【文章內(nèi)容簡介】 信號小于滿量程時，自動校零將參考源中未用足的部分進(jìn)行反積分，這樣，使得一個完整的測量過程為4000個計數(shù)值(16000個時鐘脈沖），而與輸入信號無關(guān)。需要每秒三次的讀數(shù)刷新速率時，可選用48KHZ的振蕩頻率。為使電路對60HZ的工頻有最大的抑制能力，信號積分階段的時間應(yīng)為60KHZ工頻的整數(shù)值，這樣，可選的振蕩頻率為240KHZ、120KHZ、80KHZ、60KHZ、48KHZ、40KHZ等。 同樣地，為了對50KHZ的工頻有最好的抑制能力，可選的振蕩頻率有200KHZ、100KHZ、 662/3KHZ、50KHZ以及40KHZ等。請注意，40KHZ的振蕩頻率（），對50KHZ和 60KHZ的工頻均有抑制能力(400KHZ和440KHZ也可以)。（2）引腳功能說明第1引腳：正電源，第26引腳：負(fù)電源第21引腳：電源地第2~22~25引腳：數(shù)字部分，A1G1,A2G2,A3G3：分別為個位、十位、百位筆畫的驅(qū)動信號，依次接個位、十位、百位LED顯示器的相應(yīng)筆畫電極； 19引腳接個千位的兩個二極管。第27~40引腳：模擬部分，其中第27引腳：積分器第28引腳：緩沖放大器的輸出端，接分電容CINT 第29引腳：積分比較器的反相輸入端，外接自動調(diào)零端第31引腳：信號地和信號正端 圖3 ICL7107引腳圖第32引腳：模擬地第336引腳：基準(zhǔn)地和基準(zhǔn)電壓正端第37引腳：數(shù)字地，與V+短接進(jìn)行測試第38~40引腳：時鐘振蕩的引出端，外阻容元件或石英晶體組成振蕩器。（3）元器件的選擇說明及主要電氣參數(shù)的選用①積分電阻 緩沖放大器和積分器都帶有甲類輸出放大器，靜態(tài)電流均為100μA左右。輸出為4μA時的非線性度很小，可忽略不計。積分電阻必須足夠大，以使在整個輸入信號范圍內(nèi)的積分電流都落在這個現(xiàn)行都很好的區(qū)間。同時積分電流又必須大到印刷板上的漏電流可以忽略。對于2V的滿量程，470kΩ是最優(yōu)的，滿量程為200mV時，可選用47kΩ。②積分電容積分電容的選擇須使得最大電壓擺幅不達(dá)到積分器輸出電壓的最大飽和擺幅，（）。當(dāng)ICL7107的模擬公共端用作參考點時，積分器輸出滿量程標(biāo)稱為2V時最佳，當(dāng)ICL7107用+5V電源供電，模擬公共端接地時，177。+4V的標(biāo)稱輸出擺幅為最好。在每秒3個讀數(shù)時（時鐘頻率為48KHz）。當(dāng)然，在使用不同的振蕩頻率時，該電容的值也要往相反的方向進(jìn)行修正，以保持同樣的輸出擺幅。選擇積分電容的另一個要求是其漏電要小，以減少翻轉(zhuǎn)誤差。較適合的電容是聚丙烯電容，它的漏電幾乎可完全忽略，而成本又很低。③自動校零電容自動校零電容的大小對系統(tǒng)的噪聲會有些影響。在200mV滿量程時，噪聲顯得很重要。200mV滿量程時，這樣，噪聲在合理的范圍內(nèi)，同時，也加快了過載時的恢復(fù)速度。2V時。④參考電容在絕大多數(shù)使用場合下。然而，當(dāng)存在較大的共模電壓（即REF LO管腳未與模擬公共端連接）和使用200mV的滿量程時，可選用較大的電容，以防止產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)誤差。一般地。⑤振蕩器元件在所有的頻率范圍內(nèi)，推薦使用100kΩ的震蕩電阻，振蕩電容的值用f =。在48KHz的振蕩頻率時，C=100pF。⑥參考電壓產(chǎn)生滿量程讀書只輸出所需的模擬輸入電壓為Vin=2VREF，這樣，對于200mV和2V量程，VREF 應(yīng)分別為100mV和1V。 主控芯片轉(zhuǎn)換原理及應(yīng)用在第一節(jié)主要介紹了主控芯片ICL7107的選擇及重要功能的說明，ICL7107作為一種智能型集成芯片，它的應(yīng)用比較廣泛，在本節(jié)里，介紹其內(nèi)部轉(zhuǎn)換原理及其應(yīng)用。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它通過對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用脈沖時間間隔，進(jìn)而得出相應(yīng)的數(shù)字性輸出。它的原理性框圖如圖2所示，它包括積分器、比較器、計數(shù)器，控制邏輯和時鐘信號源。積分器是A/D轉(zhuǎn)換器的心臟，在一個測量周期內(nèi)，積分器先后對輸入信號電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分。比較器將積分器的輸出信號與零電平進(jìn)行比較，比較的結(jié)果作為數(shù)字電路的控制信一號。時鐘信號源的標(biāo)準(zhǔn)周期Tc作為測量時間間隔的標(biāo)準(zhǔn)時間。它是由內(nèi)部的兩個反向器以及外部的RC組成的。圖4 ICL7107的轉(zhuǎn)換原理計數(shù)器對反向積分過程的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)?？刂七壿嫲ǚ诸l器、譯碼器、相位驅(qū)動器、控制器和鎖存器。分頻器用來對時鐘脈沖逐漸分頻，得到所需的計數(shù)脈沖Fc和共陽極LED數(shù)碼管公共電極所需的方波信號Fc。譯碼器為BCD7段譯碼器，將計數(shù)器的BCD碼譯成LED數(shù)碼管七段筆畫組成數(shù)字的相應(yīng)編碼。驅(qū)動器是將譯碼器輸出對應(yīng)于共陽極數(shù)碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅(qū)動相應(yīng)筆畫的方波?？刂破鞯淖饔糜腥齻€：第一，識別積分器的工作狀態(tài)，適時發(fā)出控制信號，使各模擬開關(guān)接通或斷開，A/D轉(zhuǎn)換器能循環(huán)進(jìn)行；第二，識別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負(fù)號顯示；第三，當(dāng)輸入電壓超量限時發(fā)出溢出信號，使千位顯示“1” ，其余碼全部熄滅。釣鎖存器用來存放A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，鎖存器的輸出經(jīng)譯碼器后驅(qū)動LED 。它的每個測量周期自動調(diào)零（AZ）、信號積分（INT）和反向積分（DE）三個階段。第一階段：自動調(diào)零階段AZ轉(zhuǎn)換開始前（轉(zhuǎn)換控制信號VL=0)，先將計時器清零，并接通開關(guān)S0使積分電容C完全放電。第二階段：信號積分INT令開關(guān)S1合到輸入信號V1一側(cè)，積分器對V1進(jìn)行固定時間Tl的積分積分結(jié)果為：上式說明，在T1固定條件下V0與Vt成正比。第三階段：反向積分DE令開關(guān)S1轉(zhuǎn)至參考電壓VREF一側(cè)，積分器反向積分。如果積分器的輸出電壓上升至必零時，所經(jīng)過的積分時間T2則可得，故可得到：可見，反向積分到V0=0這段時間T2與Vl成正比。令時鐘脈沖CD的周期為Tc，計數(shù)扔器在T2時間內(nèi)計數(shù)值為N得：T2=NTc,代入上式得：分析可知：T1,Tc，VREF固定不變，計數(shù)值N僅與VIN成正比，實現(xiàn)了模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)變。下面介紹A/D轉(zhuǎn)化過程的時間分配。假設(shè)時鐘脈沖頻率為40KHz，每個周期為4000Tc,每個測量周期中三個階段工作自動循環(huán)。各階段時間分配如下：①信號積分時間T1用1000Tc 。②信號反向積分時間T2用0一2000Tc ，這段時間的長短是由VIN的大小決定的。③自動調(diào)零時間T0用1000－3000Tc 。圖5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖從上面的分析可知，T1 侍定不變的，但T2隨VIN的大小而改變。因為，選基準(zhǔn)電壓= ,由：得：VIN=，滿量程時N=2000，同樣由上式可導(dǎo)出滿量程時VIN與基準(zhǔn)電壓的關(guān)系為：VIN=2VREF為了提高儀表的抗干擾能力，通常選定的采樣時間Tl 為工頻周期的整數(shù)倍。我國采用50Hz交流電網(wǎng)，其周期為20Ms，應(yīng)選T1=N20Ms。N= 1,2,3……N越大，對串模干擾的抑制能力越強，但N越大，A/D轉(zhuǎn)換的時間越長。因此，一般取T1=100Ms，即f0＝40KHz 。式中T0為振蕩周期。由上式可知，當(dāng)f0=40KHz時，阻容元件的選取并不唯一，只要滿足要求即可。 主控芯片ICL7107的應(yīng)用ICL7107是一塊應(yīng)用非常廣泛的集成電路。它包含3 1/2位數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器，可直接驅(qū)動LED數(shù)碼管，內(nèi)部設(shè)有參考電壓、獨立模擬開關(guān)、邏輯控制、顯示驅(qū)動、自動調(diào)零功能等。利用它可以直接輸入電壓模擬量，可制作成電壓表頭，也可以制作成多檔電壓表等，在本次設(shè)計中，是作為主控芯片來制作成高精度電機(jī)轉(zhuǎn)速儀，系統(tǒng)框圖如圖所示， 圖6 高精度電機(jī)轉(zhuǎn)速儀結(jié)構(gòu)框圖高精度電機(jī)轉(zhuǎn)速儀系統(tǒng)，主要是由轉(zhuǎn)速脈沖采集電路、頻率電壓轉(zhuǎn)換電路、主控電路ICL7107，共陽極數(shù)碼管顯示以及穩(wěn)壓電源模塊組成，電機(jī)轉(zhuǎn)速的具體轉(zhuǎn)換過程及其測量顯示，將在第三章里做全面的介紹。第3章 高精度電機(jī)轉(zhuǎn)速儀硬件設(shè)計電機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)的直接動力，其轉(zhuǎn)速是動力機(jī)械性能測試中的一個非常重要的性能參量，其大小和變化關(guān)系著機(jī)械運轉(zhuǎn)是否正常，直接關(guān)系著生產(chǎn)效率的高低。因此對電機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測量有著嚴(yán)格要求。本畢業(yè)設(shè)計就是一種高精度電機(jī)轉(zhuǎn)速儀的設(shè)計。 設(shè)計方法與步驟高精度電機(jī)轉(zhuǎn)速儀的設(shè)計既是一個理論問題，又是一個工程實際問題，它包含了微型計算機(jī)幾口技術(shù)、LED顯示技術(shù)、自動檢測技術(shù)理論、計算方法，也包含模擬與數(shù)字電路，是一種多種學(xué)科的綜合應(yīng)用。下面簡述高精度電機(jī)轉(zhuǎn)速儀的設(shè)計方法與設(shè)計步驟。 具備的能力與思想高精度電機(jī)轉(zhuǎn)速儀的設(shè)計首先具備以下幾個方面的能力：（1）必須具有一定的硬件基礎(chǔ)知識。這些硬件不僅包括控制元件（本課程設(shè)計采用智能芯片ICL7107）及其接口，而且還包括對儀器或裝置進(jìn)行信息設(shè)定的鍵盤及開關(guān)，檢測各種輸入量的傳感器、A/D或D/A轉(zhuǎn)換電路以及打顯示設(shè)備。（2）對智能芯片（ICL7107）有個全面透徹的掌握，包括各個引腳功能、輸入電壓及參考電壓的選擇。（3）具有綜合運用知識的能力。（4）還必須掌握生產(chǎn)過程的工藝性能和被測參數(shù)的測量方法，以及被測對象的特性。高精度電機(jī)轉(zhuǎn)速儀的設(shè)計思想就是將一個高精度電機(jī)轉(zhuǎn)速儀設(shè)計的任務(wù)劃分成幾個便于實現(xiàn)的模塊，再將各個模塊分別設(shè)計，這樣可以提高設(shè)計效益。然后選擇元件芯片、組織硬件構(gòu)成所需系統(tǒng)。就一臺智能化儀器而言，衡量其設(shè)計水平時，往往看它在“軟硬兼施”方面的運用能力，但是本設(shè)計采用智能芯片，使設(shè)計更加簡單，硬件電路也相對簡單方便。 設(shè)計的內(nèi)容與步驟高精度電機(jī)轉(zhuǎn)速儀設(shè)計的內(nèi)容與步驟主要包括以下幾個方面：(1)控制系統(tǒng)總體方案的選擇，包括設(shè)計系統(tǒng)的要求、測量方案的選擇確定，以及工藝參數(shù)的測量范圍等。(2)選擇各參數(shù) 檢測元件及變送器。(3)選擇主控芯片，單片機(jī)控制還是用智能芯片。根據(jù)設(shè)計要求選用智能芯片。(4)系統(tǒng)硬件設(shè)計，包括接口電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、及顯示電路等。(5)選擇電路元件，包括主控芯片、檢測元件、A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片、及顯示。(6)繪制系統(tǒng)原理圖。(7).系統(tǒng)的調(diào)試及實驗。(8)書寫設(shè)計論文及排版。 硬件電路的實現(xiàn)本測速系統(tǒng)主要由電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖產(chǎn)生電路、脈沖頻率轉(zhuǎn)換電路，主控電路及顯示、穩(wěn)壓電源電路等組成。 電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖產(chǎn)生電路電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖產(chǎn)生電路包括傳感器脈沖采集電路和脈沖整形放大電路。（1）光電傳感器的脈沖采集電路在電動機(jī)的測速系統(tǒng)中，在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝測光電傳感器或光電編碼盤等測速裝置，利用電機(jī)中轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的脈沖來反映它的轉(zhuǎn)速。通常所用的傳感器有霍爾傳感器和光電式傳感器?；魻杺鞲衅骶哂薪Y(jié)構(gòu)簡單緊湊、靈敏度高以及傳送過程無抖動現(xiàn)象，頻率響應(yīng)寬、壽命長等特性。但霍爾傳感器存在一定程度的磁不敏感區(qū)，會降低電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的可靠性，增大測量誤差，且對安裝位置要求精確，因此安裝調(diào)試比較復(fù)雜，并