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1、智能仪器设计主要内容智能仪器设计主要内容智能仪器设计概念：智能仪器设计概念：概念、组成、分类、特点和发展。概念、组成、分类、特点和发展。智能仪器输入信号：智能仪器输入信号：分类、特点、传感器和检测方法。分类、特点、传感器和检测方法。智能仪器硬件电路：智能仪器硬件电路：放大、显示、键盘、放大、显示、键盘、A/D、DA。智能仪器软件编程：智能仪器软件编程：信号采样、数据处理、数据通讯。信号采样、数据处理、数据通讯。智能仪器结构外形：智能仪器结构外形：外形尺寸、面板布局、输出端子。外形尺寸、面板布局、输出端子。智能仪器设计工具：智能仪器设计工具：Pretel Autocad Prodeus Keil
2、 Word。智能仪器设计智能仪器设计智能仪器调研智能仪器调研智能仪器调研智能仪器调研总体方案设计总体方案设计总体方案设计总体方案设计硬件模块设计硬件模块设计硬件模块设计硬件模块设计软件模块设计软件模块设计软件模块设计软件模块设计硬件电路设计硬件电路设计硬件电路设计硬件电路设计程序流程设计程序流程设计程序流程设计程序流程设计元件参数计算元件参数计算元件参数计算元件参数计算软件程序设计软件程序设计软件程序设计软件程序设计电路仿真实验电路仿真实验电路仿真实验电路仿真实验程序仿真实验程序仿真实验程序仿真实验程序仿真实验PCBPCB设计安装设计安装设计安装设计安装设计程序下载设计程序下载设计程序下载设计
3、程序下载系统整机调试系统整机调试系统整机调试系统整机调试系统指标测试系统指标测试系统指标测试系统指标测试编使用说明书编使用说明书编使用说明书编使用说明书仪器壳体设计仪器壳体设计仪器壳体设计仪器壳体设计仪器面板设计仪器面板设计仪器面板设计仪器面板设计仪器端子设计仪器端子设计仪器端子设计仪器端子设计一一.数字电压表设计数字电压表设计1.设计要求：设计要求：2.（1）测量范围：）测量范围：DC 02000mV3.（2）测量精度：）测量精度：1mV4.（3）供电电源：）供电电源：AC220V/50HZ5.（4）显示方式：数字式）显示方式：数字式2.设计思路：设计思路：（1）模拟仪表：不符合数字显示方式
4、）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）年代：精度差、速度慢、功能单一）（2）数字仪表：符合要求）数字仪表：符合要求（60年代：精度高、速度快、读数清晰年代：精度高、速度快、读数清晰）（3）智能仪表：符合要求）智能仪表：符合要求（70年代：测量范围宽、稳定性好、通讯功能年代：测量范围宽、稳定性好、通讯功能）（4）P C 仪表：符合要求仪表：符合要求（80年代：灵活方便、储存记忆、扩展性好年代：灵活方便、储存记忆、扩展性好）（5）虚拟仪表：符合要求）虚拟仪表：符合要求（80年代后期：测量功能易于扩展、系统组建时间短年代后期：测量功能易于扩展、系统组建时间短）（6）网络
5、仪表：符合要求）网络仪表：符合要求（90年代：网络化、远程化、共享化年代：网络化、远程化、共享化）发展方向：？发展方向：？数字化、智能化、网络化、功能多样化、体积微型化。数字化、智能化、网络化、功能多样化、体积微型化。一一.数字电压表设计数字电压表设计3.设计步骤：设计步骤：输入信号（输入信号（DC0-2000mV)转换电路（要求标准信号转换电路（要求标准信号)数字显示（数字显示（0000-1999mV)A/D电路（模拟转数字量电路（模拟转数字量)译码电路（数字量转译码译码电路（数字量转译码)显示电路（数码管显示器显示电路（数码管显示器)驱动电路（输出信号放大驱动电路（输出信号放大)核心部件核
6、心部件ICL7107一一.数字电压表设计数字电压表设计 核心部件核心部件ICL7107介绍介绍 ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含是一块应用非常广泛的集成电路。它包含3 1/2位数字位数字A/D转换器，可直接驱动转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、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。逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。管脚说明：管脚说明：1.IN+和和IN-为直流电压输入。为直流电压输入。2.REFHI和和REFLO为内部参考电压。为内部参考电压。3.OSC13为内部振荡电路外接为内部振荡电路外接RC。4.TE
7、ST为测试端。为测试端。5.CREF+和和CREF-外接参考电容。外接参考电容。6.AZ BVFF和和INT为阻容积分电路。为阻容积分电路。7.IN-和和 COM为模拟地和数字地。为模拟地和数字地。8.VSS VDD和和GND9.A1 G1为个位七段数码管输入端。为个位七段数码管输入端。A2 G2为十位七段数码管输入端。为十位七段数码管输入端。A3 G3为十位七段数码管输入端。为十位七段数码管输入端。C4（B1)为千位为千位1,G4为负数为负数 或溢出。或溢出。核心部件核心部件ICL7107介绍介绍ICL7107的量程使用方法：的量程使用方法：1.外部基准电压外部基准电压UREF=100mV时
8、，时，内部基准电压内部基准电压UREF=200mV。此时模拟输入此时模拟输入UIN+=0200mV时，时，数字显示为：数字显示为：000.0199.9 阻容网络阻容网络 0.22uF,47K,0.47uF2.外部基准电压外部基准电压UREF=1000mV时，时，内部基准电压内部基准电压UREF=2000mV。此时模拟输入此时模拟输入UIN+=02000mV时，时，数字显示为：数字显示为：00001999 阻容网络阻容网络 0.22uF,470K,0.047uF3.B4 C4=0V时，时，LED4数码管显示数码管显示1?G4=0V时，时，LED4数码管显示负数码管显示负?模拟输入模拟输入UIN+
9、=0200mV时，时，LED?4.数字电压表设计数字电压表设计(主电路主电路)外部基准电压外部基准电压 UREF=V？三个二极管三个二极管 作用作用？外部基准电压外部基准电压 改变改变？三个二极管三个二极管 作用作用？LED4接法接法 显示显示？能否测量能否测量U 负值负值？3位位1/2电压表电压表 含义含义？4.数字电压表设计数字电压表设计(电源电路电源电路)供电电源：供电电源：AC220V/50HZ直流电压：直流电压：DC5V变压器变压器整流器整流器滤波器滤波器稳压器稳压器课后作业题课后作业题1.1 1.1 简述智能仪器的主要特点及发展趋势（书本）。简述智能仪器的主要特点及发展趋势（书本）
10、。1.2 1.2 简述智能仪器的设计原则、要求和步骤（书本）。简述智能仪器的设计原则、要求和步骤（书本）。1.3 1.3 设计多功能数字式设计多功能数字式LEDLED电压表电压表(课外）。课外）。量程要求：量程要求：（1 1）0 200 m V0 200 m V （2 2）0 2 V0 2 V （3 3）0 20 V0 20 V1.4 设计多功能数字式设计多功能数字式LCD（7106）电压表）电压表(课外课外)。二二.数字电流表设计数字电流表设计设计要求：设计要求：（1）测量范围：）测量范围：DC 0200mA （2）测量精度：）测量精度：0.1mA （3）供电电源：）供电电源：AC220V/
11、50HZ （4）显示方式：数字式）显示方式：数字式设计方法：电流转换电压电路设计方法：电流转换电压电路 U=RI,确定满量程电压确定满量程电压,即当即当I=200mA时，时，计算得：计算得：U=200mV，R=1。IU+_RIU+_RIU+_R注意：阻容网络参数注意：阻容网络参数 0.22uF,47K,0.47uF基准电压：基准电压：100mV。若取若取1000mV如何？如何？电压表和电流表扩量程设计电压表和电流表扩量程设计1.电压表：电压表：0-200mV;0-2V;0-20V(分压公式）分压公式）R1=10K200mV2VR2=90KR3=900K20V电阻电阻R1的取值对测量精度影响？的
12、取值对测量精度影响？电压表和电流表扩量程设计电压表和电流表扩量程设计2.电流表：电流表：0-20mA;0-200mA;0-2A(分流公式）分流公式）R1=0.12A200mAR2=0.9R3=920mA三三.数字欧姆表设计数字欧姆表设计设计要求：设计要求：（1）测量范围：）测量范围：0-200 0-2K 0-20K （2）测量精度：）测量精度：1%（3）供电电源：）供电电源：AC220V/50HZ （4）显示方式：数字式）显示方式：数字式1.设计方法：恒流法设计方法：恒流法应用恒流源将电阻转换电压应用恒流源将电阻转换电压 U=RI；确定满量程电压确定满量程电压,即当即当R=2000时，计算得：
13、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。恒流源设计：三极管和运算放大器组成的恒流源电路。三三.数字欧姆表设计数字欧姆表设计数字欧姆表量程扩展设计：数字欧姆表量程扩展设计：Rx=200时，电阻时，电阻2.5K取何值？取何值？Rx=20K时，电阻时，电阻2.5K取何值？取何值？Rx=200K时，电阻时，电阻2.5K取何值？取何值？三三.数字欧姆表设计数字欧姆表设计2.设计方法：恒压法设计方法：恒压法应用运算放大器将电阻转换电压输出：应用运算放大器将电阻转换电压输出：V0=(R0Vref)/(Rx+R0)；V0和和Rx非线性，且非线性，且参考电压参考
14、电压Vref、标准电阻、标准电阻R0的误差会直接反映在测量值中。的误差会直接反映在测量值中。RxRx取值取值输出电压输出电压V0V0Vref=5V R0=1K05V5VV0和和Rx非线性非线性104.95V4.95VV0和和Rx非线性非线性504.76V4.76VV0和和Rx非线性非线性1004.54V4.54VV0和和Rx非线性非线性2004.17V4.17VV0和和Rx非线性非线性3.设计方法：恒阻法和积分法。设计方法：恒阻法和积分法。由表可见恒压法的由表可见恒压法的V0和和Rx呈非线性，不适合用呈非线性，不适合用ICL7107转换和显示。转换和显示。四四.数字温度表设计数字温度表设计 温
15、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。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传感器是指能感受规定的被测量被测量并按照一定的规律将其转换成可用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。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常把能感受信号的电子元件称为敏感元件,如热敏如热敏元件、磁敏元件、元件、
16、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等光敏元件及气敏元件等,在超声波技术中则强调的是在超声波技术中则强调的是能量的转换能量的转换,如压电式换能器。如压电式换能器。传感器的输出信号通常是电量传感器的输出信号通常是电量,它便于传输、它便于传输、转换、转换、处理、处理、显示等。显示等。电量有很多形式电量有很多形式,如电压、电流、电容、电阻等如电压、电流、电容、电阻等,输出信号的形式由传感输出信号的形式由传感器的原理确定。器的原理确定。1.传感器的概念传感器的概念四四.数字温度表设计数字温度表设计2.温度传感器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）。常用的温度传感器种类很
17、多：热电阻、热电偶、半导体和膨胀式（气液固）。（1）常用热电阻）常用热电阻 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 关系最好成线性关系最好成线性,物理化学性能稳定物理化学性能稳定,复现性好等。复现性好等。目前最常用的热电阻目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。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所以在温度传感器中得到了广泛应用。按到了广泛应用。按IEC标准标准,铂热电阻的使用温度范围为铂热电阻的使用温度范围为
18、-200+850。我国。我国规定工业用铂热电阻有规定工业用铂热电阻有R0=10和和R0=100两种两种,它们的分度号分别为它们的分度号分别为Pt10和和Pt100,其中以其中以Pt100为常用，它的特性方程为：为常用，它的特性方程为：在在-50 450的温度范围内的温度范围内:R t R0（1+At+Bt）；）；A=0.385/B=-0.00577/Pt100热电阻的分度表如下：热电阻的分度表如下：四四.数字温度表设计数字温度表设计设计要求：设计要求：（1）测量范围：）测量范围：-50200 （2）测量误差：）测量误差：1%（3）供电电源：）供电电源：AC220V/50HZ （4）显示方式：数
19、字式）显示方式：数字式 （5）传）传 感感 器器:Pt100设计方法：应用恒流源将电阻转换电压设计方法：应用恒流源将电阻转换电压 U=RI,I=10mA确定量程电压确定量程电压,即当即当t=-50时，时，U0=-50mV;t=200时，时，U0=200mV;设计过程：将设计过程：将Rx换成换成Rt,电路可将温度变电路可将温度变化转换成电压变化。化转换成电压变化。由由R t R0（1+At+Bt）可知，在设计）可知，在设计温度范围内温度范围内R t R0（1+At）。）。RtU0t=-50时，时，Rt=80.31 U0=80.31mV;t=0 时时，Rt=100.0 U0=100.0mV;t=1
20、00时，时，Rt=138.5 U0=138.5mV;t=200时，时，Rt=175.8 U0=175.8mV;如何把如何把80.31mV 变换成变换成-50mV？如何把如何把175.8mV 变换成变换成200mV？四四.数字温度表设计数字温度表设计应用减法器将电平移动应用减法器将电平移动-100mV:t=-50时，时，Rt=80.31 U0=80.31-100=19.69mV;t=0 时时，Rt=100.0 U0=100.0-100=0mV;t=100时，时，Rt=138.5 U0=138.5-100=38.5mV;t=200时，时，Rt=175.8 U0=175.8-100=75.8mV;应
21、用放大器得到符合要求的电压应用放大器得到符合要求的电压:t=-50时，时，Rt=80.31 U01=-50mV;t=0 时时，Rt=100.0 U01=0mV;t=100时，时，Rt=138.5 U01=100mV;t=200时，时，Rt=175.8 U01=200mV;综合上述两点要求设计电路如图综合上述两点要求设计电路如图:减法器的减法器的U-=?放大器的放大器的A=?500的电位器在电路起什么作用？的电位器在电路起什么作用？20K的变阻器在电路起什么作用？的变阻器在电路起什么作用？调零点调零点调量调量程程-100mV2.59数字温度表电路数字温度表电路四四.数字温度表设计数字温度表设计（
22、2）常用热电偶）常用热电偶 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它构造简单它构造简单,使用方便使用方便,具有较高的准确度、稳定性及复现性具有较高的准确度、稳定性及复现性,温度测量范围宽温度测量范围宽,在温度测量中占在温度测量中占有重要的地位。常用的分度号有有重要的地位。常用的分度号有E型（型（镍铬镍铬-铜镍）铜镍）和和K型（型（镍铬镍铬-镍硅）镍硅）。热电偶有两个接点热电偶有两个接点A和和B,一个称工作端一个称工作端(T),又称测量端或热端又称测量端或热端,测温时将它置于被测温时将它置于被测介质中测介质中;另一个称自由端另一个称自由端,又称参考端或冷又称
23、参考端或冷端端(T0);AB间的热电势为：间的热电势为：该公式是参考端温度计算修正法的理论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依据，在实际热电偶测温回路中,利用热电利用热电偶这一性质偶这一性质,可对参考端温度不为可对参考端温度不为00的热电的热电势进行修正。势进行修正。四四.数字温度表设计数字温度表设计E型（镍铬型（镍铬-铜镍）和铜镍）和K型（镍铬型（镍铬-镍硅）分度表镍硅）分度表四四.数字温度表设计数字温度表设计E型（镍铬型（镍铬-铜镍）和铜镍）和K型（镍铬型（镍铬-镍硅）分度表镍硅）分度表四四.数字温度表设计数字温度表设计设计要求：设计要求：（1）测量范围：）测量
24、范围：0800 （2）测量误差：）测量误差：1%（3）供电电源：）供电电源：AC220V/50HZ （4）显示方式：数字式）显示方式：数字式 （5）传）传 感感 器器:k型热电偶型热电偶设计方法：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,确定量程电压确定量程电压,即当即当t=0时，时，U0=0mV;t=800时，时，U0=800mV;根据根据K型热电偶分度表：计算平均放大倍数约为型热电偶分度表：计算平均放大倍数约为A=24.2。t=0 时，时，Uab=0mV;t=100 时，时，Uab=4.095mV;t=200 时时，U
25、ab=8.137mV;t=300 时时，Uab=12.207mV;t=400 时时，Uab=16.395mV;t=500 时时，Uab=20.640mV;t=600 时时，Uab=24.902mV;t=700 时时，Uab=29.128mV;t=800 时时，Uab=33.277mV;四四.数字温度表设计数字温度表设计数字温度表电路如下：数字温度表电路如下：决定温度量程调节的因素有哪两点？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？放大电路的放大倍数范围是多少？放大电路的输入端是什么电路？放大电路的输入端是什么电路？如何实现热电势如何实现热电势Uab信号不衰减？信号不衰减？如
26、何检验如何检验550的显示结果？的显示结果？(22.77mv)数显温度表实用电路数显温度表实用电路(XMT-101)数显温度表实用电路数显温度表实用电路(XMT-101)1.温度转换电路的特点？温度转换电路的特点？2.差动电压放大电路的特点？差动电压放大电路的特点？3.设定电路的特点？设定电路的特点？数显温度表实用电路数显温度表实用电路(XMT-101)4.控制报警电路的特点？控制报警电路的特点？数显温度表实用电路数显温度表实用电路(XMT-101)5.参考电压电路的特点？参考电压电路的特点？课后作业题课后作业题1.仪表传感器的作用、分类和选用原则。（课本）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）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）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）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）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（设计一台数显电子秤（ICL7107)。（课外）（课外）（1）测量范围：）测量范围：010kg（2）测量精度：）测量精度：10g（3）供电电源：）供电电源：220V10%