智能万能输入数字显示仪的设计方法

　　1　引言

　　万能输入数字显示仪可直接用于测试温度,同时也可对压力、流量、液位等参数进行测试。只要通过相应变送器输出0~10mA或4~20mA电流输送给该仪表,就可实现测试。

　　传统的温度数字显示仪表只能接入某一分度号的传感器信号,通过分离元件构成的硬件电路进行非线性处理、放大,然后经过A/D转换器、送显示器显示;如果要接入另一分度号的传感器信号,则进行非线性处理,线性放大的硬件电路必须更换。这样,一方面造成硬件成本高,测量精度不准;另一方面,使用范围受到限制,因而缺乏市场竞争能力。

　　文中阐述一种万能输入数字显示仪的设计方法,即可将任意分度号的温度传感器信号直接输入,利用软件进行非线性处理,采用程控放大器对各分度号的传感器信号进行不同的放大,明显降低了硬件成本和提高了仪表的各项性能指标和可靠性。软件包括输入参数选择,冷端补偿的运算,非线性化的处理,显示及A/D转换模块等。硬件则包括输入电路、程控放大电路、CPU、A/D转换、PWM变送输出等。

　　2　系统主要模块设计

　　2·1　输入回路

　　各分度号的热电偶产生的mV信号以及标准信号1~5V从相同的两个输入端子接入。如果接标准信号4~20mA电流输入,则在两个输入端子上接入标准250Ω的电阻,将4~20mA的电流转化为1~5V电压。各分度号的热电阻采用三线制接法,占三个不同的输入端子,利用硬件电路产生1mA的恒流源,使其流经热电阻,从而将温度量的变化转化为电压的变化。其输入电路设计如图1所示。

　　2·2　利用运放4502及电阻网络和4053组成的程控放大电路

　　传统放大电路一般用机械电位器与阻容器件网络组成,用电位器对系统和放大倍数等进行调整,当调整到合适的数值后便将其固定。如果输入不同种类的传感器信号和标准信号,由于它们的最大量程相差甚大,必须采用多套放大器,显然增大了硬件成本和设备的体积。例如,以热电偶为例:K型热电偶在1~1200℃对应的电势为0 ~ 48. 828mV, S型热电偶在1 ~1600℃对应的电势为0~16.771mV.为满足对不同类型热电偶传感器信号或标准信号1~5V的不同的放大倍数且只使用一套放大器,在硬件设计时,采用程控放大器的4502与电阻网络及3路二选一多路电子开关4053相结合来实现这一目的。实现方法如下:

　　(1)在输入端子外接热电偶时,CPU发出控制信号Kz1、Kz2、Kz3,使A=1,B=0,C=0,即使x=x1,y=y0,z=z0,实现对热电偶的电势放大31倍。另外,在接入热电偶信号时,如需冷端补偿,可在热电阻输入端接入Cu50热电阻进行补偿,不需补偿时,接入50Ω的精密电阻。

　　(2)在输入端子外接标准信号1~5V时,CPU发出控制信号Kz1、Kz2、Kz3,使A=0,B=1,C=0,即使x=x0,y=y1,z=z0,实现标准电压信号放大1/3倍。