数字温度计课程设计..

课程设计 论文 题 目 名 称 数字温度计 课 程 名 称 电子技术课程设计 学 生 姓 名 学 号 系 专 业 指 导 教 师 2011 年 12 月 16 日 摘要 温度计是工农业生产及科学研究中最常用的测量仪表 使用温度 测量仪 首先经过 AD590 集成温度传感器的作用 使外界温度转换 为电流用表示 因为上述为绝对温度 K 和电流之间的转换关系 而 在设计中我们需要采用 所以我们必须使其转换成摄氏温度 和 电流之间的关系 这就要用到 K 变换器 通过 K 变换器的作 用 我们便得到想要的 和电流之间的直接转换关系 得到的电流 再经过放大器的放大 即可直接用电压表读出被测对象的温度值 然后放大后的电压接一比较器 比较器的输出端接报警设备 报警 设备可由一个发光二极管组成 在设置了预警温度后 由比较器输 出端的电压决定二极管是否发光 从而起到警报作用 经 TC7017AD 转换后 再通过数码管显示 关键词 AD590 放大器 TC7107 数码管 目录 摘要 1 系统总体设计 1 1 1 总体方案设计 1 1 2 系统原理框图及电路图 1 2 系统详细设计 2 2 1 温度传感器 2 2 2 转换与放大电路 3 2 2 1 K C 转换电路 3 2 2 2 放大器 4 2 2 3 比较器 4 2 2 4 报警设备 5 2 2 5 电路原理图 5 2 3 A D 转换电路 6 2 4 数码管显示 10 3 仿真与调试 11 3 1 电路的仿真 11 3 2 仿真结论 13 4 总结 13 附录 元件清单 14 参考文献 15 1 系统总体设计 1 1 总体方案设计 图1所示为数字温度计的原理框图 其工作原理是将被测的温度信号通过 传感器转换成温度变化的电压信号 此电压信号经过放大电路后 通过模 数转 换器把模拟量转变成数字量 最后将数字量送显示电路 用4位LED数码管显示 图 1 1 1 2 系统原理框图及电路图 图 1 2 整体原理图 传感 器 放大 器 A D 装换 显示 电路 2 系统详细设计 2 12 1 温度温度传感器传感器 此电路是基于模拟 AD590 设计的 它是利用 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 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 5 15V 之间变化 其电流只是在 1 A 以下作微小变化 1 流过器件的电流 A 等于器件所处环境的热力学温度 开尔文 度数 2 可测量范围 55 至 150 3 供电电压范围 4V 至 30V AD590 集成温度传感器进行温度 电流转换 它是一种电流型二端器件 其内部已作修正 具有良好的互换性和线性 有消除电源波动的特性 输出阻 抗达 10M 转换当量为 器件采用 B 1 型金属壳封装 KA 1 温度 电压变换电路如图 2 2 所示 由图可得 由 R 一般取10K 6 1 1 10 O UUuA KRRK 所以 110 UmVK 图 2 1 AD590 原件符号 图 2 2 温度 电压转换电路 2 2 转换与放大电路 2 2 12 2 1 K K 变换器变换器 因为 AD590 的温控电流值是对应绝对温度 K 而在设计中需要采用 由 运放组成的加法器可以实现这一转换 参考电路如下图 2 3 图 2 3 K 变换电路 设流经 R2 R1 R3 的电流分别为 1 2 3i i i 对图 2 3 的反相输入节点可列出下面的方程 123iii 若 实际应用中可取 R1 R2 R3 5 K 123RRR 而 计算得 123 RRRR 1 67RK 则式 2 3 1 可变为 2 3 2 21RUUU 元件参数的确定和 UR选取的指导思想是 0 即 273K 时 U2 0 V 综合式 2 2 1 可得 2 3 3 2 73RUV 2 2 22 2 2 放大器放大器 图 2 4 反相比例放大器 设流经 R4 R6 的电流分别为 i4 i6 由虚断的概念可知 i4 i6 为了提供一个合适的静态偏置 故在其同向端接入一个平衡电阻 2 4 2 546 RRR 要使 U3 满足 100mV 又因为 U2 10mV 所以我们可取 4 5RK 6 50RK 5 4 5RK 2 2 32 2 3 比较器比较器 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 图 2 5 电压比较器 由电压比较器组成 如图 2 5 所示 Uref为报警时温度设定电压 5V R7 R8 用于稳定输入电压 R9用于改善比较器的迟滞特性 R10 用于报警设备的输入 电阻 用来控制输入电流的大小 这些电阻决定了系统的精度 由比较器的虚短和虚断概念得经过调试 可取 750R 850R 910RK 2 2 42 2 4 报警设备报警设备 发光二极管为其核心设备 其发热量小 耗电量也少 节能 由低压电源供 给 供电电压大大约为 6 24 V 之间 当的值小于的值时 输出为低电平 三极管截止 发光二极管无3UrefU4U 响应 当的电压值大于时 输出为高电平 三极管导通 此时发光二极4UrefU4U 管发光 产生警报 图 2 6 发光二极管 图 2 7 报警设备电路 2 2 52 2 5 电路原理图电路原理图 由上述各设计电路可得出如图 2 8 所示电路原理图 图图 2 82 8 转换与放大电路转换与放大电路 2 32 3 A DA D 转换电路转换电路 TC7107 是一种高性能 低功耗的三位半 A D 转换器 同时包含有七段译 码器 显示驱动器 参考源和时钟系统 TC7107 可直接驱动共阳极 LED 数码 管 TC7107 将高精度 通用性和真正的低成本很好的结合在一起 它有低于 10uV 的自动校零功能 零漂小于 1uV 低于 10pA 的输入电流 极性转换误 差小于一个字 真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用 在用于 测量负载单元 压力规管和其它桥式传感器时会有更突出的特点 TC7107 的特点 1 保持零电平输入时 各量程的读值均为零 2 1pA 典型输入电流 3 很低的噪声 小于 15Vp p 4 片上自带时钟 5 低功耗 6 不需外接有源电路 7 真正的差动输入和差动参考电源 直接 LCD 显示驱动 TC7107 的 A D 转换及数字显示图的部分电路原理图如下 图 2 9 TC7107 数字部分框图 TC7107 转化器原理图如图 2 9 所示 其中计数器对反向积分过程的时钟脉 冲进行计数 控制逻辑包括分频器 译码器 相位驱动器 控制器和锁存器 驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动 相应笔画的方波 图 2 10 TC7107 转化器原理图 控制器的作用有三个 第一 识别积分器的工作状态 适时发出控制信号 使各模拟开关接通 或断开 A D 转换器能循环进行 第二 识别输入电压极性 控制 LED 数码管的负号显示 第三 当输入电压超量限时发出溢出信号 使千位显示 1 其余码全 部熄灭 钓锁存器用来存放 A D 转换的结果 锁存器的输出经译码器后驱动 LED 它的每个测量周期自动调零 AZ 信号积分 INT 和反向积分 DE 三个阶段 双积分型 A D 转换器的电压波形图如图 2 11 所示 图 2 11 双积分型 A D 转换器的电压波形图 TC7107AD 转换器的管脚排列及其各管脚功能如图 2 12 所示 图 2 12 TC7107 管脚排列 TC7107 引脚功能 V 和 V 分别为电源的正极和负极 或地 au gu aT gT aH gH 分别为个位 十位 百位笔画的驱动信号 依次 接个位 十位 百位 LED 显示器的相应笔画电极 Bck 千位笔画驱动信号 接千位 LEO 显示器的相应的笔画电极 PM 液晶显示器背面公共电极的驱动端 简称背电极 Oscl OSc3 时钟振荡器的引出端 外接阻容或石英晶体组成的振荡 器 第 38 脚至第 40 脚电容量的选择是根据下列公式来决定 Fosl 0 45 RC COM 模拟信号公共端 简称 模拟地 使 用时一般与输入信号的负端 以及基准电压的负极相连 TEST 测试端 该端经过 500 欧姆电阻接至逻辑电路的公共地 故也称 逻辑地 或 数字地 VREF VREF 基准电压正负端 CREF 外接基准电容端 INT 27 是一个积分电容器 必须选择温度系数小不致使积分器的输入电 压产生漂移现象的元件 IN 和 IN 模拟量输入端 分别接输入信号的正端和负端 AZ 积分器和比较器的反向输入端 接自动调零电容 CAz 如果应用在 200mV 满刻度的场合是使用 0 47 F 而 2V 满刻度是 0 047 F BUF 缓冲放大器输出端 接积分电阻 Rint 其输出级的无功电流 idling current 是 100 A 而缓冲器与积分器能够供给 20 A 的驱动电流 从此脚接 一个 Rint 至积分电容器 其值在满刻度 200mV 时选用 47K 而 2V 满刻度则使 用 470K TC7107 的工作原理 双积分型 A D 转换器 TC7107 是一种间接 A D 转换器 它通过对输入模拟电 压和参考电压分别进行两次积分 将输入电压平均值变换成与之成正比的时间 间隔 然后利用脉冲时间间隔 进而得出相应的数字性输出 838 电子 它的原理性框图如图 2 所示 它包括积分器 比较器 计数器 控制逻辑和时 钟信号源 积分器是 A D 转换器的心脏 在一个测量周期内 积分器先后对输 入信号电压和基准电压进行两次积分 比较器将积分器的输出信号与零电平进 行比较 比较的结果作为数字电路的控制信一号 时钟信号源的标准周期 Tc 作为测量时间间隔的标准时间 它是由内部的两个反向器以及外部的 RC 组成的 其振荡周期 Tc 2RCIn1 5 2 2RC 2 4数码管显示 数码管可以分为共阳极与共阴极两种 共阴极是把所有 LED 的阳极连接到 共同接点 com 而每一 LED 的阴极分别为 a b c d e f g 及 sp 小数点 它的内 部结构图如图 2 13 所示 a G b c d e f g SP 图 2 13 共阳极数码管内部结构 在本次设计当中 由于 TC7107 的特点 它只能驱动共阳极数码管 故我 们要选用共阳极七段数码管 3 仿真与调试 3 1 电路的仿真电路的仿真 仿真电路如图 3 1 3 2 和 3 3 所示 其中 图 3 1 是温度未达警戒线 79 的仿真电路 图 3 2 是温度刚好为 80 的仿真电路 图 3 3 是温度超过警戒线 100 的仿真电路 图 3 1 79 的仿真电路 图 3 2 80 的仿真电路 图 3 3 100 的仿真电路 3 2 仿真结论仿真结论 即仿真所得的实际结果与理论相同 所以 仿真成功 可以通过此装置测 得温度 4 总结 采用 AD590 A D 转换器和数码管 通过温度传感器 AD590 采集到温度 信号 经过放大电路送 A D 转换器 然后直接驱动数码管显示温度 在这次设 计当中 初步了解了 A D 转换器的工作原理以及数码管的连接方法 在这个设计中 信号采集电路和 A D 转换电路比较重要 要对电路中各个 元件数值进行精确的计算 防止电路输出变化太大 对测量不利 课程设计是培养学生综合运用所学知识 发现 提出 分析和解决实际问题 锻炼实践能力的重要环节 是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程 通过 这次电子技术课程设计 让我了解了设计电路的程序 通过本次实验设计电路原 理图 能独立完成电路图的绘制 在设计电路图过程中充分了解各芯片和元器 件的功能作用 通过这次电子技术课程设计 使我对模拟电子技术和数字电子技 术在实践中的应用有了更深刻的理解 通过该课程设计 把死板的课本知识变 得生动有趣 激发了学习的积极性 通过这次学习 让我对各种电路都有了大概的了解 所以说 坐而言不如 立而行 对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解 附录附录 元件清单 实验