1、數(shù)字顯示0100kPa壓力測量系統(tǒng)電路設(shè)計目錄本畢業(yè)設(shè)計課題首先設(shè)計出由傳感器、傳感器供電電路、傳感器信號調(diào)理電路等單元電路組成的以直流電壓信號為輸出量的參量（壓力）測量電路；同時，配套設(shè)計以MC14433為核心的數(shù)字式直流電壓表。在上述參量（壓力）測量電路、DVM的基礎(chǔ)上對外圍電路再進一步進行相應(yīng)的擴展構(gòu)成數(shù)字顯示式壓力測量系統(tǒng)。數(shù)字顯示式壓力測量系統(tǒng)使測量結(jié)果一目了然，保證了讀數(shù)的客觀性與準(zhǔn)確性，符合人們的讀數(shù)習(xí)慣，縮短了讀數(shù)和記錄的時間，減小了視覺疲勞。【關(guān)鍵詞】 壓力 數(shù)顯 MC14433 DVM 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、醫(yī)療等領(lǐng)域，對壓力、溫度等參量的測量及控制始終占據(jù)著重要地位。

2、隨著科學(xué)技術(shù)的進步和電子工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)外相繼推出各種傳感器、集成傳感器、大規(guī)模集成電路及超大規(guī)模集成電路，這為開發(fā)各種數(shù)字儀表，智能數(shù)字儀表提供了極大的方便。在數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上配上溫度、壓力等傳感器及相應(yīng)的測量電路，即可構(gòu)成一塊數(shù)字顯示式溫度計、壓力計等各種新型通用、專用數(shù)字儀表或測量系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了高效安全生產(chǎn)，必須有效控制生產(chǎn)流程中諸如壓力、流量、溫度等主要參數(shù)。壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的參數(shù)之一，壓力的檢測和控制是保證生產(chǎn)和設(shè)備安全運行必不可少的條件、意義重大；壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)節(jié)，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)控制

3、、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。數(shù)字顯示式參量測量系統(tǒng)使測量結(jié)果一目了然，保證了讀數(shù)的客觀性與準(zhǔn)確性，符合人們的讀數(shù)習(xí)慣，縮短了讀數(shù)和記錄的時間，減小了視覺疲勞。新型數(shù)字儀表以其高準(zhǔn)確度、高分辨率、高性價比等優(yōu)良特性而受到人們的青睞。本次設(shè)計是壓力的測量，即是將非電量轉(zhuǎn)換為電量的輸出。非電量的電測法是自動檢測技術(shù)的重要組成部分，內(nèi)容非常廣泛。實際上非電量電測法幾乎可以用來測量各種非電量參數(shù)，這些參數(shù)被用來鑒定各種物理現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象和工業(yè)生產(chǎn)過程。目前普遍采用電子測量線路和電子測量儀表來測量各種非電量（包括除去電參數(shù)的一切物理量）是現(xiàn)代自動檢測技術(shù)發(fā)展的一大特點。

4、這是因為電測法有大家所熟知的一系列的優(yōu)點。這些優(yōu)點主要是：1）便于實現(xiàn)連續(xù)測量；2）便于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量與控制；3）具有高的靈敏度和準(zhǔn)確度；4）信號傳輸速度快；5）測量范圍寬廣，能夠測量較大或較小的數(shù)值。通過各種傳感器測得的電參量，不僅隨著所測非電量的變化而變化，而且還與被測對象的其它物理和化學(xué)屬性以及周圍介質(zhì)的物理屬性有關(guān)。如金屬導(dǎo)線的電阻不僅依賴于溫度，并且與導(dǎo)線在拉力作用下的機械變形有關(guān)。如果要利用導(dǎo)線的電阻與拉力的關(guān)系來測量拉力，則必須設(shè)法補償因環(huán)境溫度的變化而引起的導(dǎo)線電阻的變化。因此這不僅對傳感器提出了許多要求，而且對測量裝置的其它部分，如測量電路和二次儀表也提出了許多要求。2.1數(shù)

5、字顯示儀表的原理框圖 工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的數(shù)字式儀表有數(shù)字式溫度計、數(shù)字式壓力計、數(shù)字流量計、數(shù)字電子秤等。 數(shù)字式儀表的出現(xiàn)適應(yīng)了科學(xué)技術(shù)及自動化生產(chǎn)過程中高速、高準(zhǔn)確度測量的需要，它具有模擬儀表無法比擬的優(yōu)點。數(shù)字儀表的主要特點有：準(zhǔn)確度高、分辨率高、無主觀讀數(shù)誤差、測量速度快、能以數(shù)碼形式輸出結(jié)果。同時數(shù)字量傳輸信息，可使得傳輸距離不受限制。 數(shù)字儀表按工作原理可分為：帶微處理器的和不帶微處理器的。不帶微處理器的儀表，通常用運算放大器和中、大規(guī)模集成電路來實現(xiàn)；帶微處理器的儀表，是借助軟件的方式來實現(xiàn)原理框圖中的有關(guān)功能。數(shù)字顯示儀表中由于直接觀察到的是所測參數(shù)的絕對數(shù)字量，所以在數(shù)字式

6、顯示儀表中除模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換裝置外，必須具有另一重要組成部分，即對被測參數(shù)的非線性函數(shù)的線性化及各種系數(shù)的標(biāo)度變換。標(biāo)度變換是將儀表顯示的數(shù)字量和被測物理量統(tǒng)一起來；而線性化環(huán)節(jié)的作用是消除或減小敏感元件非線性對測量結(jié)果的影響，使輸出的數(shù)字量與被測參數(shù)間保持良好的線性關(guān)系。其原理框圖如圖2-1-1所示。控 制 邏 輯譯碼、驅(qū)動顯示非線性校正及A/D轉(zhuǎn)換放大電路測量電路設(shè)定機構(gòu)比較環(huán)節(jié)信號輸出控制模式圖2-1-1數(shù)字顯示儀表原理框圖 模擬式電壓表具有電路簡單、成本低、測量方便等特點，但測量精度較差，特別是受表頭精度的限制，即使采用0.5級的高靈敏度表頭，讀測時的分辨力也只能達(dá)到半格。再者，模擬

7、式電壓表的輸入阻抗不高，測高內(nèi)阻源時精度明顯下降。數(shù)字電壓表作為數(shù)字技術(shù)的成功應(yīng)用，發(fā)展相當(dāng)快。數(shù)字電壓表（Digital VoIt Me-ter，DVM），以其功能齊全、精度高、靈敏度高、顯示直觀等突出優(yōu)點深受用戶歡迎。特別是以AD轉(zhuǎn)換器為代表的集成電路為支柱，使DVM向著多功能化、小型化、智能化方向發(fā)展。DVM應(yīng)用單片機控制，組成智能儀表；與計算機接口，組成自動測試系統(tǒng)。目前，DVM多組成多功能式的，因此又稱數(shù)字多用表（Digital Multi Meter，DMM）。 DVM是將模擬電壓變換為數(shù)字顯示的測量儀器，這就要求將模擬量變成數(shù)字量。這實質(zhì)上是個量化過程，即將連續(xù)的無窮多個模擬量用

8、有限個數(shù)字表示的過程，完成這種變換的核心部件是AD轉(zhuǎn)換器，最后用電子計數(shù)器計數(shù)顯示，困此，DVM的基本組成是AD轉(zhuǎn)換器和電子計數(shù)器。DVM最基本功能是測直流電壓，考慮到儀器的多功能化，可將其他物理量，如電阻、電容、交流電壓、電流等，都變成直流電壓，因此，還應(yīng)有一個測量功能選擇變換器，它包含在輸入電路中。DVM對直流電壓直接測量時的測量精度最高，其他物理量在變換成直流電壓時，受功能選擇變換器精度的限制，測量精度有所下降A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器輸入電路譯碼器顯示器邏輯控制器圖2-6-1 DVM基本組成框圖模擬部分?jǐn)?shù)字部分電源電路。2.6.2、主要性能指標(biāo)1）測量范圍DVM用量程顯示位數(shù)以及超量程能力來反映它的

9、測量范圍。a.量程 DVM的量程是以基本量程（即未經(jīng)衰減和放大的量程）為基礎(chǔ)，借助于步進衰減器和輸入放大器向兩端擴展實現(xiàn)。b.顯示位數(shù) DVM的顯示位數(shù)是指能顯示0-9十個數(shù)碼的完整顯示位c.超量程能力 DVM是否具有超量程能力，與基本量程無關(guān)。2）分辨率DVM能夠顯示被測電壓的最小變化值，稱為分辨率即最小量程時顯示器末位跳一個單位值所需的最小電壓變化量。在不同量程上，具有不同的分辨率，在最小量程上，具有最高分辨率，這里的分辨率應(yīng)理解為最小量程上的分辨率。3）輸入阻抗由于輸入有衰減器，所以輸入阻抗不是固定值。4）測量速度測量是在單位時間內(nèi)以規(guī)定的準(zhǔn)確度完成的最大測量次數(shù)。或者用測量一次所需的時

10、間（即一個測量周期）來表示。5）測量誤差DVM的固有誤差通常用一下兩種方式表示：（1） Ux=a%Ux%Um （2） Ux=a%Uxn個字式中Ux被測電壓讀數(shù) Um 該量程的滿度值a%Ux讀數(shù)誤差%Um 表示滿度誤差 3. 數(shù)字顯示0100kPa壓力測量系統(tǒng)電路設(shè)計 數(shù)字電壓表電路框圖如圖3.1所示。該測量系統(tǒng)采用P3000S-102A型絕對壓力傳感器，可測098.0665KPa（約0100K的壓力）。數(shù)字壓力表整機包括P3000S-102A壓力傳感器、恒流源、儀用放大器、調(diào)零電路、數(shù)字電壓表DVM、+15V和+5V穩(wěn)壓電源、-15V和-5V的高效DC/DV負(fù)電源變換器等七大部分組成。 穩(wěn)壓電

11、源 高效負(fù)電源變換器+15V+5V-15V-5V圖3-0-1基于P3000S-102A數(shù)字電壓表的電路圖P3000S-102A型絕對壓力傳感器儀用放大器數(shù)字電壓表及LED顯示恒流源供電電源調(diào)零電路基準(zhǔn)電壓源3.1.壓力傳感器供電電源設(shè)計及有關(guān)參數(shù)計算傳感器采用絕對壓力傳感器P3000S-102A,恒流驅(qū)動，電流為1.5mA,靈敏度是6010-518010-5mV/Pa,額定壓力范圍是098.0665KPa.（約0100KPa）3.1.1.壓阻式壓力傳感器概述壓阻式傳感器piezoresistance type transducer是指利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材

12、料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。壓阻式傳感器用于壓力、拉力、壓力差和可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱Φ淖兓钠渌锢砹浚ㄈ缫何弧⒓铀俣取⒅亓俊?yīng)變、流量、真空度）的測量和控制。這種傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,制成硅壓阻芯片,并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi)，引出電極引線（圖1）。壓阻式壓力傳感器又稱為固態(tài)壓力傳感器，它不同于粘貼式應(yīng)變計需通過彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過硅膜片感受被測壓力的。圖1 中硅膜片的一面是與被測壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通的低壓腔。硅膜片一般設(shè)計成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為2060。在圓形硅膜片(

13、N型)定域擴散4條P雜質(zhì)電阻條,并接成全橋，其中兩條位于壓應(yīng)力區(qū)，另兩條處于拉應(yīng)力區(qū)，相對于膜片中心對稱。圖2中是兩種微型壓力傳感器的膜片，圖中數(shù)字的單位為毫米。此外，也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴散制作電阻條，兩條受拉應(yīng)力的電阻條與另兩條受壓應(yīng)力的電阻條構(gòu)成全橋。壓阻式壓力傳感器特點：1.易于微小型化；2.易于集成化；3.靈敏度高；4.測量范圍寬5.頻率響應(yīng)高；6.精度高，工作可靠，壽命長壓阻式傳感器廣泛地應(yīng)用于航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個領(lǐng)域。在航天和航空工業(yè)中壓力是一個關(guān)鍵參數(shù),對靜

14、態(tài)和動態(tài)壓力,局部壓力和整個壓力場的測量都要求很高的精度。壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例如,用于測量直升飛機機翼的氣流壓力分布，測試發(fā)動機進氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。在飛機噴氣發(fā)動機中心壓力的測量中，使用專門設(shè)計的硅壓力傳感器,其工作溫度達(dá)500以上。在波音客機的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中采用了精度高達(dá)0.05的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風(fēng)洞模型試驗中，壓阻式傳感器能密集安裝在風(fēng)洞進口處和發(fā)動機進氣管道模型中。單個傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達(dá)300千赫,非線性和滯后均為全量程的0.22。在生物醫(yī)學(xué)方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測工具。已制成擴散硅膜薄到1

15、0微米,外徑僅0.5毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測量心血管、顱內(nèi)、尿道、子宮和眼球內(nèi)壓力的傳感器。用于測量腦壓的傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓阻式傳感器還有效地應(yīng)用于爆炸壓力和沖擊波的測量、真空測量、監(jiān)測和控制汽車發(fā)動機的性能以及諸如測量槍炮膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測量。此外，在油井壓力測量、隨鉆測向和測位地下密封電纜故障點的檢測以及流量和液位測量等方面都廣泛應(yīng)用壓阻式傳感器。隨著微電子技術(shù)和計算機的進一步發(fā)展，壓阻式傳感器的應(yīng)用還將迅速發(fā)展。3.1.2.P3000S-102A壓力傳感器供電電源的設(shè)計及參數(shù)計算.1供電電源供電方案比較 橋式電路的壓力傳感器的供電方式有恒壓源供電、恒流源供電兩

16、種方式。 由恒壓源供電的電路如圖3-1-1所示。 圖3-1-1 恒壓源供電設(shè)4個橋臂電阻值起始值相等而且均為R。當(dāng)有壓力作用時，2個橋臂電阻增加增加量為R，而另外2個橋臂電阻阻值減小，減小量也為R。另外，在溫度變化時，每個電阻隨溫度的變化量為。因此，電橋的輸出：=UR/(R+)。若=0，則=UR/R，即電橋的輸出與R/R成正比，并與電源電壓U成正比。若0，則與有關(guān)，說明它有溫度誤差，而且是非線性的。而由恒流源供電的電路如圖3-1-2所示。圖3-1-2恒流源供電設(shè)4個橋臂初始電阻相等。=I/2在有壓力使用時，仍有=I/2,因此，電橋的輸出為:=(I/2)(R+R+)- (I/2)(R-R+)整理

17、后得: =R由上式可看出，電橋的輸出與溫度無關(guān)。但是由于工藝的原因，電橋的每一個橋臂電阻實際上也不是完全相等的，因此在零壓時，有零位電壓輸出，用恒流源供電仍會有一定的溫度誤差。綜上所述，在它們?nèi)魏螚l件都均等的條件下，用恒流源供電的電橋輸出與溫度無關(guān)，即沒有溫度誤差，所以一般都采用恒流源給傳感器供電。.2恒流源供電電源設(shè)計及參數(shù)計算本設(shè)計采用基于運算放大器、基準(zhǔn)電壓源等構(gòu)成的恒流源供電電源，具體電路如圖3-1-3所示。圖3-1-3 恒流源供電電路電路中VD1采用LM385，其穩(wěn)定電壓為2.5V，作為傳感器提供1.5mA恒流源的基準(zhǔn)電壓。因為電源電壓為+15V,所以電阻壓降為12.5V。因VD1的

18、電流范圍是20uA20mA。這樣，電阻選用范圍為625K，（12.5V/20uA）到625（12.5V/20mA）。如果VD1電流選為20mA，應(yīng)選為625，則要消耗250mW功率，VD1要消耗50mW功率，可見其消耗太大。如果VD1電流選的太小，VD1阻抗變大，易受噪聲影響。因此實際電路為100K，VD1電流為125uA。 電阻上的電壓與VD1的電壓相同，也為2.5V，而傳感器的電流也流經(jīng)，為使傳感器電流為1.5mA，而阻值為1.67K（2.5V/1.5mA），電路中選=1.6K。恒流驅(qū)動傳感器的運放A1的輸出電流為1.5mA，采用通用運放LM324。.2.1關(guān)于LM324的簡介 LM324

19、系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器，與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四運算放大器可以工作在低到3.0V或者高到32V的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用上圖所示的符號來表示，他有5個引出腳，其中“”、“”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中Vi-（-）。為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。3.2二次

20、變換電子電路設(shè)計及參數(shù)計算儀用放大電路的設(shè)計 本設(shè)計選用的壓力傳感器P3000S-102A的應(yīng)變電阻為橋式連接，輸出電壓很小，僅為60180 mV。因此如果要求測量精確度很高時，必須選用輸入阻抗高，放大差動電壓的放大電路。本設(shè)計選用通用運算放大器LM324構(gòu)成的差動輸入、差動輸出的儀用放大電路，具體如圖3-2-1所示。圖3-2-1儀用放大電路如果要求放大電路輸出電壓為1V，則要求放大電路增益為5.517倍可調(diào)，因此電路電壓放大倍數(shù)Av可表示為 Av=1+ (+)/式中與選用相同的阻值。 采用10K電位器。 由上式可見，當(dāng)值最大時，增益最小，這是增益為5.5倍較好。因此，設(shè)為10K，將Av代入上

21、式，可計算和的阻值,即=22.5K。電路中選= =20K。A2與A3的輸出是電壓差信號，需變換成對地輸出信號。因此，采用A5構(gòu)成差動輸入單端輸出的放大電路，該電路僅放大差動電壓，必須。最后一級A5為單端輸出，輸出電壓為01V,而A5的差動輸入電壓也為01V。因此，A5的增益設(shè)為1，和都采用相同阻值的電阻。電路中A5采用通用運放LM324，輸出可接2K負(fù)載電阻。調(diào)零電路的設(shè)計 當(dāng)被測壓力為0時，P3000S-102A傳感器輸出應(yīng)為0。但實際上，當(dāng)被測壓力為0時，P3000S-102A傳感器橋路不平衡，約有5 mV的電壓。如果A2和A3組成的差動放大器的增益為17倍，就將把橋路的不平衡的5 mV電

22、壓放大17倍，即為85mV 電壓。若A5增益為1，則輸出就有85mV 電壓，因此，要進行補償,具體調(diào)零電路（零點補償電路）如圖3-2-2所示圖3-2-2 調(diào)零電路電路中A點電位=+15V/( + )=15V/(15K+100) 100=+100 mV，而B點電位 =-15V/(+)=-15V/(15K+10) 100=-100 mV。如果接入2K電位器，則兩端的電壓約為90 mV 。、和這些阻值變動的比率相同，若阻值小，消耗電流就要增大，若阻值大，A4偏置電流會產(chǎn)生影響。影響程度可用A4相同輸入端與地之間電阻和 的合成電阻來計算。圖中參數(shù)，合成電阻最大值為550，而A4(LM324)的偏置電流

23、最大值為250nA，產(chǎn)生最大的電壓為0.14 mV，因此采用的電阻值可稍大于圖中的電阻值。因A4電壓跟隨器的輸入是不平衡的，所以不用失調(diào)電流而用偏置電流來計算其影響。為補償傳感器橋路不平衡所產(chǎn)生的電壓，將電位器所形成的電壓經(jīng)A4進行阻抗變換，再通過加到A5的同相輸入端，就可起到補償作用。接入跟隨器A4，主要是保證流經(jīng)電流恒定，轉(zhuǎn)換的補償電壓也恒定。 壓力傳感器的測量電路圖3-2-3壓力傳感器的測量電路 31/231/2電路各部分功能31/231/231/2 31/231/2 .3 MC14433電路總框圖31/231/231/2在沒有做畢業(yè)設(shè)計前覺得畢業(yè)設(shè)計只是對所學(xué)知識的單純總結(jié)，但是通過這

24、次做畢業(yè)設(shè)計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面。畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次課程設(shè)計，我才明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。在這次畢業(yè)設(shè)計中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識。在多人做項目的時候，隊員的交流是非常重要的，是很關(guān)鍵的部分。這次的畢業(yè)設(shè)計也讓我看到了團隊的力量，我認(rèn)為我們的工作是一個團隊的工作，團隊需要個人，個人也離不開團隊，必須發(fā)揚團結(jié)協(xié)作的精神。剛開始的時候，大家就分配好了各自的任務(wù)，大家有的繪制原理圖，有的積極查詢相關(guān)資料，并且經(jīng)常聚在一起討論各個方案的可行性。