三位半数字毫伏表功能的扩展

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1989.04.007 北京科技大学学报 第11卷第4湖 Vol .11 No.4 1389:7刀 Journal of Uivcrsil of Science and Technolog:Beiiing Ju1y1983 三位半数字毫伏表功能的扩展 方之岗 (热能T积系) 摘要：本文用两个实例闲明了单片3子位A1D转换器大可发掘利用。(1)袖珍 热电桶数字温座表，配K型热电俩、范围-50~1300℃，精度0.5级，比200mV表头只增加 8个电阴。(2)制成数字显示仪只州加3个电阴，不但能直接显示被测值（而不是百分数） 而且还能通用。 关键词：3号位单片，AD转换器，袖珍热电偶散宁温度表 Extending Application of 3-1/2 Digital Millivoltmeter Fang Zhigang ABSTRACT:In this paper two practical examples are used to demostrate the greatly possible exploitation of 3-1/2 digit monolithic A'D converter.One example is a pocket thermocuple thermometer matched with a k-type thermo- couple,which temperature range are from -50 to 1300 C.and the precision is 0.5 grade.Compared with 200mV digital millivoltmeter.it only 8 resistors are exlended.Three resistors are aded for another example if making a digital displaying meter.Not only il can display the measared value directly but also it can be used generally. KEY WORDS:3-1/2 digit single chip.A'D converter,pocket thermocuple thermometer 毫伏表是构成各种显示仪表的基本部分。月前象热电偶温度表，DDZ的数字示仪等这 些生产上最广泛使用的仪表，内干除表头外，增部分的电路女杂、件能欠佳，：产上得不 1987-12-09收稿 332

竿 川 卷竿 期 ，召 介几 月 业 京 科 枝 大 ”补 学 扭 乍 ， 、 ，介 。 ， 。 、 。 ‘ 隽 一 凭 下 介 共位半数字毫伏表功能 的扩展 方 之 岗 热能下 稗 系 摘 要 本文 用两 个实例 ‘ 明 了单片 令 位 ‘” 转 换 器 大 可 、 ， 用 。 ‘，， 袖 ” 热 电偶 数 字温 度表 ， 配 刑热 电偶 ， 范 困 一 油 。 。 亡 ， 精 度。 级 ， 匕 。 。 表失 只 增加 个 电阻 。 制 成 数字 显示 仪只 琳 加 个 电限 ， 不 但 能直 接 显示 坡 侧 俏 而 不 是百 分 长 而 民还 能 通 用 。 关键 询 。 李 ‘“ 单 片 ’ 转 换器 ， 袖珍热 电偶 教宁温 度 表 一 一 产护 ’ 夕 ” 夕 ， 。 丫 。 ， 一 ， 一 只 入 「 ‘ 。 。 爪 一 一 ， 一 一 ， 只 ， ， ， 、 〔 一。 。 。 ， ， ， 只 、 。、 ， 一 。 一 、 ， 、 ， ， ， 一 · 一 〔 曦 义 ‘ 、 · ， 毫伏 表是 构 成 各种 显示仪表 的 基本部 分 。 目前象热 匕偶温 度表 ， 的数字 兄示仪等这 咋 生产 最广 泛 使 用的仪 表 ， 由干除 表头 外 ， 增 加部 分 的 电路 勺 杂 ， 卞能 欠佳 ， 产 得不 一 一 收 稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1989．04．007

到推广，现绝大部分仍使用指针式。 由三位半A/D集成片构成的20CmV表头，其可靠性和精度均好，且应用很广；A/D片来 源充足，经研究试验发现，A/D集成块有较大的潜力，远没有被发掘利用。例如，在不增加 有源器件（如电源、运算放大器等）的情况下，只增加3~8个电阻，就可将260mV表头变 成系列热电偶数字温度表和DDZ通用数字显示仪等一些生产上广泛使用的仪表，由于只增加 几个电阻，所以不失原200mV基本表的可靠、自稳零等优点，也不失成本低的特点。 1用作通用数字显示仪 DDZ数字显示仪的已有定型产品结构复杂、价贵。而三位半面板式200mV表头只需增加 3个电阻，就是1台数字显示仪，不仅可直接 显示出被测量的实际值，即不是百分数标尺， 而且还通用。 1.1电路 由图1见，只增州电阻R:R2与R,。R 是输人电阻，将DDZ的统一电流信号转换成 伏输人，分压电阻R2、R,是为显示零点从4mA 开始而设置。 通用数字显示仪的关键在于发现三位半 A/D片的反向基谁电压V有很大的承受能 3130 710 力，VR在需要的(70~900mV)范围内调整 时，仪表均能安全可靠地工作，此时测量上限 就可从1〔单位们到1999[×10"单位)内连续可 LED 调，其中〔×10”单位〕是人工写在显示屏右边 drt dpa dps 的，下限按习惯均从0开始。有这样宽的可调 范围，就可直接显示出任何一种被测量的实际 图1通用数字显示仪电路 Fig.1 Circuit diagram of general digital 值。 display meter 1.2原理 根据双积分A/D转换器工作原理有： V,.=(Vx/1000)X (1) V.=V1-V。=(I-In)R: (2) 其中：V;。一AD转换器的输入电压； VR一反向积分基准电压； I。一输入电流下限，Ia=4mA； X一一显示值，也即被测量实际值。 将(2)式代入(1)式得 333

由三位半 集成 片构成 的 表头 ， 其 可靠 性和精 度 均好 ， 且应 用 很广 片来 源充足 ， 经研究试验发现 ， 集成块 有 较大 的潜 力 ， 远没有 被发 掘利 用 。 例如 ， 在 不增加 有源器 件 如 电源 、 运算放大 器等 的情况下 ， 只增 加 一 个 电阻 ， 就可将 表头变 成系列热 电偶数字温 度表和 通 用数 字显示仪等 一些 生产上 广泛使 用 的仪表 ， 由于 只增加 几个 电阻 ， 所 以 不 失原 基本表 的可靠 、 自稳 零等优点 ， 也 不失 成本低 的特点 。 用作通用数字显示仪 数字显示 仪 的 已有定 型产 品结 构复杂 、 个 电阻 ， 就是 台数 字显示 仪 ， 不 仅 可直接 显示 出被测 量 的实际值 ， 即 不是百分数 标尺 ， 而 且 还 通 用 。 价 贵 。 而 三位半面板 式 表头 只 需增加 电 路 由图 可见 ， 只增九 电阻 ， 与 。 工 是输 入 电阻 ， 将 的统 一电流信号 转换 成毫 伏 输 人 ， 分压 电 阻 、 是 为显示 零点从 人 开始而设置 。 通用数字显示仪 的关 键在于发 现 三 位 半 片 的反 向 基准 电压 凡 有 很大 的 承 受 能 力 ， 玖 在需要 的 范围 内 调 整 时 ， 仪表均能 安全 可靠 地 工作 ， 此 时测量 限 就可从 〔单 位 〕到 〔 ” 单 位〕内连续 可 调 ， 其 中〔 ” 单位〕是人 工写 在 显示 屏右边 的 ， 下限按 习惯 均从 。 开始 。 有 这样宽 的可调 范围 ， 就可直接 显示 出 任何一种被测量 的实际 值 。 又 ，。 尸 ’ 厂 盆 一 里 二曰 一 厂卜 卜 广气「 仁 卜 · 田 瞬 叮不干 图 通 用 数 字 显 示 仪 电路 原 理 根据双积分 转换 器工作原理有 ， ” 厂 万 犷 ‘ 。 ， 一 。 一 。 ， 其 中 犷 ‘ 。 － 厂 转换器 的输 人 电压 玖 － 反 向积分基准 电压 。 － 输 人 电流下限 ， 。 － 显 示值 ， 也 即被 测量 实际 值 。 将 式代人 式得

X=〔(I-4)R,/Vw)×1000 (3) 其中取R:=10。当I为上限值20mA,则並示值X也是上限，川X4表示 ∴.入.=〔(20-1)×10jVR)×1000=16×10FR (4) 改变V就可改变显示上限Y,。此外，由LED显示器有dp1、dp?、dpa3个可供选择 的小数点，见图1，要业示时只需将该小数点与P点连接。因此显示值义可按101,102， 或103的倍数缩小，例如取VR=160m,则按(4)式显示上限Y,=1000〔×10单位〕，此时 3个小数点都不点亮。当点亮不同的小数点，则测量范团对应是0~1.000〔×10“单位)、0~ 10.00C×10°单位〕和0~100.0〔×10单位〕。所以只要安装时调整电位器W1,V有80~ 800mV的可调范围，刺量范围就在0~1〔单位)到0~1999C×10°单位)内连续可调。例如 实际被测的蒸汽压力是(0~80)×10Pa,在安装仪表时将Vx调到200mV,并将dp3与P点 连结，即点亮d印3、则仪表显示的沈是被测蒸汽压力实示值。 1.3性能指标与优点 (1)输人信号：4~20m4,0~10mA或其它电流值 (2)输出：3-12位数字LED显示 (3)显示值可调范围：从0~1〔单位)到0~1999〔×10单位)中任一数值范围， (4)误差：±（读数×0.1%+1字） (5)保证精度的环境条件：0~55°C,湿度80%。 通用数字显示仪的优点是工作可靠，使用方便，结构十分简单便于维修，所加的3个电 阻都是1/8W金属膜电阻，R,不需要标准绕线电阻，取标称值102，实际阻值差一点没有关 系。DD显示仪是用量最大的一种仪表，所以通用数字显示仪不愧是一种很好的普及型数字 表。 2用作热电偶温度表 高温宽量程的热电偶数字温度表，袖珍式国内是空白，面板式虽有产品，但电路太复 杂，仪外加运算放大器就6~9块之多，不但成本高，仪表可靠性和稳定性等也受影响。其 实在200mV表头上只加6个电阻就可构成宽量程的热电偶数字温度表，精度为0,5，并且不 失200mV表头1工作可靠、自稳零等一切优点。下面举配人型热电偶的袖珍式数字温度表为例 来说明。 2,1性能指标与电路原理 (1)测量范围：一50~1300°C,配K型热电偶 (2)次荣：<4°C+1字，精度定为0.5级 (3)分辨*：1C (4)响应时间：0.4s (5)冷端补偿次弟：<士1°C (6)保证精度环境温度：0~55°C 4 334

’ 二 〔 一 ’ 厂 〕 又 其 中取 ， 。 。 当 为上 限值 ， 则 显 刁、 值 入 也是 上限 ， 川 一 、 。 人， ‘ 入 一 〔 一 ‘ 厂 〕 “ ·产 改 变 犷 就 丁改 变 显示 上限 丫 、 。 此 外 ， 由于 显 示 器 有 ， 、 、 。 个 丁供 选 择 的小 数 点 ， 见 图 ， 要显 示 时只需将 该 小数 点 与尸 点连 接 。 因此 显 示值又 可按 一 ’ ， 。 一 ， 或 一 “ 的倍数缩小 ， 例如 取 犷 、 ‘ ， 则按 式 显示 限 」 ’ 一 〔 ” 单 位〕 ， 此 时 个小 数 点都 不 点 亮 。 当点 亮不 同 的小 数点 ， 则测 量范 围 对应 是 。 一 〔 “ 单 位〕 、 〔 一。 ” 单 位〕 和。 一 〔 ” 单 位〕 。 所 以 只 要 安 装 时 调 整 电 位 器 附 ， 厂 有 的 可调范 围 ， 顶 量 范 围就 在 。 一 〔单 位〕到 。 一 〔 “ 单 位〕 内 连 续 ， 调 。 例如 实际 被 测 的 蒸汽 压 力是 一 。 乃 ， 在 安装仪 表 时将 犷 调 到 ， 并将 与 点 连 结 ， 即点 亮 。 ， 贝仪 表 显 示 的就是 被 蒸汽压 力实际值 。 性 能 指 标 与优 点 输 人信 一 号 一 入 ， 一 或其它 电流值 输 出 一 位数 宇 显示 显 示值 可调 范围 从 。 〔单 位〕 到 。 肛 ” 单 位〕 中 任一数值范 围 ， 误 差 士 读数 字 保 证精度 的 环境条 件 一 “ ， 湿度 一 、 写 。 通 用数 字显示仪 的优 点 是 工 作 可靠 ， 使 用方便 ， 结 构十分 简单 便于 维修 ， 所加 的 个 电 阻都是 金属膜 电阻 ， ，不 需 要标 准绕 线 电阻 ， 取 标称 值 。 ， 实际阻 值差 一点 没有 关 系 。 显示仪是 用量 最大 的 一 种仪表 ， 所 以通 用数宇显 示仪 不 愧是 一种 很好 的 一 普及 型数字 表 。 用 作热电偶温度 表 高奋益宽 量程 的热 电偶数 宇温 度表 ， 袖 珍 式国 内是 空 白 ， 面 板 式 虽有产 品 ， 但 电 路 太 复 杂 ， 仅外加 运 算放 大 器就 一 块之 多 ， 不但 成本高 ， 仪 表 可靠 性 和稳定性 等也 受影 响 。 其 实在 表头上 只 加 个 电阻 就可构成宽量程 的热 电偶数 宇温 度表 ， 精 度为 ， 并 且不 失 表头 工 作 可稚 、 自俭 零 等 一 切 优 点 。 「面举配 入 型 热 电偶 的袖珍 式数 字温 度表为 例 来 说 明 。 性 能指 标 与电路 原理 测 量 范 一 一 “ ， 配 型热 电偶 吴差 ” 十 字 ， 精 度定为 级 分 辨 率 响应 时 间 、 冷端 补偿 吴差 士 “ 保 证情度环境温 度 。 一

电路图示于图2，由图可见比LCD显示的200mV表头只增加R:、R,~R,8个电阻，其 中R,是铜电阻，它所构成的是高阻电桥。当然也可以用PN结补偿，这是已有技术。 R:R 3635323130 2621 T106 10001300 t,℃ 381cD 图？K型热电偶烛珍式数字温度表电路 图3K型热电偶的线性化折线 Fig.2 Circuit of held digital thermocuple Fig.3 Lincarizing curue of K-type ther- thermometer matched K-type ther- mocuple mocuple 图中四异或门原是驱动小数点，现G1、G2、G3控制线性化的转折，G4用作低电压指 示。为简明，图2中原有固定连接的外围元件（5个电容3个电阻)未画出。 由图3所示的热电偶分度特性得折线方程为 e:-ebi=a:t (5) 其中：€一热电偶工作端热电势， t—一热电偶工作端温度， a,一斜率系数，a:=tga:, e:一纵坐标位移电势，下角是折线的段数， 另外，热电偶本身有关系式： e:=etero (6) 其中：e:。一热电偶冷端热电势， e一热电偶产生的热电势， (6)式代人(5)式得 e+et。-e6i=a:t (7) 义根据双积分1D转换器原理，有关系式 Vi VaN (8) 1000 其中：V:a一一A/D片输入电压； 'R:—一反向积分基准电压； N-一显示数字。 335

电路 图示于 图 ， 由图可见 比 显 示 的 表头 只增加 ， 、 中 ， 是 铜 电阻 ， 它所 构成 的是高阻 电桥 。 当然也可 以 用 结 补偿 ， ， 个 电阻 ， 其 这是 已有技术 。 门 注 户 ‘ 「不工 一 厂 厂 丁’ 吉、 飞 〕 尧 行 ， 二 ，刁‘ 习望 灿 于月 才， 七 图 配 长 型 热 电 偶 袖 珍 式 数 字 温 度 表 电 路 图 型 热 电偶的线 性化折线 为 几 一 一 图 中四 异或 门原是 驱动 小 数点 ， 现 、 、 控制线性化 的转折 ， 用 作 低 电 压 指 示 。 为简明 ， 图 中原有 固定连接 的外 围元 件 个 电容 个 电阻 未 画 出 。 由图 所示 的热 电偶分度特性得 折 线方程 为 一 “ 、 、 其 中 召 。 － 热 电偶工 作端热 电势 ， － 热 电偶工 作端 温 度 ， “ － 斜 率 系数 ， 。 ‘ 二 ‘ ， 。 ‘ － 纵坐标位移 电势 ， 下 角 亡是折线 的段数 ， 另 外 ， 热 电偶本 身有 关 系式 ， 二 ， 。 其 中 。 ， 。 － 热 电偶冷端 热 电势 ， －热 电偶产 生 的热 电势 ， 式代人 式得 ， 。 一 “ 。 ‘ 又 根据双积分 入 转换器原理 ， 有 关系式 生上 其 中 犷 。 － 片输 人 电压 ‘ － 反 向积分 基准 电压 － 显示数字

另由图2的输入电路，可与出 Vin=e+Vis=e+V.-V (9) 而 V。=V.。+dV,=V,。+e:a (10) 其中V.是t。=O时a点的电压，V。为定值，JV.为冷端，时的a点电压变化值，由冷端温度 补偿电桥设计已使dV。=e:u Vb=V。+ebi (11) 其中分量V.是定值，令V。=V.,而分量e。.数值随各段折线而不同。 将(10)、(11)式代入(9)式得： vin=e+eio-es (12) 再将(12)式代入（8)式得： e+e:。-ea.=(VR:/1000)小 (13) (13)式就是热电偶数字温度表工作特性方程式，它满足热电偶线性化折线方程式(7)的 要求。 比较(13)式与(T)式，得 a,t=(VR:/1000)W (14) 也即 a,=VR/1000 t=N (15) 可见显示器的显示值N直接代表被测温度，分度特性折线的斜率▣可用反向积分基准电压 VR来调整，不同的折线段，按需要取不同的值。 2.2技术要点 (1)出(15)式可见，改变VR就可改变折线的斜率。 (2)由于带隙稳压管艺：有较大的负载能力，所以增加冷端补偿桥路R,R,R2R,不必另备 电源与之相配合，可在A/D片原固定的外围心件电路连接上稍加改变。 (3)e6,值的转折借用冷端补偿电桥R,R,组成的攴路，这又简化了电路。 (4)由于采用新颖的“数字电路一桥路”线性化方法，整个电路未引入放大器，所以消 除了零点漂移误差。 用数字脉冲信号J电路实现线性化不象已有的“模拟比较器一放大器”方法，它的转 折点非常准确，在转折点不出现死区，跳变或游动。所以转折误差也减到很小。山于消除了 这两项主要的误差，根据热电偶分度特性的特点，用两段折线就能满足0,5级精度需要的 测量范山。 (5)用电阻R,满足Vg1到VRz转变数值上的需要。同理，HR:满足由e。值变到e。2值。 由图3图解知VR1=41.269mV,Vk2=36.9mV;e61=0,e62=4.37mV。这一组图解 所得数值只作仪表调整时的参考值，其准确性与仪表精度无关。 控制过程简单地说：转折点是1000°C,则显示千位数1前后A:B,(即19脚)输出的相 位处于同相或反相两种状态，斤或G,的输出对应就有〔0]、〔1门两种状态，即输出d点处于 336

另 由图 的输入 电路 ， 可写 出 厂 ‘ ， 二 犷 。 ‘ 二 犷一 犷‘ 咬 而 厂 。 厂 。 。 十 刀 厂 。 二 砚 。 十 ‘ 口 其 中犷 。 。 是 。 时 从的 电压 ， 犷 。 。 为定 值 ， 厂 为 冷端 时 的 “ 点 电压变化值 ， 由 令端 溢度 补 偿电桥设 计 已使刁 「 。 ‘ 。 。 ‘ 犷‘ 。 “ 其 中分量 犷‘ 。 是 定值 ， 令 犷‘ 。 犷 。 ， 而 分盆。 。 ， 数值随各 段 折线而 不 卜 。 将 、 式 代入 式得 犷 。 二 。 一 。 再 将 式代入 式得 。 一 ‘ 犷 ‘ 入 式就是热 电偶 数 宇 温 度表工 作特性 方程 式 ， 它满足热 电偶线性 化折线 方程 式 的 要求 。 比 较 式与 式 ， 得 。 犷 ‘ 也即 ‘ 犷 ‘ 可见 显示 器 的显 示值八直接 代表被侧温度 ， 分度特性 折线 的斜率 可用反 向积分 基 准 电压 犷 来 调整 ， 不 同 的折线段 ， 按需 要 取不 同 的值 。 洲声 。 技术要点 山 式 可见 ， 改变 。 就 可改 变折 线 的斜率 。 由于带 隙稳压 管 有较大 的 负载能 力 ， 所 以增 加冷端 补 偿桥路 、 。 不必另 备 电源 ’ 之 相配 合 ， 丁在 片原 固定 的外围元件 电路连 接上 稍加 改 变 。 。 。 值 的转折借用 冷端补 偿 电桥 。 组成 的 支路 ， 这 又简化 电路 。 由于采 用新颖 的 “ 数 字电路一 桥路 ” 线性 化方法 ， 整个电路未 引入放大 器 ， 所 以 消 除 了零点 漂移 误差 。 用数 字脉 冲信号和 门电路 实现线性 化不 象 已有的 “ 模拟 比 较 器一放 大 器 ” 方法 ， ‘ 已的转 折点非常 准 确 ， 在转折点 不 出现死区 ， 跳 变 或游功 。 所以转折 误差也减 到 很小 。 由于 消除 一 这 两项 主 要的 误差 ， 根据热 电偶分度特性 的特点 ， 川 两段折线 就能 满 足 级 精度和 需 要 的 侧量范田 。 用 电阻 满 足 厂 到 厂 ‘ 转变数值上 的需 要 。 同理 ， 用 。 满 足 由 。 。 ‘值 变到 ‘ 值 。 由 图 图解 知 犷 ， · ， 。 ， 。 。 这 一组 图 解 所得数值 只 作仪表调整时 的参 考值 ， 其 准确性与仪 表精度无 关 。 控制过 程 简单地说 转折 点是 “ ， 贝峥显示千 位数 前 后 ‘ 即 脚 输 出 的相 位处 于 同相或 反相两种状 态 ， 异或 门 ‘ 的输 出对应就 有〔 〕 、 〔 〕两 种状 态 ， 即输 出 点处 于