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温度频率变换器电路设计摘要: 在一些通讯网络中，往往需要把温度转化成频率信号，然后将频率输出。下面便是实现这一功能的设计思路。 温度传感器LM35将其接收到的温度信号转换成电压信号输出。然后通过一个LM331，将其接收到的从LM35输出的电压信号转换成频率信号后输出，其输出频率可通过下面的公式进行计算：fOUT=0.01TRs/（2.09RLR6Ct） 该设计的电路中的电位器Rs是用来调节LM331的输出，即本电路可通过调节Rs来调整其温度与频率的转换系数，这样我们可以调节其分辨率。 该设计具有以下特点：结构简单、成本低；低发热，在静止空气中，自身发热（LM35）小于0.008；3非线性误差极小，精度高。关键字：温度、频率、信号Abstract：In some net of telecommunication, we ofter need tansform to, and then output it. Follow is train of thought on how to realize it. temperature pickup LM35 tansform temperature to the of voltage and ouput it, then let the signal throng an chip of LM331,which can tansform voltage signal to signal, we can calculate the signal by follow formula:fOUT=0.01TRs/（2.09RLR6Ct） In the circuit of this design, regulation resistance Rs is used to adjust the output of LM331, in other words, we can change the coefficient between telecommunication and frequency, so we can regulate its resolution. Follow is characteristic on the design: fristly, the struction of design is very simple; secondly, it emit little heat, in the still air, LM331 just emit heat under 0.008;thirdly,the error of nonlinearity is very tiny, its precision very well.key words：telecommunication、frequency、signal目录1.系统方案设计3 1.1方案一：用热敏电阻和电压频率转换器31.1.1方案的设计31.1.2对系统方案进行分析 31.2方案二：使用温度传感器和电压频率转换器41.2.1方案的构思41.2.2对系统方方案进行分析41.3方案的选择52.单元电路的设计52.1主要电路的设计52.1.1元器件的选择52.1.2电路的设计82.2使用8031将频率信号数字显示92.3直流稳压电路的设计92.4系统的总电路113系统的计算、评价及心得体会113.1参数的计算113.2系统的评价123.3.心得体会124.参考文献135.附录131系统方案设计在一些通讯网络中，往往需要把温度转化成频率信号，然后将频率输出。设计一个温度频率转换器，工作温度为0100，工作电压为220V交流电，输出的频率信号与摄氏温度的特性曲线是一条通过原点的直线，要求其精度比较高，并且能数字显示出来。1.1方案一：用热敏电阻和电压频率转换器1.1.1方案的设计由于在市场上已有电压频率转换器的集成芯片，它可以将电压信号转换为频率信号，且该芯片的价格比较低，所以我们只需要将温度信号转换为电压信号，再通过电压频率转换器来将电压转换为频率信号。将PTC热敏电阻代替微分电路中的电容，可将温度信号转换为电压信号Vo，再把输出端Vo信号输入到电压频率转换器VFC，将电压信号转化为频率信号。电路图如下：1.1.2对系统方案进行分析PTC热敏电阻的电阻温度特性曲线如下：在0100，PTC热敏电阻的阻值与其工作环境温度近似线性关系， PTC热敏电阻的阻值为（1）该设计的优点该方案虽然电路非常简单，很容易制作。（2）该设计的缺点但PTC热敏电阻的阻值与其工作环境温度的线性关系不是很好，如果将Vo与t看作线性关系，其存在一定的偏差，该偏差经过电压频率转换器VFC会被放大，造成系统的精确度不高。如果不将其看作线性关系，则需要进行非线性校准，那电路将会比较复杂。1.2方案二：使用温度传感器和电压频率转换器1.2.1方案的构思由于热敏电阻的电阻与温度的关系不是很好的线性关系，使得设计的误差较大、精确度不高，为克服这一问题，方案二使用温度传感器来实现温度电压的转换，因为温度传感器输出的电压信号与温度有很好的线性关系，后面的过程与方案一一样，即通过温度传感器将温度信号转换为电压信号，在将电压信号经过电压频率转换器LM331将电压信号转换为频率信号，从而实现温度频率转换。系统工作流程图如下：温度传感器温度信号电压频率转换器电压信号频率信号1.2.2对系统方方案进行分析LM35输出电压与摄氏温度呈线性关系，转换公式为：Vout LM35=10mV/T当温度为0时输出为0V，每升高1，输出电压增加10mV。在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可達到1/4的准确率。 LM35输出电压与温度的特性曲线如下：1.3方案的选择方案一由于热敏电阻的阻值与温度线性关系不好，要使系统比较精确，必须要进行校准，这样，电路会变得非常复杂，此方案不可取。如果不进行线性校准，则所设计的系统的精度不高。方案二是由集成的温度传感器LM35来完成温度电压的转换， LM35系列是精密集成电路温度传感器，其输出的电压线性地与摄氏温度成正比。因此，LM35比按绝对温标校准的线性温度传感器优越得多。LM35系列传感器生产制作时已经过校准，输出电压与摄氏温度一一对应，使用极为方便。灵敏度为10.0mV/，精度在0.4至0.8（-55至+150温度范围内），重复性好，低输出阻抗，线性输出和内部精密校准使其与读出或控制电路接口简单和方便，可单电源和正负电源工作。基于集成温度传感器的线性好、精度适中、灵敏度高、使用方便等特点，本系统采用LM35 系列集成温度传感器。它测量的温度误差小、价格低、响应速度较快、传输距离比较远、体积小、微功耗等，适合对某样品测温、控温，LM35 重要的特点是被测温度与输出电压的线性关系很好，不需要进行非线性校准，而且它内部电路已校准，在精度、反应时间、线性方面均满足系统要求。2单元电路的设计2.1主要电路的设计2.1.1元器件的选择（1）温度传感器的选择在自动控制、机电整合的应用中，温度的测量为常见的需求，感测温度的產品有多种型态，依特性可概分为膨胀变化型、颜色变化型、电阻变化型、电流变化型、电压变化型、频率变化型等，常见的电压变化型的温度传感器有LM35、LM335，其不同点为 LM35 之输出电压是与摄氏温标呈线性关係，而 LM335 则是与凯氏温标呈线性关系。由于摄氏温标较常使用，因此本方案是的温度传感器LM35。LM35温度传感器 LM35是NS公司生产的集成电路温度传感器系列产品之一，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。因而，从使用角度来说， LM35与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处，LM35无需外部校准或微调，可以提供1/4的常用的室温精度。 工作电压：直流430V； 工作电流：小于133A 输出电压：+6V-1.0V 输出阻抗：1mA负载时0.1； 精度：0.5精度（在+25时）；工作电流仅仅在 60uA 左右，保证了其自身的发热非常微小，在某些需要较高测量要求的场合，选择LM35 集成温度传感器将是比较合适和经济的。； 比例因数：线性+10.0mV/； 非线性值：1/4； 校准方式：直接用摄氏温度校准；封装：密封TO-46晶体管封装或塑料TO-92晶体管封装； 使用温度范围：-55+150额定范围（符合题目的要求0100）。引脚介绍： 正电源Vs；输出VOUT；输出地/电源地GND。（2）电压频率转换器VFC的选择 市场上有很多集成的VFC芯片可供选择，如通用型VFC器件有LM131、LM231、LM331、RC4151等，这些器件在使用时只需要少量外接原件，接口简单而且便于实现隔离，而且具有很好的变换精度和线性度，有的器件还设有短路保护等功能。LM331价格低廉且转换精度高，在智能化测量控制仪表中使用较为广泛。LM331使用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4V的电源电压下都有极高的转换精度。它的输出可驱动3个TTL负载，高压输出可达40V，并且可以防止VCC短路。LM331的主要性能特点如下：（1） 满量程频率范围为1HZ100KHZ；（2） 最大非线性度为0.01%；（3） 脉冲输出与所有逻辑形式兼容；（4） 最佳的温度稳定性，最大值为50ppm/；（5） 可在双电源或单电源下工作；（6） 功耗低，5V下典型值为15mW；（7） 具有电源电压输出短路保护；（8） 价格低廉。图3.40为LM331的引脚排列图。各引脚的功能如下：VCC：接地端。LOUT；精密电流源输出。RC：定时比较其输入端，此端接一电阻Rt到VCC，接一电容Ct到地。VIN和VX：比较器的两个输入端，Vin为输入电压引脚，VX为比较阀值电压输入引脚。Vx通常与精密电流源输出端相连，并外接串联电阻Rl和电容Cl到地，利用其产生的滞后效应改善线性度。RS：输出调节，该脚可接一可变电阻，通过改变基准电流来调节增益偏差，以校正输出频率。FOUT：频率输出引脚，为集电极开路输出，必须外接一上拉电阻（10K），所加电压应与后级电平一致，如接单片机8031的T0或T1，则电压应为+5V。LM331的输出频率与输入电压的关系为：fOUT=VINRs/（2.09RLRtCt）当R6=6.8K，RL=100K，RS=14.212k,Ct=0.01F时，010V的输入电压对应的输出频率为010KHz。图一、LM331逻辑框图如下：图二、电压-频率转换LM331电路图2是我们常用的一种压频转换电路，按照图2设计电路,LM331采用单电源供电，电源电压VCC，模拟信号 的输入范围-VCC0V,频率范围为1500KHZ，非线性低于0.01。模拟信号 经积分器LF356积分处理后,在INPUT端变成与输入电压 成正比的稳定电流输入,通过LM331芯片进行V/F转换后,变成与电压成正比的频率信号,FOUT端输出的频率信号送到计算机的计数/定时端口,计算机对频率信号进行采集、处理、存储。从而实现模拟信号到数字信号的转换。由于LM331的转换线性度直接影响转换结果的准确性，而通常引起V/F转换产生非线性误差的原因是引脚1的输出阻抗，它使输出电流随输入电压的变化而变化，因而影响转换精度，为克服此缺点，高精度V/F转换器在1脚和7脚间加入了一个积分器，这个积分器是由常规运放LF356和积分电容C4构成的反积分器。加上积分电路后，由于电流源（1引脚）总是保持地电位，电压不随 或FOUT变化，因此有很高的线性度。2.1.2电路的设计根据各芯片的性能、要求和引脚功能，设计如右所示的电路，在该电路中VCC为电路提供+6V的稳压电源，LM35的GND端接地，VS端接直流稳压电源VCC，OUT端输出电压信号。LM331的8脚即VCC端接直流稳定电源，7脚即VIN端接100K的电阻到LM35的OUT端5脚即RC端接R6=6.8K的电阻到直流稳压电源，4脚即GND端直接接接地，3脚即fOUT端为频率输出端，2脚即RS端接定值电阻R5=3K和滑动变阻器R3，串联一个定值电阻是因为调节RS的大小可以调节系统的分辨率的，为了防止RS被调为0，如果RS被调为0，LM331的fOUT端的输出为0，即，fOUT端没有频率输出，通过此电路中的LM35将温度信号转换为电压信号，并通过输出Vout端将电压信号经R2输入到LM331芯片中，LM331将电压信号转换为频率信号。2.2使用8031将频率信号数字显示下图所示为LM331与单片机8031组成A/D转换器的接口电路。用8031内部TO作定时器，T1作计数器，将LM331的频率输出端通过一个启动同步接口接到8031的T1端。单片机8031采用6MHz的晶振，T0工作于方式1时，其最大的定时时间为65.536ms，若要求更长的定时时间，可利用T0产生溢出中断，再用片内RAM单元作软件计数器对溢出中断计数，扩展定时时间。用LM331于单片机8031结合组成A/D转换器时，其最大计数脉冲数和定时器的定时时间取决于系统所要求的分辨率。如要求分辨率为12为，则脉冲数为4096个，因LM331的最大工作频率为100KHz，其脉冲周期为10S，所以定时时间为10S4096=40.96ms。以此类推，可算出13位分辨率时，定时时间为81.92ms，14位分辨率时，定时时间为163.84ms；15位分辨率时，定时时间为327.68ms；16位分辨率时，定时时间为655.36ms。要求的分辨率越高则定时时间越长，转换的速度也就越慢，因此对分辨率的选取要根据需要和采样速度决定。2.3直流稳压电路的设计因为LM35和LM331都要在电压为6V的稳定的直流电源下工作，为了使设计更加完美，使其能在220V交流电下工作，在设计中加了直流稳压电路，随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。由于稳压器件具有体积小，外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性强的优点，因此在各种电子设备中应用十分广泛，基本取代了由分离原件构成的稳压电路。集成稳压器的种类很多，应根据设备对直流电源的要求进行选择，对于大多数电子一起、设备和电子电路来说，通常是选择串联线性集成稳压器。而在这类型的器件中，又以三端式稳压器应用最为广泛。本设计用三端式稳压器W7800设计了稳压电路为LM35和LM331提供稳压电源， W7800三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调节，输出的是正极性电压，一般有5V，6 V，9 V，12 V，18 V和24V七个档位，输出电流最大可达1.5A（加散热片），同类型78系列稳压器的输出电流为0.5A。左图是W7800系列稳压器的接线图。它有三个引出端：1） 输出端（不稳定电压输入端）：标以“1”2） 输出端（稳定电压输出端）：标以“3”3） 公共端：标以“2”W7800的主要参数有：输出电压为+5V，电压的调整率为10mV/V输出电阻为0.15，输入电压的范围为79V，一般Ui要比Uo大13V才能保证稳压器工作在线性区。下图为用三端式稳压器W7800构成的单电源电压输出串联型稳压电源的电路图。其中整流部分采用四个二极管组成的桥式整流器成品（又称桥堆），型号为2W06（或KBP306），当稳压二极管Dw两端的电压高于9V时，其导通，使得其两端的电压在9V以下，使W7800工作的线性区，滤波电容C2、C4一般选取为几百至几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容C3（数值为0.33微法），以抵消输入端的高频信号，以改善电路的暂态响应。2.4系统的总电路将该稳压电路和主干电路以及数字显示电路三个电路进行合并为总电路，直流稳压电路为主干电路和数字显示电路提供稳压电源，使其能够在220V的交流电下工作，数字显示电路将LM331输出的频率信号数字显示出来。各自发挥其功能，完成温度频率转换并数字显示出来，合并后的总电路的电路图如下：3系统的计算、评价及心得体会3.1参数的计算 由LM35的比例因数：线性+10.0mV/，可得LM35的输出电压Vout LM35与温度T的关系为：Vout LM35=10mV/T又由LM331的输出频率与输入电压的关系为：fOUT=VINRs/（2.09RLR6Ct） 而上式中的Vout LM35和VIN是相等的，即：Vout LM35=VIN联立二式得：fOUT=0.01TRs/（2.09RLR6Ct） 式中的R6=6.8K，RL=100K，RS=R5+R3,Ct=0.01F即 fOUT=0.01TRs/14.212当R3=12.212K,即，RS=14.212 K时，fOUT=10Hz/T3.2系统的评价 该系统能在220V的交流电工作，使用起来非常方便，且其能数字显示，输出结果一目了然。本系统用了三个集成元件，外电路很少，制作起来非常简单。另外在计算方面也非常简单，可以通过调节Rs的大小，就可以调节电压频率转换的比例，从而可以调节温度频率转换器的转换比，由上面的计算公式可以看出当R3=12.212K,即，RS=14.212 K时，系统的转换比为10 Hz/，另外在LM35集成芯片中有线性校准部分，所以系统的误差很小，转换精度极高。转换精度是指转换结果相对于实际值的偏差。由于温度频率转换器中受到电路元件参数误差、基准电压不稳和运算放大器的零漂等因素的影响，温度频率转换器实际输出与理想值之间存在误差，因而，将这些误差的最大值定义为转换精度。转换误差有比例系数误差、失调误差和非线性误差等，LM35的非线性值只有1/4，具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，LM331使用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4V的电源电压下都有极高的转换精度，所以该系统的转换精度非常高。3.3心得体会在这次这学期的电子技术课程设计中，我学到了很多设计电路的基本知识和方法，加深了我们对电子技术的认识。刚开始，我对我的课题温度频率转换器的设计很茫然，不知从何下手，我去图书管和网上查阅了很多资料，发现有关于电压频率转换器VCF的集成芯片的介绍，我想，只要实现温度电压的转换，再将输出电压接入到电压频率转换器VCF中，就可以实现温度频率的转换，正是沿着这个思路，我完成了我的设计，另外，在元器件的选择方面，我在网上搜索了许多同类型的芯片进行比较，选择最优的元器件，在此过程，我查了很多的资料，了解了很多的芯片优缺点，如：电压频率转换器VCF的种类有很多种，如LM131、LM231、LM331等，由于LM331价格低廉且转换精度高，所以我选择了LM331。短短的两周电子技术课程设计结束了，由于时间的关系我们没有去做PCB板，真是非常遗憾，不过我在这两周所学到的知识远比课堂上有用得多，在课堂上我们只是去分析别人已经设计好的电路，而让自己去设计一个电路来完成某项功能的机会几乎没有。而在这两周的课程设计中，需要我自己去设计电路，自己去选择元器件，自己去解决设计中遇到的问题，自己去完成设计的每一项任务。这门课对我的帮助很大，现在的学生的创新设计能力一般都比较差，而这门课正好锻炼了我们的创新设计能力，大大的提高了我们的独立思考能力，让我们自己运用所学知识去解决一个实际问题，理论联系实际。这对我们将来参加工作大有裨益。只是时间太短，我学到的太少。4参考文献1韩同平 电子电工实验与计算机仿真 电子工业出版社 邹其洪 黄智伟 高嵩等 2005年 第283页第284页2李刚 电子技术基础数字部分 高等教育出版社 康华光 邹寿彬 秦臻 2006年 第431页第459页3王颖 集成电路原理及应用 电子工业出版社 谭博学 苗汇静 2003年9月 第114页第152页 第209页第216页4郭洁 电子电路实验及仿真 清华大学出版社、北方交通大学出版社 路勇 高文焕 2004年1月 第149页第154页5高分子PTC热敏电阻在工频变压器中的应用概述 /application/gongpingbianya.pdf6LM331在A/D转换电路中的应用 /data/html/2007-4-18/12592.html7 温度传感器LM35的介绍 /blog/u/48/1167314351.pdf5附录：附录一：.总电路的设计与说明说明书：由于温度传感器LM35要采集周围的温度信号，而其他元件或多或少受温度变化的影响带来误差，这样对精度有一定的影响，为了保证更高的精度，在制作电路时，将LM35与其他元器件隔开，采取一些措施确保其他器件的温度变化尽可能的少，另外，在使用的过程中也应当特别注意这一问题。附录二：元器件列表：一个单片机8031；两个清零触发器；两个与门；集成稳压器：（W7800参数：输出电压为+5V，电压的调整率为10mV/V输出电阻为0.15，输入电压的范围为79