电子技术基础课程设计-数字温度及课程设计.doc

电子技术基础课 程 设 计题目名称： 数字温度计 姓 名： 学 号： 班 级： 指导教师： 评语： 成绩：重庆大学电气工程学院2013年6月目录一、设计任务与要求.1二、设计原理.1三、设计方案与论证.2四、单元电路设计与参数计算.2 1.温度传感电路.2 2.信号放大滤波电路.3 3.模数转换与显示译码电路.5五、总原理图及元器件清单.6六、电路性能调试.8七、总结与心得体会.8八、参考文献.10数字温度计的设计1、 设计任务与要求1. 测温范围0-150度；2. 采用4位数码管显示，能够稳定显示环境温度的值 ；3. 显示精度为0.1度，测量误差不超过1% ；4. 焊接工艺良好。二、设计原理传感器电路A/D电路数码管显示放大滤波电路图1.数字温度计电路原理框图 根据总体设计模块图，总共可以分为三个模块。对相应的模块进行相应的电路设计，找出相应的元器件，最后组成一个完整的数字温度计。（1）温度传感器 温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。温度是一种典型的模拟信号，用数字电路来进行检测就必须将这一非电量先变换成电量，然后将模拟电信号经A/D电路变换成数字信号，经译码显示而得到对应的数字。 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在热电动势。温度变化时，热电偶电阻值发生微弱改变，一般采用电桥电路进行测量，然后才能进行放大滤波处理。(2)信号放大滤波电路 放电电路有很多种设计方式，可以采用差分三运放AD620等得到较高的共模抑制比，也可以采用精密运算放大器设计同相比例放大器即可。信号放大后，需要进行滤波，滤除干扰，温度信号是一个缓慢变化的信号，在此需要设计出一个截止频率为10Hz左右的低通放大器。(3)数模转换与显示译码电路 A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。 A/D转换主要的任务是对模拟电信号进行分析，将其信号转换成数码显示出来，可能的话还可以对信号进行分析预处理。这里也主要是采用TC7107芯片，采用这个芯片可以大大减少A/D转换及译码电路，因为它本身输出就是BCD码，而且是按十进制位串行输出的，极大简化了电路，从而提高了电路的稳定性及减少功耗。三、设计方案与论证方案一： 用一个热敏电阻,通过热敏电阻把温度转化为电压,再得到每一度热敏电阻的电压变化值,用LM324运放做成乘法器,使电压乘以一个比例系数,使一度的变化得到一个整数变化的电压值,然后送入TC7107A/D转换器进行数模转换和数字显示。方案二： 采用温度传感器对温度进行采集，采集的电压经过放大电路将信号放大，然后经过3.5位A/D转换器转换成数字信号，在进行模拟/数字信号转换的同时, 还可直接驱动LED显示器,将温度显示出来。方案三： 采用TC7107进行模数转换。通过温度传感器采集到温度信号，再通过放大滤波电路进行信号的放大滤波最后通过使用TC7107集A/D转换和译码器于一体的功能，直接驱动数码管，省去译码器的接线。 根据电路的简易性与可实行性，选用方案三。四、单元电路设计与参数计算1.温度传感电路 电桥是用比较法测量物理量的电磁学基本测量仪器，电桥的种类很多，测量中等阻值（10106欧姆）的电阻要用惠斯登单臂电桥进行测量；若要测量更大阻值的电阻，一般采用高电阻电桥或兆欧表；而要测量阻值较小的电阻，一般采用双臂电桥（开尔文电桥）。电桥准确度高、稳定性好，所以被广泛用于电磁测量、自动调节和自动控制中。惠斯登单臂电桥是最基本的直流单臂电桥。单臂电桥原理如下： 左图所示就是一个通用的单臂电桥。电阻R1，R2，R3，R4叫做电桥的四个臂，G为检流计，用以检查它所在的支路有无电流。当G无电流通过时，称电桥达到平衡。平衡时，四个臂的阻值满足一个简单的关系，利用这一关系就可测量电阻。当其中某个电阻发生改变时，BD电桥间电压就会发生变化，利用这个特性就可以将电阻的变化信息用电压来表示进行信号的传递。 图2.电桥电路 温度变化时，热电偶电阻值发生微弱改变，可以采用单臂电桥电路进行测量，采集温度信号。电桥电路如右图： RV100左侧电阻以及R100组成一个桥臂，RV100右侧电阻以及R200和R300组成一个桥臂，R4组成一个桥臂，然后就是RT1也就是PT100组成一个桥臂，调节变阻器RV100使得当PT100温度显示为0时电桥平衡即可，桥电压即为输出信号。这样，当PT100温度变化时，电桥就不平衡，输出信号也就不为零，再根据相应的放大滤波，A/D模数转化及译码显示过程即可显示出温度。 图3.温度传感电路2.信号放大滤波电路2.1放大电路 AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至1000 。AD620 的增益方程式为G =49.4 k/R G + 1 对于所需的增益, 则外部控制电阻值为R G =49.4/（G - 1）k 由于其成本低，精度高，连接简单的特点，故选用AD620作为电路的放大器来用，放大电路如4所示。电路中在1、8管脚间接了一个1 k的外部电阻确定AD620的增益为50.4倍，7、4管脚分别接正负5v的电压作为驱动电压，5号管脚接地，3、2、6管脚分别接输入输出。 图4.放大电路2.2滤波电路 低通滤波器是让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。对于不同滤波器而言，每个频率的信号的强弱程度不同。当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器。低通滤波器允许从直流到某个截止频率f 的信号通过，将通用滤波器二阶传递函数的高通和带通系数均设为零，即得到一个二阶低通滤波器传递公式：对于高于f的频率，信号按该频率平方的速率下降。在频率f处，阻尼值使输出信号衰减。由设计要求以及实际干扰信号的频段，可以选择设计一个截止频率大约为10Hz左右的低通滤波器，考虑到实验室的情况，选取同相放大OP07c作为滤波器的运放，根据实验室有的电阻和电容，设定两级RC滤波电路的R值为10千欧，电容为1.6uf，那么也就是说，让低于10Hz的温度信号通过，而将高于10Hz的干扰信号去除，进而能够传输给之后的A/D译码器更加准确的温度信号，进行模数转换和译码显示。电路图如图5所示，OP07c的7、4管脚分别接正负5v的电压作为驱动电压，1、8管脚悬空，3，2，6管脚分别于滤波电路相连。 图5.滤波电路3.模数转换与显示译码电路是3位半的ADC转换芯片,使用每段8ma的电流直接驱动共阳极发光二极管显示屏，可以大大降低线性误差，使其小于1个计数。翻转误差等幅值与极性相反的漏电流输入信号读数之间的差值小于正负1个计数。高阻抗差分输入可提供1pA的漏电流。差分参考输入允许进行电阻比例测量或桥式传感器测量。自动调零周期确保了输入电压为零时显示屏读数也为零。传统的双积分型转换器测量周期分为两个阶段：输入信号积分，参考电压积分。在固定时间周期内对正在转换的输入信号进行积分。通过计数时钟脉冲信号来测量时间。然后对负极参考电压常数进行积分，直到积分器输出电压回零。参考积分时间与输入信号成正比。基本双积分型转换器：在简单的双积分型转换器中，一个完整的转换需要积分器完成一个从“上升”到“下降”的输出过程。这个简单的算术公式是输入信号、参考电压和积分时间的函数。 其中：VR = 参考电压TSI = 信号积分时间（固定）TRI = 参考电压积分时间（可变）。如果VIN 为常数： 模数转换及显示译码电路如图6 图6.模数转换及显示译码电路五、总原理图及元器件清单1.总原理图 实验设计方案确定后，将温度传感器电路、信号放大滤波电路以及模数转换和译码显示电路连接到一起，经过反复调试，测试，验证以及对部分参数的调整后得到如图7的总原理图（附带运行结果）如下 图7.数字温度计总原理图2.元件清单元件序号型号主要参数数量定值电阻RResistors1001300151011K12.5K24K111K624k132.2k140k147k11M23M2RV3059Y-1-501-LF2.7k1CCapacitors0.1pF1100pF10.1uF10.22uF10.47uF11.6uf2U3AD6201U2OP07c1U1TC71071RT1RTD-PT1001六、电路性能调试 在连接好仿真电路后，要求模数转换后译码显示的温度与PT100显示的温度相同，可通过在电桥中调节滑动变阻器RV，当变阻器无法调节后，通过调节桥臂上的电阻进行调试。当取样温度能在数码管上按比例显示时，采取2分法进行调试。逐步逼近，最终将取样电压和显示电压调成同步。由于数模转换器进行模-数转换存在的误差，即如PT100取样温度为62时，4位数码管显示温度为62.1（事实上这种情况只在超出某个范围内会出现）。取样温度低于8时，取样温度低于显示温度0.1。在861这个范围内，取样温度和显示温度相同。当传感器取样温度为62时，显示温度为61.9。即取样温度在62113这个范围内，取样温度高于显示温度0.1。当取样温度为114时，温度为113.8。即在取样温度高于113这时，取样温度高于显示温度0.2。也就是说，通过调节变阻器RV以及桥臂上的电阻使得译码显示数值与PT100测试温度差在允许误差范围内，即表示调试成功，实验仿真也就基本成功。七、总结与心得体会 这次电子技术课程设计对我个人来说是一个很大的挑战，因为这次的实验非常综合，需要充分运用数电知识以及上学期所学习的模电知识，同时还要自己查找相应的资料来满足实验要求，引起花费了非常多的时间和精力。本次的课程设计，我们小组设计出的数字温度计基本满足实验要求，测温范围为0-150度，采用4位数码管显示环境温度。但由于仿真软件和电脑配置的原因，在仿真时出现了一些无法避免的问题，数码管的显示不是特别稳定。但是经过小组成员不断地努力和研究，最终认定所设计的电路时符合要求的。在这次设计性实验中，我更加深刻的理解学习了电子技术及其实验的相关知识，自己的动手能力也有了很大的提升。同时，我们小组也充分发挥团队协作意识，在整个过程中，虽然没有特别明确的分工，但在每个都有认真参与，遇到困难时相互帮助，各抒己见，客服