水温测量仪测量电路设计方案.doc

水温测量仪测量电路设计方案 第1章 绪论随着科技的飞速发展，电子技术成为了当今科技发展的热点，先进国家无不把它放在优先的发展的地位。电子技术是电类专业的一门重要的技术基础课，课程地显著特点之一是它的实践性。要想很好的掌握电子技术，除了掌握基本器件的原理，电子电路的基本组成及分析方法外，还要掌握电子器件及基本电路的应用技术，课程设计就是电子技术教学中的重要环节。 模拟电子电路（Analog Circuit）是处理模拟信号的电子电路。模拟信号是时间和幅度都连续的信号（连续的含义是在某以取值范围那可以取无穷多个数值）。模拟电子技术是一门研究对仿真信号进行处理的模拟电路的学科。它以半导体二极管、半导体三极管和场效应管为关键电子器件，包括功率放大电路、运算放大电路、反馈放大电路、信号运算与处理电路、信号产生电路、电源稳压电路等研究方向。随着集成技术的进一步提高，各种新技术的出现和应用，人类历史横跨数码时代向更进一步发展已出现在各大型相关企业的宏伟蓝图中。本设计是设计的水温测量仪的，它是一种简易水温测量电路，主要是采用一些简单的电子元件即可，它是采用由直流稳压电源，温度电压转换电路，K电路，驱动报警电路，放大电路和比较电路五个核心部分组成。通过本次设计能使我们对电子工艺的理论有了更进一步的系统了解。我们了解到了设计小电子产品的一些常规方法，以及培养了我们团队合作的能力，在讨论设计方案，计算元件参数，仿真调试方面都体会到了团队的力量。本次课程设计的课题是水温测量仪，本课程设计将就水温测量电路的工作原理、参数计算、元件选取、电路调试等做详细的介绍和说明。 第2章 系统设计方案论证及分析2.1、电路原理分析1水温测量仪的基本原理 水温测量仪一般由温度传感电路，K变换电路，放大器电路，比较器电路，驱动电路及报警器所组成，基本框图如下。警报电路转换电路放大电路比较电路电压显示温度传感电路 2 各部分的作用： （1）温度传感电路的作用是为了对温度进行测量、控制并显示，首先必须将温度的度数（非电量）转换成电量，然后采用电子电路实现题目要求。此处利用AD590集成模拟温度传感器对被测对象进行水温测量并进行温度电流变换，将温度变化转换成相应的电信号。 （2）转换电路：转换电路的作用是进行K转换，因为AD590是集成模拟温度传感器，输出电流对应绝对温度K，而在技术指标中要求能够由数字电压表实现温度显示，并可直接读出温度值。本设计采用由uA741运放组成的加法器来实现这一功能。 （3）放大电路：放大电路的作用是将电压进行10倍放大，方面进行电压显示。例如当温度电压转换电路输出的电压时通过放大电路放大后使得其输出电压u03=100mV/。 （4）比较电路：比较器输出高电平和低电平来控制驱动报警电路。 2.2设计方案根据水温测量仪的基本原理以及各部分的功能，设计方案如下： （1）利用AD590集成模拟温度传感器实现温度电流变换；并在电压输出端接一电压跟随器增大输入阻抗。 （2）利用一个差分减法器实现K转换，所需电压Uref=2.73V，该电压由一个运算放大器和一个稳压管组成的电路提供。 （3）利用差分放大器进行K转换的同时对电压进行放大。 （4）在输出电压端接一个电压比较器，利用电压的大小关系实现报警功能。 （5）报警设备用一个发光二极管来充当2.3. 水温测量仪各部分的参数设计 2.3.1集成温度传感器AD590图1 AD590的外形电路 图2 集成温度传感器电路符合 图2-1 集成温度传感器AD590AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器，如图2-1所示。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的 特性。即使电源在515V之间变化，其电流只是在1A以下作微小变化。其主要参数如表2-1所示： 表 2-1 AD590参数表工作电压430V反向电压20V工作温度55150焊接温度（10秒）300保存温度65175灵敏度1AK正向电压44V AD590输出阻抗达10M，转换当量为1A/K。温度电压转换电路如图 2-2所示： 图 2-2 温度电压转换电路温度电压转换分析：如图 2-2所示，当将AD590置于水中时，根据水温多少将提供恒流，方向如图所示。由于在Uo输出端接一电压跟随器从而增大输入阻抗，电流几乎全部流经电阻Ro。由AD590转换当量可知： U1=Uo=1A/KR=R10-6/K (2.4.1)在实际应用中可取R=10K，则: U1=10mV/K (2.4.2)这样可以实现温度电压的转换，取的所需电压。2.3.2 K变换 实现温度电压转换后，不能直接测量，仍需将绝对温度转换为摄氏度，即实现K变换。绝对温度（T）与摄氏度（t）之间的关系为： T=t+273k （2.4.3）由式 （2.4.2）与式 （2.4.3）可知要实现K变换，必有： Uo=10mV/K2.73V （2.4.4）该变换可用一个差分式减法器实现，如图2-3所示：差分式减法器分析：在理想运放的情况下，利用虚短与虚断。有如下关系： = (2.4.5)及 = (2.4.6) 解式（2.4.5）与式（2.4.6）得：U2=( )( )U1 Uref （2.4.7）(1.3.5)所以，只要选取合适的R1,R2,R3,R4值，便可满足所需要求。如取R4/R2=R3/R1,则有下式： U2 = （U1-Uref） (2.4.8)图 2-3差分式减法器2.3.3 电压的放大由式2.4.8知选择R4与R2的值可以实现电压放大功能，此时取R4=R3=100K，R1=R2=10K，此时有： U=10（U1-Uf） (2.4.9)由上式可知温度与电压之间的关系：U=0.1V/ （2.4.10）将放大后的电压接直流电压表，即可直接读的温度值,如:将AD590放入20的水中，可读得电压表的值为2V。2.3.4 比较器电压比较器是集成运放非线性应用电路,常用于各种电子设备中.它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。图2-4(a)所示为一最简单的电压比较器，UR为参考电压，加在运放的同相的输入端，输入电压ui加在反相的输入端。 (a)简单的电压比较器 (b) 电压比较器的传输特性 图 2-4 电压比较器原理原理图图2-4 (b)所示为其传输特性。当UiUR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压UZ，即UoUZ。当uiUR时，运放输出低电平，DZ正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD，即 UoUD。因此，以UR为界，当输入电压ui变化时，输出端反映出两种状态，高电位和低电位。以上介绍的是最简单的电压比较器原理。比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。图2-3 由运算放大器组成的差分放大器电路,RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2短 路)，R3=RF=(相当于R3、RF开路)时，Vout=。增益成为无穷大，其电路图就形成图 2-5的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。因此为了实现报警功能，可在输出电压端接一个电压比较器，利用电压的大小关系起到报警作用。 图2.6.6图2-5 在实例中采用图2-6比较器。其中电阻参数取：R7=R8=10K，R9=1K，在图 2-6所示VCC3为报警时的温度设定电压。R7，R8用于稳定输入电压，决定了系统的精度。而R9用于报警设备的输入电阻，用于控制输入电流的大小。 图2-6 水温测量仪电压比较器电路2.3.5 报警设备LED发光二极管（见下图2-7）：报警设备可用一个发光二极管来充当，发光二极管LED，它是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写。发光二极管发热量小，耗电少。发光二极管有很多优势：1. 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。 2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80% 3. 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50% 5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级 6. 对环境污染：无有害金属汞 报警分析： 当加与U2端的电压大于设定温度Uref时，U3有了正向输出，二极管LED导通，发光，报警完成。图2-7 发光二极管2.4 水温测量仪工作过程将上述器件加以组合得到图2-8所示：水温测量过程及报警分析：将AD590放入水中，将会产生相应大小的电流，电流经过Ro，在Ro两端产生电压，进而由一个运放组成的电压跟随器输出。然而经过绝对温度与电压的转换后还需要变换为摄氏度与电压的关系。于是在电压跟随器后接一个差分减法器以达目的，即减去一个2.73V的电压。可以利用稳压管和运放电路来提供所需要的2.73V电压。如图2-8所示。取Ri=500K，D1的稳压Uad1为2V。运放F2与R5,R6组成同向放大器。由虚断，虚短可得：Uref = （1+ ）Uad1 (2.5.1)所以，可以取R6=3.6K,R5=10K，此时Uref=2.73V。之后可将电压跟随器的输出电压与上式所求得的电压接至差分减法器的两端。在减法器（放大器）作用之后，我们获得电压与温度的直接关系。在U2端接一电压表，即可读的温度值。比如水的温度为12，则电压表的示数为1.2V。完成了电压的读取，还需进行电压比较以达到报警的目的。在前面已经讨论了比较器的原理。设计所要求的报警温度为50，即比较电压为5V。所以应该在比较器比较端VCC3接5V的恒压源。当输出电压U25V时，U35V时，U30。此时二极管导通, LED发光。报警过程完成。在实际应用中，我们取VCC1=12V。图2-8水温测量仪原理图第三章 水温测量仪的仿真3.1. 仿真电路的建立与测试我们用EWB建立电路模型，由于没有AD590，我们可以利用一个恒流源代替AD590提供电流，比拟温度的采样。被减电压2.73V我用了一个2.73V的电池来代替。设置好电路以后，我们开始仿真。由于我们用了一个恒流源代替了AD590，即用电流源比作电压的获得。1，取电流源电流值为322uA，即绝对温度322K，转换为摄氏度为49。电压表读值为4.9V。可见与理论值相同，此时温度比50摄氏度小。比较器输出为负值。二极管不导通。图中二极管未发光（双箭头所示）。2，取电流源电流值为323uA，即绝对温度323K，转换为摄氏度为50.电压表为5V。与理论相同，由于温度等于50摄氏度，电压U2=VCC3.比较器输出为零，二极管不导通，图中二极管不发光（双箭头所示）。3，取电流源电流值为323.1uA，即绝对温度323.1K，转换为摄氏度为50.1。电压表读数值为5.01V。与理论值相同，此时温度比50摄氏度大。比较器输出为正值。二极管导通，图中二极管发光（双箭头所示）。由此可见理论值与实际值符合得很好。温度能够测得。电路模型如图3-1，图3-2，图3-3所示。图3-1 水温测量仪EWB仿真1 图3-2 水温测量仪EWB仿真2图3-3 水温测量仪EWB仿真33.2. 调试与误差分析 1）调试1、在温度30摄氏度下进行，电压表读数为3V，此时报警电路发光二极管不亮；2、把AD590和温度计同时放在电吹风机下，使得温度慢慢升高，当温度计读数为50摄氏度时，电压表读数为5V，此时报警电路发光二极管仍然不亮；3、继续对AD590和温度计进行加热，当温度计读数大于50摄氏度时，电压表读数也大于5V，此时报警电路发光二极管发光；随着温度的升高，电压表读数继续增大，发光二极管一直发光。调试结束。2）误差分析综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:a、 元件本身存在误差；b、 万用表本身的准确度而造成的系统误差；c、 读数误差。 结束语 经过长时间的努力，我们终于完成了水温测量仪的课程设计。此次课题设计让我学到了很多，感觉相当有意义！在设计水温测量仪的时候，我采用了化整为零，专个研究，逐个击破。然后把器件组合成完整的电路。在讨论电压比较器时，我明白了运放组成比较器的基本原理。我不仅把设计当作任务，也当作一种兴趣，对于所有的课题都有向往之情。但课程设计的书写格式让我很无力，用乐儿好长时间改了又改，感觉基本符合要求了。我们要感谢老师，是你们给我们注入了知识，给了我们一些课题上的建议，指出设计中的不妥之处，感触良多。课程设计拉近了书本与现实的距离。期待未来的挑战，想要感受更多的科技力量。设计时我用的运放都是理想的，所以实际测量值可能有些偏差，我们可以适当调节电阻大小来平衡误差。在试验的调试上还要做很多努力。 参考文献 1.童诗白模拟电子技术基础（第四版）M.高等教育出版社.2006-5. 2.邱关源电路（第五版）M高等教育出版社2006-05 3.阎石.数字电子技术基础（第五版）M.高等教育出版社.2006-5. 4.何希才传感器及其应用电路M电子工业出版社2001-03-01 5.蔡明生.电子设计M，高等教育出版社，2003. 6 刘朝英，宋哲英,宋雪玲.MATLAB在模糊控制系统中的应用J.计算机仿真,2001.18. 7康华光电子技术基础（模拟部分）（第五版）M高等教育出版社. 2006-01 8.梁延贵，王裕琛。集成运算放大器电压比较器（分册）M北京：科学技术文献出版社，2006. 9.郭培源.电子电路及电子元件M北京：高等教育出版社，2000. 10彭介华电子技术课程设计指导北京：高等教育出版社，1997. 附 录各种元件列表：表6.1电阻RRo10 KR110 KR210 KR3100 KR4100 KR510 KR63.6 KR710 KR810 KR91KRi500 K稳压二极管1WD1稳压值2V发光二极管LED1N5819集成运算放大器uA7414个电压表数字电压显示AD590温度传感器直流电压源VCC1电压值12VVCC3电压值5V7、答辩记录及评分表 课题名称水温测量仪答辩教师（职称）倪琳 答辩时间20112012 学年第 二学期 第 13周答辩记录答辩记录问1.温度传感器电路的作用？（王高登） 答：温度传感电路的作用是为了对温度进行测量、控制并显示，首先必须将温度的度数（非电量）转换成电量，然后采用电子电路实现题目要求。此处利用AD590集成模拟温度传感器对被测对象进行水温测量并进行温度电流变换，将温度变化转成相应的电信号。问：2.报警为何选LED而不选蜂鸣器？（ 甘超 ） 答：（1）二极管发热量小，耗电少； （2）使用低压电源更安全； （3）体积小适合各种环境； （4）稳定性强，不易出错 （5）耗能少 （6）响应时间纳米级，反应迅速