课程设计--数字电子称.doc

- 电子技术基础课程设计报告 电子技术基础课程设计报告（20132014学年第2学期）设计名称： 数字电子称 姓 名： 江尚方 学 号： 311108002012 专业班级： 电科11-1班 指导老师： 王允健老师 所在学院：电气工程与自动化学院目 录摘要3一、设计目的4二、设计内容和要求4三、设计电路原理4 3.1 传感器原理53.2 放大系统原理53.3 A/D转化原理5 3.3.1 CC7107芯片介绍6 3.3.2 CC7107 芯片管脚73.4 显示系统原理7四、实验电路 4.1 传感器部分8 4.2 信号放大部分9 4.3 整体电路图9五、仿真结果5.1 传感器仿真105.2 放大器仿真115.3 仿真结果分析11六、元器件清单 6.1元器件清单12七、思考与总结13八、参考文献13 摘要 电子称已经进入我们这个社会的每个领域。作为生活中一种很常用的工具，电子称以它的方便、计量精确、性能稳定、种类多样的特点越来越取代传统的称具，为我们的生活提供方方面面的便利。传统的称具往往需要将重物托起，使之脱离地面，然后运用杠杆原理，计算出物体的重量，这显然不适宜对于大型的物体的称量。而且，在某些科技领域，比如说黄金的测重、医药的精确配比、化工剂量的配比等需要更为精确的重量测量，电子称刚好解决了上述问题。本设计的电子称可通过调节计量的量程提高对被称重物的计量精确度，改变了传统的单一最小量程。又可以通过对传感器外形的不同设计将本设计用于其他量度的测量，比如车辆的压力测量、动物咬合力的测量、工程上撞击力的测量等。因此，本设计有着很大的应用潜力，适应能力强。一、 设计目的（1） 掌握关于电子称的基本知识。（2） 掌握电子称的设计、组装、与调试方法。（3） 熟悉传感器的工作原理。（4） 熟悉集成电路CC7107的使用方法，端口功能以及其工作原理。二、 设计内容和要求（1） 设计数字电子称的电路。（2） 要求测量范围：0kg1.999kg,0kg19.99,0kg199.9,0kg1999kg的变化。（3） 画出数字电子称的电路，并在软件上运行，检测其工作的各种性能。三、 数字电子称的基本原理图数字电子称由五个部分组成：传感器、放大系统、模数转化系统、显示器和量程切换系统。其相互间的关系如图1-1-1所示。图1-1-1电子称工作原理是通过压力传感器将物理信号转变为电信号，再由放大系统将来自传感器的微弱信号放大，放大后的电信号经模数转化把模拟量量转化为数字量，数字量再通过显示器进行显示，显示器的量程可进行自动转变，来满足对数字量的精确。3.1 传感器原理电子称传感器的测量电路由电桥构成，因为通过对电桥桥臂的电阻设计，可以制成对电阻变化灵敏度较高的电路。它将微弱的电阻变化转化为微弱的电流变化，形成连续的电流输出。如图1-1-2 电桥电路主要由R1,R2,R3,R4四个受压应变电阻组成。A和B接入电源，C和D接入负载。平衡电桥有：R1R4= R 2R3。此时，输出为零。当有外界压力改变电桥的桥臂电阻值时，电桥失去平衡，在CD上形成电压差。电子称的传感器在不加负载时，电桥应处于平衡状态，也就是CD上输出为零，但是在实际制作工艺上，往往有一定偏差，因此，还需要一个矫正电路。EF就是一个调零电路。3.2 放大系统 电子称的放大系统是把上级传输过来的弱信号进行放大，放大后的信号再经过模数转化。放大系统要保证是高阻输入，低阻输出。这样最大限度的减少信号的损失。3.3 A/D转换 传感器的输出信号经放大器放大后，还需要经过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，然后再由显示器显示出来。这里选用CC7017 31/2A/D转换器。 3.3.1 CC7107芯片 CC7107芯片采用双积分的方法实现A/D转换，以4000个计数脉冲为一个周期。芯片的选定，直接影响到管脚的元件选择。 积分电阻RINT:为了保证CC7107在输入电压范围内线性工作，外接的积分电阻要选用足够大，该电阻的选取为：RINT=VFS/IINT.一般积分电流IINT=4uA，若A/D转换器满度电压VFS=2V和V FS=200MV,则积分电阻分别为：RINT=2V/4Uf=500k RINT=200mV/4uA=50k 积分电容CINT：积分电容CINT的取值大小主要由在A/D转换器的额定转换速率和积分器额定积分电流的情况下，积分器输出不饱和，计算公式：CINT=4000IINT/(fOSCVIS) 其中，VIS是积分器的输出电压幅度（V）。CINT一般选取0.1uF0.22uF。 自动稳零电容CAZ：自动稳零电容CAZ的选择依据允许引入的噪声大小为依据。一般在A/D转换器具有较高分辨率时，噪声要求高，这时自动稳零电容CAZ选较大的。本次实验选0.047uF。 参考电容CREC：参考电容CREC的选取，以保证A/D转换器的翻转误差在一个字以内，一般选取0.1uF。特殊情况下可选取大一些，比如1uF。 振荡器部件ROSC和COSC：由两级反相器组成的RC振荡器的震荡频率fOSC与定时电阻ROSC、定时电容COSC的关系为： fOSC=1/（2ROSCCOSCln3）=0.45/ROSCCOSC 由CC7107的技术参数可以求得ROSC为110k左右。 参考电压VREF：VREF的公式为：VREF=0.5VFS当VFS=2V时，参考电压VREF=1V；当VFS=200mV时，参考电压VREF=100mV。电源电压选取5V。显示器采用共阳极显示器。 3.3.2 CC7107 芯片管脚 如图1-1-2，是CC7107A/D转换器各管脚功能。 图1-1-23.4 显示器原理 七段数码显示器是微机系统常用的输出设备。发光二极管，即LED是由半导体材料制成的PN结，在正向偏置时会发光，具有工作电压低、体积小、寿命长、响应快等优点。常用的颜色有红、绿、黄。发光二极管的正向压降为2.2V2.6V，工作电流为510mA，其发光亮度基本与工作电流成正比。因此在使用发光二极管时，必须串限流电阻。发光二极管可工作于脉冲状态，在平均电流相同的情况下，脉冲工作状态比直流工作状态的亮度增加约20%。发光二极管可以单个的形式使用，也可将几个发光二极管封装在一起，根据封装的形状有七段数码显示器、米字型显示器和点阵式显示器等不同的形式。当发光二极管导通时，点亮相应的笔划或点。控制这些发光二极管的亮与暗，即可显示不同的字符或符号。 多个发光二极管封装在一起的七段数码显示器按其连接形式可分为共阳显示器和共阴显示器。共阳和共阴的七段显示器，在显示器中除了显示数字必须的七段笔画外，还提供了小数点。共阳显示器的阳极连接在一起，此时对阳极提供一正电压，通过限流电阻控制其阴极为高电平或是低电平来决定其暗或是亮。共阴显示器的阴极连在一起，此时可将阴极接地，通过限流电阻控制其阳极为高电平或是低电平来决定其亮或是暗。四、 实验电路4.1 传感器部分电路图图1-1-3 4.2 放大器部分电路图 图1-1-44.3 整体电路图 图1-1-5五、 仿真结果5.1 传感器部分图1-1-6 5.2 放大器部分 图1-1-75.3 仿真结果分析 传感器的信息采集由压感电阻的变化引起电压的变化，而仿真实验中，无法实现这个电压随电阻的变化操作。所以，我只是测了一下调零电阻的变化对于输出电压的影响。结果表明：通过调节可调电阻的阻值，可以使得初始状态的输出电压为零。 放大器的作用是将微弱电信号放大并输出，实验中，输入电压选取10mV，1kHZ正弦波，输出为50mV的放大波形。可能这个放大倍数还不过大，不过可以通过对滑动变阻器的调节来获得最大放大效果，这需要对于放大器部分的静态工作点的调试。 本次实验未对整体结果进行仿真实验的解释说明： 由于mutisim仿真软件中未能找到CC7107芯片，需要用户自己导入。而用户自己导入时缺乏该芯片的技术参数，所以在仿真时无法发挥CC7107的功能，只是作了一个电路布线图，未实现仿真。 电子称的测量要求用到压变电阻，单一改变滑动变阻器的阻值虽然也能达到电压变化的效果，但不符合设计的初衷，且该方法无法进行四位七段显示值的调试，即当显示器上显示一个数值时，无法确定该值此时对应的是50kg重量的显示值还是70kg重量时对应的显示值。这样也就使得仿真失去意义。六、 元器件清单 5V直流电源 1个 12V直流电源 1个1k电阻 1个 10k电阻 3个2.4k电阻 2个 100电阻 1个20k电阻 2个 100k电阻 1个1M电阻 2个 10M电阻 1个100M电阻 1个 24k电阻 1个可变电阻 2个 50uF瓷片电容 1个10nF瓷片电容 2个 10nF普通电容 3个0.22uF普通电容 1个 0.47普通电容 1个2N2222A三极管 1个 CC7107芯片 1个七段显示器 4个 信号发生器 1个示波器 1个 导线若干七、 思考与总结Mutisim软件是非常适合我们使用的，它的功能也较为强大。正因为如此，它的许多功能和电子器件的功能或使用方法还没有被我们发现和了解，我们还需要不断的学习。本次课程设计对于我来说还是收获颇多的。通过设计，我了解了部分A/D转换器的类别，原理和作用。还了解到许多电子设计的作品和设计思路。一开始，我觉得老师布置的这样的问题实在不可能完成，工作量太大不说，而且创新要求高，还要求对于仿真软件的较高运用能力，格式的要求也十分严格。然而，一步一步的实践之后，觉得过程越来越得心应手，在完成这个任务之后我才真正发现：世上无难事，只要肯钻研。这次的实验设计只不过为以后的相关设计和实践运用作铺垫。我们还要继续努力。八、 参考文献 1张洪润.电子线路与电子技术M.北京：清华大学出版社,2009, 12 (2):318-323.2王朱劳，周永金.模拟电子技术及应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2007，2 (1):33-37.3康华光.电子技术基础（模拟部分）（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.4艾永乐，付子义.模拟电子技术：中国电力出版社，2008.5沈小丰.电子线路实验数字电路实验M.北京：清华大