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毕业设计论文
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数字电子技术课程设计之温度计,毕业设计论文
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河南理工大学 数电课程设计 - 1 - 数字温度计 数字电子技术课程设计 指导老师： 学 院：电气工程与自动化学院 专 业：电子信息工程 班 级： 姓 名： 学 号： 2007 年 5 月 nts河南理工大学 数电课程设计 - 2 - 数字式温度计 用传统的水银或酒精温度计来测量温度 ,不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一 ,已经不能满足人们在数字化时代的要求 ，本文提出了一种新型的数字式温度测量电路的设计方案。 一、 设计目的 （ 1） 了解大规模专用集成电路的组成； （ 2） 了解半导体温度传感器的工作原理； （ 3） 掌握非电量测量基本原理； （ 4） 了解 A/D 转换的概念； （ 5） 学会基本放大电路的使用以及 调试； （ 6） 掌握利用大规模集成电路设计数字式温度计电路和调试的方法。 二、 设计内容及要求 （ 1） 利用大规模集成电路 ICL7107型三位半 A/D转换器和集成温度传感器AD590 设计一数字式温度计电路； （ 2） 要求温度测量范围为 -55 150 ;显示采用三位半 LED 显示，自动显示正负号；取样速率约为 6 次秒；准确度 1 1 字； （ 3） 工作温度范围 0 40，电源为士 5V，要既可以采用交流，也可采用直流供电； （ 4） 画出电路图，写出完整的报告 (包括电路结构的确定、元件参数的确定 )； （ 5） 用面包板格出电路，并调试之。 三、数字式温度计的组成和工作 原理 这种数字式温度表由温度传感器、 t/V 转换电路、基准电源、三位半数字电压表、电源五个部分组成。 图 1 数字温度计设计框图 1 集 成温度传感器 图 2(a)所示 AD590 是美国生产的集成温度传感器，具有很高准确度。采用Y0-52 封装的 AD590，外形同小功率晶体管相似。第 1 脚为正极第 2 脚为负极第3 脚接管壳，使用时将第 3 脚接地，可起到屏蔽作用。 AD590 的测温范围是 55 150，电源电压范围是 4 30V。当工作电压选 5V、温度保持 125；长期温度漂移仅 1 /月 。 AD590 的图形符号见图 1(b)它等效于 1 个高吸抗的恒流源。在工作电压AD490 温 度 传感器 t/V 转换 电路 显 示 基准 电源 三位半 数 字 电压表 I U nts河南理工大学 数电课程设计 - 3 - 为 1 30V、测温范围是 55 150的范围之内，对应于热力学温度 T 每变化1K，就输出 1A 的电流。在 298 2K 时输出电流恰好为 298 2A (298 2K 对应于 25 2 )，这表明，其输出电流 I（ A）与热力学温度 T(K)严格成正比。电流温度系数的表达式为 8ln3eRkTI 式中 : k 波尔兹曼常数 e 一 电子常量； R 芯片内部的集成电阻。 将KmVek 0862.0， R 538 代入上式中得到： KuATI 000.1图 2 AD590 集成温度传感器 因此，输出电流的微安数就是被测温度的热力学温标数。 AD590 的电流一温度 (I-T)特性如图 1(c)所示。欲显示摄氏温标 ( )，需加温标转换电路 (t T 十 273)，并按摄氏温度进行校准。 图 3 数字温度计电路图 2 t V 转换电路 nts河南理工大学 数电课程设计 - 4 - t V 转换电路的原理如图 3 所示。 MCI403 为能隙基准电源，它输出的 +2.5V基准电压经 R1+RP1 接 AD590 的正极，另外还接至运算放大器的反相输入端；AD590 的负极则接 -5V 稳压电源。 按图所示电路， AD590 的电流表达式为 I=I0+I1 式中， I0 、 I1 分别为通过(R1+RPl)、 (R2+RP2)的电流， RP1和 RP2 均为电位器分别用来校准0、 100的温度。因放大器的外环电压增益 Avo 1，故图中 M 点为虚地。只要 0时调整 RPl，使 I0等于 AD590在该温度下的工作电流值 (此时 I1=0， I=I0) I0 即为恒定值。在测温过程中 I 仅随 I1 而变化。显然，当温度上升到 t 时 Il 会相应增 加到 t 1 000A，使放大器的输出电压为： V。 I1(R2+RP2) 1.000 (R2 十RP2)t (V) 由于 V。与被测摄氏温度 t 呈线性关系从顺实现了 t/V 换，这就是测温电路的基本原理。 设计电路时，让 R2 为固定电阻， RP2 为实芯电位器，通过调整RP2,使 R2+RP2=10k,这样就有： V。 1 000 10k t (V)=1.000 0.01 t (V) 当 t=100 时， V。恰为 1.000V。受 AD590 所限制，所测温度最高只 图 4 ICL7107 引脚图 能达到 150，此时 V。 =1.500V。 t V 转换电路的输出电压 V 送至三位半 A/D 转换器中。 3三位半数字电压表 三位半数字电压表是由 A/D 转换器、段驱功器、位驱动器和 LED 显示器构成。而 ICL7107 是集三位半 A/D 转换器、段驱动器、位驱动器于一身的大规模专用集成电路 ICL7107 管脚排列如图 4 所示。具有以下主要性能特点： 能够直接驱动共阳极 LED 数码管 ,不需另加驱动电路和限流电阻； 采用 5V 双电源供电； 功耗小于 15Mw,最大静态电流为 1. 8mA； 段驱动电流的典型值为 8mA，最小位为 5mA； 显示器可采用 7 段共阳数码管，也可选用四位组合式共阳 LED 显示器。 ICL7107 管脚排列采用双列直佃式塑料封装，共 40 个引脚。各督脚功能如下： nts河南理工大学 数电课程设计 - 5 - +V、 -V 一 分别为电源的止、负极； COM 一 模拟信号的公共端，简称“模拟地”，使用时通常将该端与输入信号的负端、基准电压的负端短接； TEST 一测试端。此端有 2 个功能，第一是作“测试指示”，将它 与 +V 短接后， LED 显承器的全部笔段点亮，应显示出 1888(全亮笔段 )据此可确定显示器有元笔段残缺现象；第二个功能是作为数字地供外部驱动器使用，例如构成小数点驱动电路； al gl、 a2 g2、 a3 g3分别为个位、十位、百位笔段驱动端，依次接 LED 显示器的个、十、百位的相应笔段； bC4 千位 (即最高位，也称 1 2 位 )笔段驱动端接千位 LED 的、 c 段； POL 一负极性指示驱动端接千位 LED 的 g 段； GND 一为数字地，与 37 脚 (TEST)经过内部 500 电阻接通； OSC1 OSC3 时钟振荡器的引出端，与外接叭容元件构成两极反相式阻容加荡器； VREF 基准电压的正端，简称“基准”。通常从内部基准电压源获取所需的基准电压，也可采用外部基准电压，以提高基准电压的稳定性； VREF 一一基准电压的负端，简称“基唯”， CREF 、 CREF 外接基准电容的正、负端： IN 、 IN 模拟电压的输入瑞，分别接被侧直流电压 VIN 正端与负端； CAZ 外接自动调穿电容 CZA 端、该端接芯片内部积分器的反相输入端；缓冲放大器的输出，接积分电阻 RINT； INT 一积分器输门端，技以接积分电容 CINT。 ICL7107内部包括棍拟电路 (即双积分式 D转换器 )和数字电路 2大部分。 ICL7107 的 A D 转换器如图 5 所示。它的每个测量周期分成自动调零、正向积分、反相积分 3 个阶段。自动调零主要是用失调电压对自动凋零电容 CAZ充电，用来补偿缓冲器、积分器、比较器的失调电压，并用基准电压 VREF向基准电容CREF 充电，使之电压被充到 VREF ，为反向积分作准备。正向 积分是把被测电压VIN 经缓冲器和积分电阻送至积分器。积分器使固定时间 T1 内，对 VIN 进行定时积分，而反向积分则是将 CREF已 充好的基准电压按照相反的极性来代替 VIN，进行反向积分、经过时间 T2，积分器的输出又回零，积分电路参数由下式决定： VV INM AXO M AX RCT 1 nts河南理工大学 数电课程设计 - 6 - 式中 ， VOMAX 为积分器不 进入非线性区最大输出， VOMAX=VDD 1.5V（ VDD为电源电压， 1.5V 为考虑模拟地电位、饱和压降等所留的余量）； VINMAX 一一最大允许输入信号，由测量范围决定； T1 为正向固定积分时间， T1=1000TCP，其中 TCP为计数脉冲的周期； 而满量程电压 VM与基准电压 VREF的关系： VM =2VREF 因为最大输入电压为 1.5V，所以选 VREF=1.000 V，则满量程电压 VM 2V， VREF由基准电源 MCI403 产生的 2.5V 经过多圈电位器分压获得。 图 5 ICL7107A/D 转换器 ICL7107 的数字电路如图 6 所水，它是由时钟振荡器、分频器、计数器、锁存器、译码 器、相位驱动器、控制逻辑组成 时钟振荡器由 ICL7107 内部反相器 F1、 F 2，以及外部阻容元件 R、 C 组成，属于两级反相式阻容振荡器，可输出占空比 D 50%的方波。振荡频率与振荡周期的估算公式分别为： f0 RC455.0 ， T0 2.2RC 因完成一次 A D 转换需 16000T0，故采样周期 TT016000，所对应的采样速率为 SR= f0/16000 nts河南理工大学 数电课程设计 - 7 - 图 6 ICL7107 数字电路 通过上式就可确定 R、 C 的数值。由 ICL7107 构成的三位半数字电压表的典型电路如图 7 所示 。 图 7 三位半数字电压表典型电路图 4电源 ICL7107 需 +5V 和 -5V 两组电源供电。由于采用 LED 方式显示，耗电较大，nts河南理工大学 数电课程设计 - 8 - 因此直流电源主要是通过变压器降压、整流滤波、稳压后获得。 为了应急，应考虑电池供电。 四、器件说明 基准电压应采用精密基准电源。分压电路小的电位器与电阻应有相同的温度 系数。电位器应尽量选用多圈电位器或微调可变电位器；电阻血选温度系数小的金属膜电阻；电容应选漏电小、损耗低、容量高、稳定性好、绝缘电阻高、介质吸收效应小的金属化聚丙烯电容。 为便于调换集成电路，应使用 40 脚插座。 LED 显示应选用共阳极。 五、调试要点 电路组装完毕后，首先要测量各点的电压值是否符合设计要求，确认无误后方可插人集成块。 然后将传感器的管帽部分放入 0的冰水中，调节 t V 转换电路中的 RP1，使数字显示为 000 0。而后将传感器的管帽部分故人 100的沸水中，调节 t V 转换电路中的 RP2使显示为 100.0 。反复调节几次，便可使用。 六、心理体会 作为一名电气学院，电子信息工程专业大三的学生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。 在已度过的大二的整个时间里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践面？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计 的过程中，我感触最深的当数查阅大量的资料和设计手册了。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅电气设计手册是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是未来的工程师，我们是在做设计时一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。 作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，本次课程设计要求用 PROTEL 绘制电路图，虽然过去从未独立在具体设计中应用过它，但在设计的过程中带着问题去学我发现效率很高，记得刚开始学 CAD 时觉得好难，我想就是因为我们没有把自己放在使 用者的角度，单单是为了学而学，这样效率当然不会高。边学边用这样才会提高效率，这是我做本次
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