电子技术课程设计报告

电子技术课程设计报告 （电子测温计）姓 名：学 号：专业年级：指导教师：设计时间：目 录第一章 设计任务与要求第二章 设计方案 2.1 温度传感器的选择 2.2 AD转换器TC71072.3数码管的连线第三章 设计原理与电路 3.1设计原理 3.2 使用原件芯片引脚图及功能介绍 3.3 分支电路的设计 3.4 元件参数的选取和计算第四章 电路的组装与调试第五章 设计总结附 录参 考 文 献第一章设计任务与要求要求利用温度传感器制作一个电子测温计第二章 设计方案多数的数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器（如铂电阻，热电偶，半导体，热敏电阻等），将随温度变化而变化的物理参数，如膨胀、电阻、电容、热电动势、磁性、频率、光学特性等通过温度传感器转变成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系，如线性关系，曲线关系等，将电信号经过放大电路放大后使之产生适合模数转换器转换的电信号，再经过模数转换电路即用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，数字信号送给驱动电路输出，然后通过显示单元，如数码管或者LCD等显示出来，这样就完成了数字温度计的基本测温功能。测温电路主要是由温度传感器和与传感器有关的电阻等组成，将温度的变化转换成电流或电压的变化，输出给下一级放大电路；放大电路主要由集成运放及其外接电容、电阻等组成，用以放大由测温电路产生的微弱电信号，使之满足模数转换电路工作需要的电压或电流；模数转换电路由A/D转换器构成，将放大电路输出的模拟电信号转换成能够使驱动电路工作的数字信号；驱动电路由译码器及其外围电路组成，用来驱动数码管或LCD液晶屏等显示器；显示电路由七段数码管或LCD液晶屏构成，用来显示当前所测环境的摄氏温度值。所以整个设计过程可以分为一下几个方面：2.1.温度传感器的选择： 温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，是温度测量仪表的核心部分。按测量方式可以分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器。本次课程设计所采用的是接触式温度传感器中的集成温度传感器。集成温度传感器可以分为模拟式温度传感器和数字式温度传感器。数字式温度传感器是将敏感元件，AD转换但愿和存储器等集成在一个芯片上，直接输出反映被测温度的数字信号，例如DS18B20，可直接达到本次课程设计的要求，操作过于单一，故采用模拟式温度传感器。模拟式温度传感器将驱动电路，信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，具有实际尺寸小，使用方便，灵敏度高，线性度好，响应速度快等优点。常见的模拟式温度传感器可以分为电压输出型和电流输出型。LM3911,LM335,LM35,AD22103,AD590等都是比较常见的模拟温度传感器。在设计过程中采用了两种方案。方案一 LM335LM335是一种精密温度传感器，其反向击穿电压随温度按+10mV/k的规律变化。其主要功能特性如下：1.直接在绝对温标校准 2.1的精确度 3.工作电流400uA5mA4.动态阻抗15.便于校准6.宽工作温度范围2001 7.低成本如图2-1是LM135的内部原理图，V15和V16是感温元件，这两个三极管的物理结构有着特定的要求，V15的发射结面积是V16发射结面积的10倍。它们的集电极负载电阻完全一致，如果流过这两个电阻的电流不同，V15和V16的集电极电压也不同，通过V1V8组成的差分放大器放大，V1的内阻也变化，那么流过Rs的电流也会变化，V+和V-之间的电压亦会改变，这个电压的变化量也就是随温度而变化的。如图2-2为LM335的接入电路，经过实际模拟仿真电路可得以下数据：温度（）输出电压（V）温度（）输出电压（V）00.400.10.500.20.1000.30.1500.40.2000.50.-100.60.-200.70.-300.80.-400.90.-500.100.-1000.200.-1500.300.-2000.由EXCLE可得输出电压与温度的正比例关系，但是由仿真结果（图2-3）来看，输出电压太小，必须经过放大电路，即如下图2-4所示由仿真电路可知，当温度为0时，LM335输出端电压为0.V，经过一个三运放电路，得到运放电路输出端的电压为-3.69252V，经过计算可得，放大倍数大约为1000倍，该放大电路的误差为0.005%。此方案虽然测量精度比较高，但是从LM335的仿真结果来看，温度每变化1时，电压变化大约为0.00001V，以0，1，2为例进行计算，温度（）输出电压（V）00.10.20.从0到1过程中电压实际上变化了0.V，理论上应该改变0.00001V，误差为0.2%。从1到2过程中电压实际上变化了0.V，理论上应该改变0.00001V，误差为0.1%。由于每次温度变化时，输出电压的显示值的误差都有所改变，再加上放大电路所带来的误差，会导致最终输出结果误差不确定，故放弃此方案。方案二 LM35LM35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要优越得多。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10mv/，精度在0.4至0.8，在-55至 150温度范围内，重复性好，地下呼出阻抗，线性输出和内部精密校准使其与独处活控制电路接口简单和方便，可单电源和正负电源工作。其工作特性如下：1. 在摄氏温度下直接校准2.+10mv/D 线性刻度系数3.额定温度范围为-55至 1504.确保0.5的精度（在25）5.适合于远程应用6.工作电压范围宽，4V至30V7.低功耗，小于60uA8.在静止空气中，自热效应低，小于0.08的自热9.输出阻抗，通过1mA电流时仅为0.1欧。如图2-5为LM35作为基本摄氏温度传感器时的电路，将其联入仿真电路时如下。2.2 AD转换器TC7107 AD转换就是模数转换，将模拟信号转换为数字信号。由于温度转换模块选用的是LM35，将温度信号转换为电压信号，则在模数转换模块中要将电压信号通过模数转换器转换成数字信号，之后通过数码管的形式表现出来。TC7107是三位半直接显示驱动模数转换器，三位半的意思是该表有三位可以显示09的数码管，还有一位最高位是只能显示0和1，这个最高位如果是1，后三位是999，那么就是1999，约等于2000。最高位的权重是1000/2000即1/2。三位半数显表是指最大显示数为1999的仪表，“三”是指后面三位能显示完全十进制(09)的数目，“半”是指1999进位后能达到的整数位“2”和首位数“1”即1/2，多用于集成电路ICL7106或7107等专用IC设计。本文介绍的三位半数显表由四个八段数码管组成，用来显示实测温度，从低至高位依次为小数位、个位、十位、符号位。由于TCL7107内部具有译码驱动功能，所以不需另接译码器就能很好的控制LED，以便实时显示温度值。采用LED显示方式，由于其具有亮度高、显示醒目、使用寿命长、方便、价格低廉等优点在工业用仪器仪表中得到广泛应用。其工作特性如下：1. 直接驱动LCD或LED显示屏2. 输入为零时读数为零3. 噪声低，显示稳定4. 自动调零周期免除了调零需要5. 方便的9V电池操作6. 高阻抗CMOS查分输入7. 查分参考输入简化比例测量8. 低功耗运行：10mV如图2-7为TC7107的标准电路。（参数调配会在后面具体描述。）2.3 数码管的连线数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，这两种都是我们最常用的，八段数码管比七段数码管多了一个小数点，除此之外，其它方面基本相同。所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字型。数码管按发光二极管单元连接方式又分为共阴极和共阳极两种类型，共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起，形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。在模数转换部分选择了TC7107作为模数转换器，TC7107包含了三位半液晶显示器，可以驱动共阳极LED数码管。 在本次设计中选择了八位共阳极数码管作为显示部分。其连线如下图2-8所示。第三章 设计原理与电路 3.1设计原理整个设计电路分为三个模块，第一个模块为温度传感模块，第二个模块为模数转换器模块，第三个模块为数码管，元器件的选取在第二章已经叙述过，在第三章主要介绍元器件的管脚和功能模数转换器模块数码管温度传感模块 图3-1 如第二章所介绍的设计方案所述，温度传感模块选用LM35作为温度传感器，将温度信号转换为可以测量的电压信号，模数转换器模块将电压信号转换为数字信号，通过七位共阳极数码管显示出来。 3.2 使用原件芯片引脚图及功能介绍 1. 温度传感器LM35 如图所示为温度传感器LM35的封装图， 如图所示为LM35在仿真电路中的接线。LM35的极限参数如下电源电压输出电压输出电流+35V0.2V+6V1.0100mA作为温度传感器，LM35作为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，在设计电路时与其他元器件如LM335相比很大程度的增强了测量的准确度，减小了误差，同时增强了灵敏度。2. AD转换器 TC7107特点与引脚功能A/D转换电路的设计采用TCL7107，它是三位半双积分型A/D转换器，属于CMOS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100V。能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，在芯片内部从与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压。能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。芯片本身功耗小于15mw(不包括LED)，不设有专门的小数点驱动信号。使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接，可以方便的进行功能检查TC7107引脚图及引脚功能介绍如图3-4所示：（1）V和V-分别为电源的正极和负极，（2）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。（3）Bck：千位笔画驱动信号。接千位LEO显示器的相应的笔画电极。（4）PM：液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。（5）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。（6）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。（7）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”。（8）VREF VREF- ：基准电压正负端。（9）CREF：外接基准电容端。（10）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（11）IN和IN- ：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。（12）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0.47F，而2V满刻度是0.047F。（12）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100A，而缓冲器与积分器能够供给20A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。3 数码管八段共阳极数码管共有九个管脚分别控制 a b c d e f g dp八个输出端，9管脚接电源作为驱动。3.3 分支电路的设计1. 温度转换模块 由LM35和一个5V电源组成，输出端为2管脚。2. AD转换器模块由TC7107及其标准电路构成，(1).芯片第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是基准电压，正确数值是 100mV，第 26 引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在 3V 至 5V 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入 199.9mV 的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。(2).注意芯片 27,28,29 引脚的元件数值：它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容。(3).注意接地引脚：芯片的电源地是 21 脚，模拟地是 32 脚，信号地是 30 脚，基准地是 35 脚，通常使用情况下，这 4 个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30 脚或 35 脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。 本文不讨论特殊要求应用。(4).比例读数：把 31 脚与 36 脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是 100.0 ，通常在 99.7 100.3 之间，越接近 100.0 越好。这个测试是看看芯片的比例读数转换情况，与基准电压具体是多少 mV 无关，也无法在外部进行调整这个读数。如果差的太多，就需要更换芯片了。(5).TCL7107 也经常使用在 1.999V 量程：这时候，芯片 27,28,29 引脚的元件数值，更换为 0.22uF,470K,0.047uF 阻容网络，并且把 36 脚基准调整到 1.000V 就可以使用在1.999V 量程了。3 数码管显示模块、分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接各LED数码管的相应笔画电极；ABK为千位笔画驱动信号,接千位LED数码管；RM为LED数码管公共电极的驱动端,接LED共阳数码管的5脚和10脚；3.4 元件参数的选取和计算R1470KR2100KR31.5KR41MC10.1ufC20.01ufC30.22ufC40.047ufC5100pfRV123KU1TC7107U2LM35外接八段共阳第四章 电路