種放大器為測量放大器、電橋放大器或儀表放大器。圖5-14為用三個運放組成的測量放大器原理圖，經(jīng)分析可得：圖5-14測量放大器原理該電路中只要運放的輸入阻抗和電壓增益對稱，其漂移將大大減少、輸入阻抗和共模抑制比很高，對微弱差模。電壓很靈敏適宜于與傳感器配合使用和測量遠傳信號。03December2024圖5-15AD521測成測量放大器a）引腳功能b）基本接法03December20245.3.6程控增益放大器在數(shù)字化測量技術(shù)中，可利用數(shù)字編碼控制電子開關(guān)來選擇放大器的反饋電阻實現(xiàn)不同的增益變換。在帶微計算機或微處理的測控系統(tǒng)中，采用軟件控制電子開關(guān)來選擇放大器的增益。具有這種功能的放大器稱為程控增益放大器。圖5-17為利用改變反饋電阻實現(xiàn)的程控增益放大器。圖5-17程控增益放大器原理03December20245.3.6.2常用集成程控增益放大器圖5-18AD524程控增運放引腳功能圖5-19PGA100引腳功能03December20245.3.7集成隔離放大器隔離放大器是指輸入回路、輸出回路和電源回路之間在電流和電阻都相互隔離、沒有公共參考地的放大器。常采用的耦合方式有變壓器耦合和光耦合兩種。為了提高微弱電信號（電壓或電流）和低頻信號的測量精度，減小漂移，常采用調(diào)制一解調(diào)式放大器。實現(xiàn)方法上，直流電源首先經(jīng)振蕩器變成交變信號，通過變壓器或光耦合器耦合到輸入回路；然后再整流和濾波、穩(wěn)壓作為輸入回路和輸出回路的直流電源；輸入回路的調(diào)制開關(guān)信號和輸出回路的解調(diào)開關(guān)信號也通過變壓器或光耦合器耦合過來；輸入回路和輸出回路之間的信號聯(lián)系也用變壓器或光耦合器來實現(xiàn)。03December2024其典型產(chǎn)品有：AD284、AD289、GF289、AD293、BGF01等以及其他公司的許多產(chǎn)品。集成隔離運放的特點是三端口隔離，能抗高的共模電壓（1500V），高共模抑制比，高輸入阻抗，高精度，低漂移和低噪聲等，廣泛用于數(shù)字采集系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、計算機及其他電子設(shè)備提供隔離保護。圖5-21為GF289隔離運放的引腳排列和其典型接法。圖5-21GF289集成隔離運放03December2024Thankyou！03December20245.4集成模擬多路開關(guān)5.4.1概述5.4.2常成集成摸擬開關(guān)5.4.3多路模擬開關(guān)應(yīng)用舉例03December20245.4.1概述在數(shù)字化測量技術(shù)和微型計算機或帶微處理器的測控系統(tǒng)中，常需要有多路參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、巡回檢測和控制。這類系統(tǒng)或裝置可對幾十點甚至上千點的參數(shù)進行自動的、按順序的測量、顯示或控制。若每一路都采用各自的放大器、采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，不僅使系統(tǒng)的成本增加，而且由于各組件特性的分散性給校準帶來極大的困難，甚至為不可能。因此，通常采用公用的采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換（有時也可將某些放大器共用）。實現(xiàn)這種設(shè)計，常采用集成摸擬多路開關(guān)來實現(xiàn)。此外，程控增益放大器也常用多路開關(guān)。03December2024多路開關(guān)的主要指標通道數(shù)量

通道數(shù)量對切換開關(guān)傳輸被測信號的精度和切換速度有直接影響，因為通道數(shù)目越多，寄生電容和泄漏電流通常也越大，通道間的干擾也越嚴重。泄漏電流

如果信號源內(nèi)阻很高，傳輸?shù)挠质请娏髁?，此時就要考慮多路開關(guān)的泄漏電流，希望泄漏電流越小越好。切換速度

若傳輸?shù)氖强焖僮兓男盘?，必須考慮切換速度。通常結(jié)合采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換的速度來綜合考慮。開關(guān)電阻

包括導(dǎo)通電阻和斷開電阻。在理想情況下，導(dǎo)通電阻為零，斷開電阻為無窮大，其實不然，導(dǎo)通時有一定電阻，斷開電阻也為有限值。03December20245.4.2常成集成摸擬開關(guān)1單端8通道圖5-22AD7501/AD7503引腳功能圖5-23CD4051引腳功能03December20242單端16通道AD7506為CMOS工藝單片集成16選1多路模擬開關(guān)，在某一時刻，16路輸入通道中只有一路與輸出端接通，其作各路均與輸出端斷開，選通通道根據(jù)地址A0、A1、A2、A3編碼而得。圖5-24a為其外引腳圖，圖中EN為高電平有效。圖5-24單端16通道模擬開關(guān)03December2024圖5-25差動4通道模擬開關(guān)3差動4通道AD7502是差動4通道多路模擬開關(guān)，其主要特性參數(shù)與AD7501基本相同，但是在選通地址相同情況下，有兩路通道同時選通，其真值表見表5-4。圖5-25a為AD7502的外引腳圖，圖中，A0、A1為選通地址；EN為允許端，高電平有效。03December20244差動8通道AD7507是差動8通道模擬開關(guān)，其主要特性參數(shù)與AD7506基本相同，但是在選通地址相同情況下，在同一時刻有2路被選通，共有2個輸出端，16個輸入端，其外引腳見圖5-26a，圖中，EN為選通允許，高電平有效。CD4097同類產(chǎn)品有CC4097B，稱為雙8選1模擬開關(guān)。其外引腳圖見圖5—26b。圖中，A、B，C為選通地址，INH為選通允許端，低電平有效。圖5-26差動8通道模擬開關(guān)03December20245.4.3多路模擬開關(guān)應(yīng)用舉例圖5-27為利用單片CD4051組成的8通道選1的系統(tǒng)，S/H為采樣/保持器。在A/D轉(zhuǎn)換精度要求不高（8位）時可直接用ADC0808/0809內(nèi)部的8選1模擬開關(guān)。96系列單片機內(nèi)的10位A/D轉(zhuǎn)換器也集成有8選1模擬開關(guān)。圖5-27單8通道選一應(yīng)用系統(tǒng)圖5-28單通道16選一應(yīng)用系統(tǒng)圖5-28為利用單片AD7506組成的16選1系統(tǒng)。當輸入通道很多時，例如64路、128路或更多路輸入時，只能使用多個多路模擬開關(guān)組合方式。03December2024圖5-29為利用2片CD4051組成的16路選1系統(tǒng)。更多的通道，可參考這種組合方法來實現(xiàn)，例如用2片CD4067給成32選一應(yīng)用系統(tǒng)。在有些情況下，模擬量模擬量輸入往往需雙端輸入，例如后接測量放大器或從熱電偶獲取信號等，此時可選取差動4通道、差動8通道模擬開關(guān)，也可用多片差動4通道或8通道模擬開關(guān)組合而成。圖5-292片CD4051組成16選一應(yīng)用系統(tǒng)03December2024Thankyou！03December20245.5集成采樣/保持（S/H）器5.5.1概述5.5.2S/H的工作原理及其主要技術(shù)指標5.5.3常用集成采樣/保持器03December20245.5.1概述在對模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換時，從啟動A/D開始轉(zhuǎn)換到完成轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字量需要一定時間，這段時間稱為轉(zhuǎn)換時間或孔徑時間。當輸入信號頻率較高時，由于孔徑時間的存在會造成較大的轉(zhuǎn)換誤差。為防止這種誤差，必須在A/D開始轉(zhuǎn)換時將信號保持住，而在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟隨輸入信號的變化，使輸入信號處于采樣狀態(tài)，能完成這種功能的器件稱為采樣/保持器（S/H）。在模擬量輸出通道，為了使輸出得到一個平滑的模擬量，或者對多通道進行分時控制時，也常采用S/H。03December20245.5.2S/H的工作原理及其主要技術(shù)指標5.5.2.1S/H的工作原理圖5-30是簡單S/H原理框圖。圖中，A1、A2為電壓跟隨器，其輸入阻抗極大，而輸出阻抗很小。在采樣期間，驅(qū)動器使S閉合，保持電容

迅速充電到輸入電壓

的幅值，對進行跟蹤。在保持期間，驅(qū)動器使S斷開，由于的漏電流極小，A2的輸入阻抗極大，

幾乎沒有放電回路，因此，基本上保持

不變，并通過A2跟隨輸出到A/D去轉(zhuǎn)換。圖5-30S/H工作原理框圖03December20245.5.2.2S/H的主要技術(shù)指標采樣/保持器在選擇時主要考慮下列因素：孔徑時間

從發(fā)出保持命令起到開關(guān)S斷開的時間稱為孔徑時間。它會導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換采樣的時間延遲。捕捉時間

由發(fā)出采樣命令時刻起，其輸出電壓由原來的保持值過渡到此刻輸入信號值（通常為±0.1%~±0.01%）所需的時間稱為捕捉時間。它包括開關(guān)S的閉合時間和建立跟蹤

的穩(wěn)定時間。保持電壓衰減率輸入與輸出間直接耦合

在保持階段，雖然開關(guān)S已斷開，但由于極間電容等的原因。輸入信號的變化會引起輸出信號變化，在輸入信號頻率高時，耦合影響會很大。03December20245.5.3常用集成采樣/保持器S/H的種類繁多，分類方法不一，通?？煞譃橥ㄓ眯停ㄈ鏛F398、AD582、AD583等）、高速度型（如AD364、AD585等）和高分辨率型（如AD389、SHA1144等）。由于篇幅所限，主要介紹通用型S/H。圖5-31LF398引腳功能和典型接法通用型LF398通用型AD582圖5-32AD582的典型接法通用型AD583圖5-33AD583的引腳功能03December2024Thankyou！03December20245.6系統(tǒng)誤差校正技術(shù)如前所述，系統(tǒng)誤差不能像隨機那樣利用數(shù)理統(tǒng)計的方法來消除或減小其對測量結(jié)果的影響，但是，由于系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的誤差，可視每一具體情況通過理論分析或?qū)嶒炇侄蝸斫⑾到y(tǒng)誤差的模型，然后加以校正，從而減小或消除系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差的校正主要包括零點和滿度漂移的校正和非線性校正。非線性校正可分為模擬式非線性校正和數(shù)字式非線性校正。模擬式非線性校正是根據(jù)輸入信號的特性自動改變放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)的特性去自適應(yīng)被測量的特性。實現(xiàn)起來比較困難和不易得到高的校正精度。在數(shù)字化測量技術(shù)中，廣泛應(yīng)用了微計算機或微處理器，利用微機的強大的計算和控制功能，對系統(tǒng)誤差的校正極為方便。03December20245.6.1利用誤差模型校正系統(tǒng)誤差誤差模型的建立，必須具體情況具體分析。圖5-34為一種具有相當普遍意義的誤差模型。圖中，x是輸入的被測量，y是帶有誤差的測量結(jié)果，e為影響量（例如零點漂移或干擾），i是偏置量（如放大器的偏置電流），k代表影響特性（如放大器的增益變化），從

引一個反饋量到輸入端以改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在無誤差的情況下，即e=0，i=0，k=1，

于是

。在有誤差的情況下，則有如果能求出誤差因子b0和b1之值，則可修正系統(tǒng)誤差。圖5-34誤差模型03December2024校準步驟圖5-35為式（5-14）的校準電路，其校準步驟如下：先令輸入端短路（開關(guān)S1閉合，S2和S3斷開），此時有x=0，其輸出為y0

，按式（5-14）可得：這一步驟稱為“零點校準”。令輸入端接上一個已知的標準電壓

（開關(guān)S2閉合，S1和S3開路），此時有x=E，于是有：這一步驟稱為“增益校準”。03December2024聯(lián)立求解式（5-15）和式（5-16），即可求得二個誤差因子為：在進行實際測量時（開關(guān)S3閉合，S1和S2開路），得到輸出為y，于是被測量的真值為：

式中，y1和y0是二次校準所測得的已知值。由于測量過程是自動而快速進行的，故在每次實際測量前，首選進行校準，取得當時的誤差因子值，然后進行近似于實時的誤差校正。03December20245.2.2利用校準曲線通過查表法修正系統(tǒng)誤差要建立適當?shù)恼`差模型，必須對誤差來源有充分的了解，在較復(fù)雜的儀器中，這一點未必能做得到。這時可通過實驗，即通過實際校準得測量的校準曲線，然后將曲線上各個校準點的數(shù)據(jù)存入存儲器的校準表格中，在以后的測量中，通過查表求得修正了的測量結(jié)果。圖5-36校準曲線03December2024校準過程獲得校準曲線的過程為：在儀器的輸入端逐次加入一已知量（如電壓）x1

、x2

、…、xn

，并得到實際測出的y1

、y2

、…、yn

，于時可作出校準曲線，見圖5-36a。將實際測量得到的這些yn值作為存儲器中的一個地址，把對應(yīng)的諸xn值作為內(nèi)容存入其中，這就建立一張校準表格。然后，在實際測量時得到一個yn值，就令單片機去訪問這個地址yn，讀出其內(nèi)容xn，此xn即被測量經(jīng)過修正了的值。對于y值介于某兩校準點yn和yn+1之間時，可按最鄰近的一個值yn和yn+1去查找對應(yīng)的xn或xn+1值作為最后結(jié)果，那么這個結(jié)果將會帶有一定的殘余誤差。在任意兩個校準點之間的校準曲線段，可以近似地看成是一段直線。如圖5-36所示。03December2024在兩校準點之間進行內(nèi)插，最簡單的方法是作線性內(nèi)插，當yn＜y＜yn+1時，取

根據(jù)上式可畫出查表內(nèi)插程序框圖，見圖5-37。程序由一些簡單的加、減、乘、除子程序組成。圖5-37查表法內(nèi)插計算流程圖03December20245.6.3折線逼近法非線性校正可用n段折線逼近實際的非線性曲線，見圖5-38，圖中，用三段折線擬合實際非線性曲線，其中y為被測量，x是測量數(shù)據(jù)。

折線段可由下列直線方程來描述式中，a、b為系數(shù)。每一條折線段有兩個點是已知的。圖5-38折線逼近法非線性校正03December20245.6.4平方插值法非線性校正平方插值法實質(zhì)上也是一種分段校正法，它與分段析線法的主要區(qū)別是，在每一段中不是采用線性擬合，而是采用二階拋物線擬合，這樣擬合的結(jié)果顯然比直線擬合更精確。平方插值法校準曲線的分段擬合如圖5-39所示，圖示曲線可劃分為a、b、c、d等四段，每段可用一個二階拋物線方程來繪。圖5-39平方插值法校正曲線的分段擬合03December2024Thankyou！03December20245.7量程自動切換與標度變換5.7.1量程自動切換5.7.2標準變換03December20245.7.1量程自動切換大多數(shù)數(shù)字儀表均具有多個測量量程。多個量程中，有一個是基本量程。為了提高精度，應(yīng)能自動切換量程。量程自動切換常由輸入電路來實現(xiàn)，通過不同的衰減系數(shù)和前置放大器不同放大倍數(shù)的組合來實現(xiàn)量程自動切換。因此，可得量程自動切換控制流程圖見圖5-41。圖5-41量程自動切換程序流程圖03December20245.7.2標度變換傳感器的輸出信號經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后得到的是離散的數(shù)字量，該數(shù)字量僅代表了被測參數(shù)的大小，而不是被測參數(shù)的真正值。被測參數(shù)的真正值是含有數(shù)值和量綱的。為此必須將數(shù)字量乘或除某一系數(shù)才能轉(zhuǎn)換成被測參數(shù)的真正值。這一轉(zhuǎn)換過程稱為標度變換。乘或除的某一系數(shù)稱為標度變換系數(shù)。例如，設(shè)被測溫度范圍為0~1000℃，經(jīng)放大和12位A/D轉(zhuǎn)換得數(shù)字量為0~4095。1000℃對應(yīng)數(shù)字量4095，因此標度變換系數(shù)=4095/100=4.095，可見，所測得的數(shù)字量除以4.095才得到被測溫度之值，量綱為℃。03December2024標度變換方法有模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式通常是利用程控衰減器和程控增益放大器組合來實現(xiàn)，也可以利用邏輯電路和計算器組成具有＋、－、×、÷功能的電路來實現(xiàn)。這是主要介紹數(shù)字式標度變換的原理。設(shè)測量范圍為

；經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量為

；為測量值，

為

對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，則例如，溫度測量范圍為-60~340℃，=0~2000；按上式可求得：

03December2024Thankyou！03December20245.8A/D轉(zhuǎn)換原理、器件及應(yīng)用5.8.1雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理、器件及應(yīng)用5.8.2逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理、器件及應(yīng)用5.8.3U/F轉(zhuǎn)換原理及常用器件5.8.4A/D轉(zhuǎn)換器的一般選擇原則03December20245.8.1雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理、器件及應(yīng)用微機或數(shù)字儀表輸出的數(shù)字量必須轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，才能送給模擬執(zhí)行機構(gòu)去實現(xiàn)控制。完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，A/D轉(zhuǎn)換可分為兩大類：直接變換型和間接變換型。直接變換型將輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼；間接變換型將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成中間變量（如，時間、頻率、脈沖寬度等），然后，把中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。03December2024雙各分式A/D轉(zhuǎn)換采用間接轉(zhuǎn)換技術(shù)，其原理框圖見圖5-42。其轉(zhuǎn)換過程簡述如下：首先，邏輯控制器發(fā)出t0脈沖，清零計數(shù)器和寄存器，同時斷開S1~S3和S4、S5閉合，積分電容放電至零電荷。邏輯控制器發(fā)出t1脈沖，S2~S5斷開，S1閉合，對被測電壓UX進行積分。同時令計器開始對f0定時計算。積分器輸出電壓U0為：當計算器溢出時，積分時間為T1，T1為定值。此稱為采樣階段，見圖5－42。圖5-42雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理框圖雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理：03December2024雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理：邏輯控制器發(fā)出t2脈沖令計數(shù)器和寄存器清零，S1和S3~S5斷開。積分器對基準電壓UN積分。同時令計數(shù)器又開始計數(shù)。積分器輸出電壓為：當積分器輸出過零時，邏輯控制器令計數(shù)器停止計數(shù)。此為測量階段。此階段時間T2為，見圖5-42。由于積分器由零開始積分又回到零，因此

，由式（5-32）和式（5-33）得：

03December2024雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理：設(shè)T1期間計數(shù)器計數(shù)值為N1；T2期間計數(shù)值N2；時鐘脈沖頻率為f0，則N1=T1f0，N2=T2f0，代入式（5-34）得：由上式可見，N2正比于被測電壓Ux在一個周期內(nèi)的平值

。由上式可見，若采樣時間

是交流干擾信號周期的整數(shù)倍，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器對干擾信號具有無窮大的抗干擾能力。這是雙積分式A/D的突出優(yōu)點，其缺點是轉(zhuǎn)換時間較長，一般大于40ms，不適用于被測信號頻率較高的場合，而對于直流或緩變信號，得到廣泛應(yīng)用。03December2024雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換芯片的品種很多。BCD碼輸出的常用芯片有：

位有MC14433（CC14433、5G14433）；

位有ICL7135（CH7135、TSC7135、5G7135）和CH295；

位有CC7555等。二進制碼輸出的常用芯片有ICL7109（12位）和ICL7104（16位）等。以上芯片能方便地與單片機接口組成智能化儀表。此外，還有許多帶BCD-七段譯碼、驅(qū)動功能的芯片，其輸出可直接驅(qū)動LED或LCD顯示，簡化了硬件電路，其中，

位有ICL7106/7107/7136；

位的有ICL7129等。這類芯片不便與微機接口，但是，與LED或LCD組成數(shù)字電壓表卻具有線路簡單、工作可靠的突出優(yōu)點。03December20241.MC14433A/D轉(zhuǎn)換器

國產(chǎn)型號是5G14433，是廣泛使用的最典型雙積分A/D轉(zhuǎn)換器。具有抗干擾能力強，精度高（相當于11位二進制數(shù)），自動校零，自動極性輸出，自動量程控制信號輸出，動態(tài)字位掃描BCD碼輸出，單基準電壓，外接元件少，價格低廉等特點。MC14433為24腳雙列直插式，其引腳功能，見圖5-43。圖5-43MC14433引腳功能03December2024圖5-44MC14433外部電路和典型連接圖5-45位數(shù)字電壓表原理圖5-46是MC14433與8031單片機的接口電路03December20242.MC7135A/D轉(zhuǎn)換器

國外產(chǎn)品有ICL7135、5G7135、AD7135、CH7136、TSC7135等，可以互換使用。是目前國內(nèi)市場上廣泛流行的單片集成

位雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。具有精度高（相當于14位二進制數(shù)），自動校零，自動極性輸出，動態(tài)字位掃描BCD碼輸出，單基準電壓，自動量程控制信號輸出，輸入阻抗高，價格低廉等特點。因此得到廣泛的應(yīng)用。圖5-47為5G7135的外引腳功能圖。圖5-475G7135引腳功能03December2024圖5-49MC7135外接時鐘電路圖5-48MC7135外部連接圖5-504.5位數(shù)字電壓表原理圖圖5-51MC7153單片機與8031的接口電路03December20243.ICL7106A/D轉(zhuǎn)換器ICL7106是美國哈里斯（Harris）公司生產(chǎn)的雙積分式

位A/D轉(zhuǎn)換器，其它公司生產(chǎn)的7106產(chǎn)品可以互換使用。7106內(nèi)含

位A/D轉(zhuǎn)換器、BCD-7段譯碼器、時鐘電路、參考電壓和LCD驅(qū)動電路，因此可直接和液晶顯示器相連。7106的量程為2.000V或200mV，可根據(jù)需要選擇。7106是40腳雙列直插式封裝，其引腳功能見圖5-52a。圖5-52ICL7106引腳功能及與LCD接法03December20244.ICL7107A/D轉(zhuǎn)換器

ICL7107也是雙積分型

位A/D轉(zhuǎn)換器，它具有A/D轉(zhuǎn)換、BCD—七段譯碼和驅(qū)動、鎖存功能。它與ICL7106基本相同。不同之處如下：1）7106一般用單電源（+9V），7107一般用雙電源（多為±5V）。2）7106輸出級為異或門結(jié)構(gòu)，適合于驅(qū)動LCD顯示器，7107輸出級為大電流反相器，適合于驅(qū)動LED顯示器。03December20245.8.2逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理、器件及應(yīng)用5.8.2.1逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是反饋一比較式轉(zhuǎn)換器，采用零位測量方式，即用已知標準量逐步逼近被測量，最后二者之差趨向于零。其原理框圖見圖5-53。工作過程如下：在起動脈沖作用下，邏輯控制器發(fā)指令對寄存器和A/D轉(zhuǎn)換器清零。緊接著對寄存器最高位Dn-1位置“1”，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓Ua。Ua與被測電壓Ux比較，若Ux＞Ua比較器輸出高電平，邏輯控制器輸出保留Dn-1位的“1”；若Ux<Ua，則邏輯控制器輸出使Dn-1位復(fù)查。03December2024邏輯控制器輸出令Dn-2位置“1”，讓Dn-1和Dn-2位一起進行D/A轉(zhuǎn)換成

。若Ux＞Ua，邏輯控制器輸出保留Dn-2位的“1”；若Dn-1=1，則Dn-1、Dn-2=11；若Dn-1已復(fù)零，則Dn-1、Dn-2=01。若Ux<Ua，則邏輯控制器輸出使Dn-2位復(fù)零。若Dn-1=1，則Dn-1Dn-2=10；若Dn-1=0，則Dn-1Dn-2=00。邏輯控制器輸出令Dn-3置位“1”，按上述方法比較，一直到D0位比較完畢，并決定是保留D0的“1”或復(fù)位D0位為止，一次轉(zhuǎn)換完畢。比較完畢后，N位輸出寄存器中的數(shù)字量即為UX

數(shù)字量，此時，UX≈Ua，仍有微小的差值即為A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率。逐位比較型A/D轉(zhuǎn)換器的比較過程是從最高位開始，逐位地向最低位進行比較，直到最低位比較完畢。逐位比較型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快，由于它是對瞬時值進行比較的，因此，其抗干擾能力較差。03December20245.8.2.2逐位逼近A/D轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的品種規(guī)格繁多，其中8位二進制數(shù)據(jù)輸出的有：ADC0801~ADC0809，ADC0816、ADC0817、ADC7574、ADC750等。10位以上二進制數(shù)據(jù)輸出的有：AD7570、AD574、AD572、ADC1210/1211、AD578、AD679/1679等。03December20241.常用8位ADC芯片的特性及應(yīng)用ADC0801、ADC0802、ADC0803、ADC0804和ADC0805有相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳排列以及封裝。它們的差別僅在于精度不同。以ADC0801為例，其引腳排列見圖5-54a。圖5-54ADC0801~ADC0805引腳功能和與8031接口電路a)引腳功能b)與8031接口電路03December2024ADC0808和ADC0809ADC0808和ADC0809的外部封裝、引腳排列和功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理均相同，除精度不同外，其它參數(shù)也相同。其引腳排列見圖5-55。圖5-55ADC0808/0809的引腳功能03December2024圖5-56ADC0809與8031組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理03December20242.10位以上逐位逼近型ADC芯片的特性及應(yīng)用10位以上逐位逼近型ADC芯片的品種很多。下面以AD574系列為例介紹10位以上芯片的性能及與單片機的接口方法。圖5-57AD574系列ADC引腳功能03December2024圖5-58AD574系列ADC典型接法03December2024圖5-59AD574與8031接口電路03December20245.8.3U/F轉(zhuǎn)換原理及常用器件U/F轉(zhuǎn)換器是把電壓轉(zhuǎn)換為頻率信號的器件。它具有精度高，線性度好，應(yīng)用電路簡單，對外圍器件性能要求不嚴格，價格便宜，便于與微機接口等優(yōu)點，因此應(yīng)用廣泛。U/F轉(zhuǎn)換器的品種繁多，例如，ADVF32、AD537、AD458、AD651、AD654、LM131/231/331、VFC32/42/52/62、VFC100和VFC320等。03December20245.8.3.1U/F轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)U/F轉(zhuǎn)換的方法很多，在U/F轉(zhuǎn)換集成芯片中，目前多數(shù)采用電荷平衡轉(zhuǎn)換原理，見5-60。圖a為原理框圖；圖b為輸出波形。由圖可見，它由積分器、零比較器、恒流源、單穩(wěn)定時器和模擬開關(guān)組成。它可被看作是一個振蕩頻率f0

受被測電壓Ui控制的振蕩器。圖5-60U/F轉(zhuǎn)換原理03December20245.8.3.2U/F轉(zhuǎn)換器件及其典型接法VFC32轉(zhuǎn)換器的特性及其典型接法圖5-61VFC32的引腳功能圖5-62VFC32的典型接法03December20242.LMX31系列U/F轉(zhuǎn)換器及其典型接法圖5-63LMX31系列U/F轉(zhuǎn)換器03December20243.AD650U/F轉(zhuǎn)換器的特性及其典型接法圖5-64AD650的典型接法03December20245.8.3.3U/F轉(zhuǎn)換器與單片機的接口U/F轉(zhuǎn)換器與單片機之間直接連接和利用光耦合器隔離連接方法，見圖5-65。圖a為直接連接，比較簡單。圖b為采用光電隔離方法連接，適用電源干擾大、模擬部分容易產(chǎn)生電氣干擾的場合。圖5-65U/F轉(zhuǎn)換器與單處機常用接口方法03December2024圖5-66VFC32與8031接口電器03December20245.8.4A/D轉(zhuǎn)換器的一般選擇原則A/D轉(zhuǎn)換器在選擇時必須考慮以下幾個指標：分辨率指輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。轉(zhuǎn)換精確度在轉(zhuǎn)換過程中，任何數(shù)碼所對應(yīng)的實際模擬電壓與理想模擬電壓值之最大偏差與滿刻度模擬電壓之比的百分數(shù)，或以二制分數(shù)來表示相應(yīng)的數(shù)字量。轉(zhuǎn)換速率指在單位時間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換的次數(shù)。線性度

是指A/D轉(zhuǎn)換器實際的模擬電壓與數(shù)字的轉(zhuǎn)換關(guān)系與理想直線之間之差，或用非線性誤差來表示。偏移誤差

是指輸入電壓為零時，輸出數(shù)字量不為零之值。03December2024Thankyou！03December20245.9D/A轉(zhuǎn)換原理及常用器件的應(yīng)用D/A轉(zhuǎn)換器是一種把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件。它是數(shù)字化特別是單片機測控系統(tǒng)的典型接口技術(shù)。5.9.1D/A的轉(zhuǎn)換原理5.9.2主要技術(shù)指標5.9.3D/A轉(zhuǎn)換器與單片接口電路03December20245.9.1D/A的轉(zhuǎn)換原理D/A轉(zhuǎn)換器用來將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。其基本要求是輸出電壓U0應(yīng)該和輸入數(shù)字量D成正比，即

（5-36）式中，UR為參考電壓。

數(shù)字量D可表示為：

實現(xiàn)式（5-36）運算的方法有很多，在集成D/A轉(zhuǎn)換器芯片中常采用R-2RT型解碼網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。因為電阻類型少，制作容易，并能達到較高精度。圖5-68為R-2RT型網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換原理圖。圖5-68R-2RT型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換原理03December20245.9.2主要技術(shù)指標轉(zhuǎn)換精度在給定數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓與理論輸出電壓的接近程度稱為轉(zhuǎn)換精度。分辨率輸入數(shù)字量變化一個最小單位時，輸出模擬量的變化量與滿度輸出量之比。轉(zhuǎn)換時間

指D/A轉(zhuǎn)換的實際輸入輸出曲線與理論輸入輸出曲線之最大偏差與滿度輸出值之比的百分數(shù)。轉(zhuǎn)換時間從輸入產(chǎn)生滿度輸出的數(shù)字量起，到輸出達到滿度值所需時間。溫度系數(shù)在滿度輸出條件下，溫度每升高1℃引起輸出電壓變化的百分數(shù)。電源抑制比電源電壓變化時，滿量程電壓變化的百分數(shù)與電源電壓變化的百分數(shù)之比，稱為電源抑制比。03December20245.9.3D/A轉(zhuǎn)換器與單片接口電路D/A轉(zhuǎn)換集成芯片品種繁多，大體上可分為帶輸入數(shù)據(jù)鎖存器和無帶輸入數(shù)據(jù)鎖存器兩大類。帶輸入數(shù)據(jù)鎖存器的有：8位分辨率DAC0830、DAC0831、DAC0832；10位分辨率DAC7522；12位分辨率DAC1208、DAC1209、DAC1210、DAC1230、DAC1231、DAC1232；14位分辨率AD75335；16位分辨率AD1147、AD1148、AD1145等。無帶輸入鎖存器的有：8位分辨率AD558、DAC0801、DAC0802、DAC0803；10位分辨率AD7520、AD7530、AD7533；12位分辨率DAC1020、DAC1220、AD7521、AD7542等。AD7543是串行12位D/A轉(zhuǎn)換器。03December20241.DAC0830/0831/0832與單片機接口圖5-69DAC0830/0831/0832引腳功能圖5-70DAC0830系列DAC與單片機接口（單極性輸出）該系列DAC是8位分辨率帶雙輸入數(shù)據(jù)寄存器品種，它能直接與MCS-51單片機接口。其引線功能見圖5-69。圖5-70為8031單片機與DAC0830系列D/A轉(zhuǎn)換器的接口。由于是單極性輸出，故將接地。輸出電壓為：

式中，為參考電源；D為輸入數(shù)據(jù)。03December20241.DAC0830/0831/0832與單片機接口圖5-71DAC0830系列ADC與單片機接口（雙極性輸出）圖5-71為DAC0830系列組成雙極性輸出原理圖。圖中，利用運放A2將運放A1的單極性輸出轉(zhuǎn)變成雙極性輸出。式中為輸入數(shù)據(jù)，為參考電壓。

03December20242.DAC0800系列與8031單片機的接口DAC0800系列包括DAC0800、DAC0801、DAC0802和DAC0803等，是8位分辨率無帶輸入數(shù)據(jù)鎖存器產(chǎn)品。其外引腳功能見圖5-72。圖5-72ADC0800系列ADC引腳功能03December2024圖5-73DAC0800系列DAC與8031接口03December20243.10位以上ADC與8031單片機接口電路10位以上分辨率的D/A芯片與8位單片機接口，由于一次數(shù)據(jù)傳送操作只能送8位數(shù)據(jù)，因此8031必須進行兩次操作才能把完整的10位以上數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換器。為使10位以上數(shù)據(jù)能夠同時開始轉(zhuǎn)換，以避免輸出電壓波形出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，必須采用雙緩沖器接口方式。DAC1208系列芯片引腳功能見圖5-74。圖5-74DAC1208系列DAC引腳功能03December2024圖5-75DAC1208系列DAC與8031接口電路03December2024Thankyou！03December20245.10LED和LCD顯示技術(shù)數(shù)字顯示技術(shù)是數(shù)字化儀器表必不可少的組成環(huán)節(jié)。顯示器的品種繁多，目前，常用發(fā)光二極管顯示器（LightEmittingDiode），簡稱LED和液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay），簡稱LCD。LED顯示器又可分為七段字型顯示器和矩陣式顯示器。5.10.1七段LED顯示器5.10.2LCD顯示器及其接口技術(shù)03December20245.10.1七段LED顯示器LED是近似于恒壓的元件，導(dǎo)電（即發(fā)光）時的正向壓降一般約為1.6~2.4V之間，工作電流在10~20mA左右，故電路中需串聯(lián)適當?shù)南蘖麟娮琛０l(fā)光強度基本上與正向電流成正比。最常用的顯示器是由七段條形LED組成，見圖5-76。點亮適當?shù)淖侄危涂娠@示出不同的數(shù)字。七段LED可接成共陰有或共陽極形式，見圖5-76。圖a為共陰接法，公共陰極接地，當各段陽極上的電平為“1”時，該段點亮，電平為“0”時，該段熄滅。圖b為共陽極接法，公共陽極接+5V，當各段陰極上的電平為“0”時，該段就點亮，電平為“1”時，該段就熄滅。圖中R是限流電阻。圖c為七段LED內(nèi)段的排列。圖5-76七段LED顯示器03December2024LED顯示器的驅(qū)動（點亮）形式LED顯示器的驅(qū)動（點亮）形式有兩種。一種是靜態(tài)驅(qū)動法，即給欲點亮的LED通以恒定的電流。這種驅(qū)動法需要有寄存器、譯碼器、驅(qū)動電路等邏輯部件。當需要顯示的位數(shù)增加時，所需邏輯部件及連線也相應(yīng)增加，成本也增加。另一種是動態(tài)驅(qū)動法，該法是給欲點亮的LED通以脈沖電流，此時LED的亮度是通斷的平均亮度。為保證亮度，通過LED的脈沖電流應(yīng)數(shù)倍于其額定電流值。利用動態(tài)驅(qū)動法可以減少需要的邏輯部件和連線，在智能化測控儀表中常采用動態(tài)驅(qū)動法。03December20245.10.1.1靜態(tài)驅(qū)動法及其與8031接口電路圖5-77為LED與8031單片機組成4位靜態(tài)顯示接口電路。圖中顯示電路接于P1口，P1.0~P1.3輸出BCD碼，P1.4~P1.7-為位控信號。MC14513具有BCD－七段譯碼、鎖存和驅(qū)動功能。圖5-77LED與8031四位靜態(tài)顯示接口03December2024軟件譯碼四位靜態(tài)LED顯示接口電路圖5-78軟件譯碼四位靜態(tài)LED顯示接口電路03December20245.10.1.2動態(tài)驅(qū)動法及其與8031接口電路在動態(tài)顯示中，所有位的段控線相應(yīng)地并聯(lián)在一起，形成段控線的多位復(fù)用，而究竟是哪一位點亮，由一個掃描輸出口控制，實現(xiàn)各位分時顯示方式。只要掃描頻率大于25HZ，由于人眼睛對光的滯后慣性作用，就可得到所有位同時點亮的效果。由于動態(tài)顯示所加的是脈沖電流，LED的亮度正比于脈沖電流的平均值，為保證足夠的亮度，脈沖電流的幅值較大，因此需加接驅(qū)動電路。對于相同的驅(qū)動電流，顯示頻率愈高，LED發(fā)光亮度愈強，CPU用于顯示的時間也愈長，而CPU用于處理其它工作的時間愈短。由此可見，動態(tài)顯示是犧牲CPU的時間去換取元件和能耗的減少。圖5-79硬件譯8位LED動態(tài)顯示電路03December2024圖5-80顯示程序流程圖圖5-81軟件譯碼驅(qū)動態(tài)LED顯示接口電路03December20245.10.2LCD顯示器及其接口技術(shù)5.10.2.1LCD顯示器的工作原理LCD顯示器本身并不發(fā)光，只是調(diào)節(jié)光的亮度。在一定的溫度范圍內(nèi)，液晶具有流動性、連續(xù)性和各向異性的特性。夾在兩塊導(dǎo)電玻璃電極之間的液晶，經(jīng)過一定的處理后，其內(nèi)部分子呈90°的扭曲，這種液晶具有旋光特性。當外部線性偏振光通過液晶層時，偏振面會旋轉(zhuǎn)90°，即原來垂直方向，現(xiàn)在變?yōu)樗椒较?。當玻璃電極加上電壓后，在電場作用下，液晶的旋光作用消失，偏振光可直接通過。電場消失后，液晶又恢復(fù)旋光作用。把這樣的液晶放在一兩片偏振片之間，在玻璃電極上加以適當?shù)碾娖剑ǜ唠娖交虻碗娖剑?，就可得到黑底白字或白底黑字的顯示形式，從而顯示出所需的字符。03December20245.10.2.2LCD顯示器的驅(qū)動方式LCD顯示器的驅(qū)動方式有靜態(tài)和動態(tài)驅(qū)動兩種。其驅(qū)動方式是由LCD的電極引線的選擇方式確定，因此LCD的型號確定以后，用戶無法改變其驅(qū)動方式，在選擇LCD顯示器時必須引起注意。由于直流電壓驅(qū)動LCD會引起液晶和電極老化，大大地降低使用壽命，因此常采用交流電壓驅(qū)動。03December20241.靜態(tài)驅(qū)動方式靜態(tài)驅(qū)動LCD的每一字段均要引出電極，所有公共電極BP（COM）連在一起引出，見圖5-82。由圖可見，在LCD的公共極（一般為背極BP）加恒幅值交變電壓，通過控制前極（a、b、c、d、e、f、g）的電壓變化（零電壓或2倍幅值電壓）控制LCD某段亮或滅。目前，已有許多LCD驅(qū)動集成芯片，已將多個LCD驅(qū)動電路集成在一起，使用起來十分方便。圖5-82七段LCD顯示電路03December2024圖5-83為4位BCD-七段譯碼、鎖存、驅(qū)動LCD顯示集成芯片ICM7211系列引腳功能，它能方便地與單片機接口。圖5-83ICM7211系列引腳功能03December2024圖5-848位LCD靜態(tài)顯示接口電路03December20242.動態(tài)驅(qū)動方式

靜態(tài)驅(qū)動硬件電路和引線較多，成本相應(yīng)增加，僅適用于顯示位數(shù)較少的場合。動態(tài)驅(qū)動可克服靜態(tài)驅(qū)動的缺點，適用于顯示位數(shù)較多的場合。LCD的動態(tài)驅(qū)動常用專門集成芯片來實現(xiàn)、MC145000和MC145001為常用的一種。MC145000是主驅(qū)動器，MC145001是從驅(qū)動器。主、從驅(qū)動器采用串行數(shù)據(jù)輸入，一片主驅(qū)動器可帶多片從驅(qū)動器。主驅(qū)動器可驅(qū)動48個顯示字段或點陳，每增加一片從驅(qū)動器可增加驅(qū)動44個顯示字段或點陣。圖5-85LCD動態(tài)驅(qū)動與8031接口電路03December2024Thankyou！5.11數(shù)字化測量儀表分析5.11數(shù)字化測量儀表分析在生產(chǎn)實踐中，周期現(xiàn)象是極為普遍的，例如正弦波信號等。各種傳感器和測量電路常將被測量變換成周期信號來進行檢測，這是因為頻率測量是目前測量精度最高的參量之一，它能達到10-13的精確度。頻率和周期是從不同的側(cè)面來描述周期現(xiàn)象的，二者互為倒數(shù)關(guān)系，即：

可見，只要測得一個量就可以換算出另一個量。相位和時間也是密切相關(guān)的，二者也可以互相轉(zhuǎn)換，例如50HZ交流電源，一個周期為20ms，對應(yīng)相位為360°，如果測出時間間隔為5ms，則知相位為90°?？梢?，可以利用測量時間的方法來測量相位的變化。5.11.1數(shù)字式計數(shù)頻率計1時間基準的產(chǎn)生頻率是每秒內(nèi)信號變化的次數(shù)，欲準確地測量頻率，必須要確定一個準確的時間間隔。由于穩(wěn)定度良好的石英晶體振蕩器產(chǎn)生的信號的頻率穩(wěn)定度可達10-9量級，所以利用石英晶體振蕩器產(chǎn)生周期為T0的脈沖，經(jīng)過一系列分頻可得到幾種標準的時間基準，例如，10ms,0.01s,1s,10s等幾種，見圖5-86。圖5-86時間基準的產(chǎn)生由圖可見，

式中，為分頻系數(shù)；為晶體振蕩器產(chǎn)生脈沖信號的周期?？梢?，只要T0穩(wěn)定，T是個十分穩(wěn)定之值。2計數(shù)式頻率計的測頻原理計數(shù)式頻率計的測頻原理圖見圖5-87。由晶振產(chǎn)生的信號經(jīng)分頻及門控電路得到具有固定寬度

的方波脈沖作為門控信號，時間基準一般又稱為閘門時間，控制主門（與門）的一個輸入端。被測信號經(jīng)放大整形后變成一列窄脈沖加于主門的另一輸入端。開始測頻時，首先令計數(shù)器清零，門控信號到來時，主門開啟，計數(shù)器開始對被測信號脈沖計數(shù)，直至門控信號結(jié)束，主門關(guān)閉，停止計數(shù)。若取閘門時間T內(nèi)通過主門的脈沖個數(shù)為N，則被測信號的頻率為圖5-87計數(shù)式頻率計測頻原理框圖3計數(shù)式頻率計的測頻誤差由式（5-40）可見，分頻系數(shù)為常數(shù)，若和變化，就產(chǎn)生誤差。對式（5-40）微分得測頻誤差為：

式中，是開門時間與不同步引入的量化誤差，其大小不會大于1個字。是晶振頻率的穩(wěn)定度引起的誤差，晶振頻率的穩(wěn)定度很高，因此，可以忽略不計。所以

由上式可見，在閘門時間一定情況下，被測頻率越高，測頻誤差越小；在一定和計數(shù)器不溢出條件下，閘門時間越大，測頻誤差也越小。5.11.1.2脈沖累計的測量在工業(yè)檢測中常需對脈沖進行長間的累計測量。例如，對每班生產(chǎn)的產(chǎn)品進行累計，可將產(chǎn)品變換成脈沖列，然后用計數(shù)式頻率計進行計數(shù)測量。其測量原理與測頻原理相似，僅僅是閘門時間較長而已。其原理框圖見圖5-88。圖5-88脈沖累計測量原理框圖被測信號經(jīng)放大整形后加于主門的一端，門控電路的輸入端改為人工控制，當按下SB1（起）時，門控電路使主門開放，被測信號進入計數(shù)器計數(shù)和顯示。待按下SB2（停）時，門控電路使主門關(guān)閉，停止計數(shù)。在起、停這段時間內(nèi)被測信號變化的次數(shù)通過計數(shù)后顯示出來。5.11.1.3計數(shù)式頻率計測量頻率比在調(diào)試數(shù)字電路（如計數(shù)器、分頻器、倍頻器等）時，往往需要測量輸入信號和輸出信號之間的頻率的相對關(guān)系。圖5-89測量

的原理框圖5.11.1.4計數(shù)式頻率計測量周期1計數(shù)式測量周原理周期是信號變化一次所需時間，周期與頻率互為倒數(shù)關(guān)系，因此可用測頻法測得fx后，再按TX=1/fX求得周期

。此外，也可用被測交變信號作為門控電路的觸發(fā)信號去控制主門的開閉，取信號一個周期，在此時間內(nèi)填充由晶振產(chǎn)生的時鐘脈沖，通過計數(shù)、顯示即可測出信號的周期。其原理見圖5-90。圖5-90計數(shù)式測量周期原理框圖2計數(shù)式測量周期誤差式（5-43）可寫成：式中，為對的分頻系數(shù)，即時標系數(shù)。對上式兩邊取對數(shù)，然后再微分得：

式中，為晶振頻率的穩(wěn)定度，通?？梢院雎圆挥?，因此由上式可見，在和一定時，被測周期越大，測量誤差越小，反之，越小，測量誤差越大，即測周期法適用于被測信號頻率較低的場合。5.11.1.5直接測頻和測周期中介頻率的確定從測頻誤差公式（5-41）和測周期誤差公式（5-44）可見，計數(shù)式頻率計測頻時，被測信號頻率fx愈高，誤差愈小，反之亦然；而測周期時，被測信號頻率fx愈低，誤差愈小，反之亦然。因此，必然有一個頻率fc

，該頻率fc時，測頻法和測周期法的測量誤差相等，頻率fc稱為中介頻率。由式（5-41）和式（5-44）得：經(jīng)變換，并考慮式（5-39）得：式中，N0為分頻系數(shù)，k為時標系數(shù)（即倍頻系數(shù)）。由上式可見，當被測信號頻率fx大于fc時，用測頻法測量誤差較?。环粗?，fx小于fc時，用測周期法測量誤差較小。5.11.1.6脈沖沿時間及脈沖寬度的測量脈沖計數(shù)法測量脈沖沿時間和脈沖寬度的原理與計數(shù)式測頻原相似，原理框圖見圖5-91。圖5-91計數(shù)法測量脈沖沿時間tr和脈寬tw原理框圖5.11.1.7時間間隔和長時間的測量計數(shù)法測量時間間隔的原理與測周期原理相同，但是控制主門開放時間的不是被測信號的周期，而是由被側(cè)信號產(chǎn)生的兩個脈沖的時間間隔所決定。原理見圖5-93。圖5-93計數(shù)法測量時間間隔5.11.1.8脈沖計數(shù)式相位測量原理用計數(shù)法測量相位具有快速、直讀和精度高的優(yōu)點。其原理圖見圖5-95a。圖5-95計數(shù)測量相位原理5.11.1.9數(shù)字頻率計總體框圖及工作特性1總體框圖及工作原理把前面測頻率、測周期、測時間間隔和測頻率比等單元電路組合在一起，并用開關(guān)和邏輯電路轉(zhuǎn)換各種工作狀態(tài)，就構(gòu)成了數(shù)字頻率計的總體原理框圖，見圖5-96。圖5-59數(shù)字頻率計總體原理框圖2數(shù)字頻率計主要工作特性及使用1.主要工作特性

數(shù)字頻率計主要技術(shù)性能有下列幾項：測量范圍

包括頻率、周期、時間間隔、頻率比、脈沖累計等諸項上、下限值的范圍。輸入電壓幅值

指各通道能夠使電路產(chǎn)生正常邏輯關(guān)系的下限值以及不得超過的上限值。閘門時間

指測頻時門控電路輸出的脈沖寬度。計數(shù)時標

指測周期或時間間隔以及自檢時用的時標信號。測量單位

測頻率時常用Hz、kHz、MHz。輸入阻抗顯示方式

包括數(shù)字顯示的位數(shù)、定位方式，以及最大計數(shù)容量等。2.使用要點使用時先預(yù)熱到儀器規(guī)定的預(yù)熱時間才能著手進行測量，否則會引起誤差。通過“自檢”來檢查儀表本身各部分工作是否正常，如發(fā)現(xiàn)不正常，應(yīng)排除故障后再使用。輸入信號幅值要適當，以保證脈沖整形電路的正常工作，否則會使計數(shù)器讀數(shù)不穩(wěn)定或不準確。但輸入信號的幅值過大的話，又會損壞儀器。在輸入信號的幅值大小不明的情況下，最好先測量其幅值，再作適當處理后，才送入儀表的輸入端。注意選擇好閘門或時標信號的大小，從而使顯示位數(shù)盡量多而又不產(chǎn)生溢出，以提高測量的準確度。注意儀器輸入阻抗對被測信號源的影響。5.11.2數(shù)字多用表現(xiàn)在，對直流電壓、電流、交流電壓、電流和電阻的測量，廣泛使用數(shù)字多用表。它具有線性、精度高和量程廣等優(yōu)點。數(shù)字多用表在直流數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上，利用各種轉(zhuǎn)換電路將被測量轉(zhuǎn)變成直流電壓，然后進行測量，見圖5-97。圖5-97數(shù)字多用表原理框圖5.11.2.1AC-DC轉(zhuǎn)換電路指針式多用表中二極管檢波電路的特性是非線性的，因為二極管的伏安特性是平方律關(guān)系所致。同時由于二極管有死區(qū)，不能測量微弱的信號電壓，所以不能做成小于1.0V量程的均勻標尺。數(shù)字電壓表是線性顯示的儀表，必須將被測交流電壓線性地轉(zhuǎn)換成直流電壓，因此要用線性極波電路。

圖5-98線性檢波電路原理框圖1半波線性檢波電路檢波二極管在運算放大器的輸出端，檢波后的半波脈動電壓經(jīng)電阻反饋到運算放大器的反相輸入端，將二極管包括在正向通道內(nèi)，因而是線性極波電路。而且克服了二極管的死區(qū)電壓。圖--5-99半波線性檢波電路2全波均值線性檢波電路全波線性檢波電路見圖5-100。其工作原理簡述如下：被測信號為正半周時，運算放大器A1的輸出為負，二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止。這時，通過接成跟隨器的A2加到輸出端點，所以，見圖5-101中段的波形。全波線性檢波電路見圖5-100。其工作原理簡述如下：被測信號為正半周時，運算放大器A1的輸出為負，二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止。這時，通過接成跟隨器的A2加到輸出端點，所以，見圖5-101中段的波形。圖5-100全波均值線性檢波電路圖5-101全波均值線性檢波電路的波形3電子式有效值線性AC-AD轉(zhuǎn)換器利用加、減、乘、積分等運算組件組成有效值轉(zhuǎn)換器，見圖5-102。圖5--102電子式有效值轉(zhuǎn)換器原理5.11.2.2I-V轉(zhuǎn)換電路

使被測電流流經(jīng)已知的標準電阻轉(zhuǎn)換成直流電壓，再用數(shù)字電壓表來測量，其原理見圖5-103。圖a中，是不同量程的標準電阻，S是量程各選擇開關(guān)。當被測電流較小時，可采用圖5-103b的轉(zhuǎn)換電路。標準電阻放在負反饋回路中。圖5-103轉(zhuǎn)換原理a）并聯(lián)式b）串聯(lián)式5.11.2.3R-V轉(zhuǎn)換電路電阻到直流電壓的轉(zhuǎn)換電路見圖5-104。圖a中，S為量程轉(zhuǎn)換開關(guān)；為標準電源；為標準電阻；圖a中接在負反饋回路的電阻為被測電阻。圖5-104轉(zhuǎn)換原理圖a）適合阻值較大b）適合阻值較小5.11.2.4數(shù)字多用表原理圖5-105為雙積分式A/D轉(zhuǎn)換組成的數(shù)字多表的原理框圖。該表測量的基本參數(shù)是直流電壓、、和，需通過上述各種轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成直流電壓。衰減器和前置放大器是為了轉(zhuǎn)換量程，使積分器的輸入電壓規(guī)范化。余下的部分是雙積分式數(shù)字電壓表。圖5-105雙積分式數(shù)字多用表示理框圖5.11.3智能化數(shù)字存儲示波器微型計算機技術(shù)進入了儀器儀表的設(shè)計與制造領(lǐng)域，使儀器儀表的原