数字温度计课程设计 (一)

数字温度计课程设计..（共18页）

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碑陶学陶

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

2

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—P变换器。通过K—OC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

3

目录

摘要............................................

1系统总体设计..............................................1

总体方案设计...............................................1

系统原理框图及电路图.......................................1

2系统详细设计..............................................2

温度传感器.................................................2

转的放大电路.............................................3

K-C转换电路.....

放大器.....................................................4

比较器.....................................................4

报警设备...................................................5

电路原理图.................................................5

A/D转换电路...............................................6

数码管显示................................................10

3仿真与调试...............................................11

电路的仿真.....

仿真结论..................................................13

4总结.....................................................13

附录元件清单...................................14

参考文献

4

1系统总体设计

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。

传感器—►放大器—A/D装—►显示电

W

系统原理框图及电路图

AD590为一电流变化型器件，利用电位器调节使电流变化

来模拟AD590在不同温度下的电流值，通过运放放大做运

算处理将电流值转化成电压值，通过TC7107AD采样显示H卜

未，设置当温度大于30度时D1亮起未报警

图整体原理图

5

2系统详细设计

温度传感器

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|JA以下作微小变

化.

1.流过器件的电流（|JA）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10MQ,转换当量为口。器件采用B-1型金属壳封装。

温度一电压变换电路如图所示。由图可得：

由U\=Uo=htAJKxR=RxlO-6/K（口一般取101＜。）

所以。=10/W/K。

6

vcc

图AD590原件符号图温度——电压转换电路

转换与放大电路

K-。（: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°C,由运放

组成的加法器可以实现这一转换,参考电路如下图

7

图K—T四奂电路

设流经R2,R1,R3的电流分别为ZM2J3

对图的反相输入节点可列出下面的方程：口

若R\=Ri=R3（实际应用中可取R1=R2=R3=5KQ）

而R'=RWR2〃R3计算得R,=1.67KQ

则式（）可变为

U2=UR-UI（）

元件参数的确定和-UR选取的指导思想是:0℃（即273K）时,U2=0V

综合式（），可得

法=2.73『。（）

图反相比例放大器

设流经R4,R6的电流分别为i4,i60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

R5=Ra//R6（）

要使U3满足100mV/℃,又因为U2=10mV/。

所以我们可取凡=5KQ4=50K。a=4.5KC

8

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。

图电压比较器

由电压匕障器组成,如图所示。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,可取口口口

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6-24V之间。

当□的值小于□的值时,□输出为低电平,三极管截止,发光二极管无响应.

当□的电压值大于□时，口输出为高电平,三极管导通，此时发光二极管发光,产生

警报！

9

+Vcc

图发光二极管图报警设备电路

电路原理图

由上述各设计电路可得出如图所示电路原理图。

图转换与放大电路

A/D转换电路

10

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luV/y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彳艮低的噪声（小于15DVp-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TC7107数字部分框图

TC7107转化器原理图如图所示。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^动

相应笔画的方波。

11

n

图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，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所示

12

图双积分型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所示:

v+OSC1

OSC2

OSC3

TEST

REFHI

REFLO

CREF+

CREF-

/D2COMMON

C2KHI

B2NLO

(Ws)<IC7107CPL

A2DIP-40A-Z

F2BUFF

'E2NT

,D3V-

(ICXTsX83G2(10s)

F3C3、

E3A3»(10<rs>

G3J

(1000)AB4

|MNUS)POL3P/GND

图TC7107管KM非列

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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。

Bek: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=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",而2V满刻度是"。

:缓冲放大器输出端，接积分电阻其输出级的无功电流(

BUFRintoidling

current)是lOOpA,而缓冲器与积分器能够供给20pA的驱动电流,从此脚接一

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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==o

2.4数码管显示

数码管可以分为共阳极与共阳极两种,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

结构图如图所示。

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图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

电路的仿真

仿真电路如图，和所示

其中,图是温度未达警戒线79。(：的仿真电路；图是温度刚好为8(TC的仿真电

路；图是温度超过警戒线100℃的仿真电路。

16

AD590为一电流变化型器件，利用电位器调节使电流变化

来模拟AD59些不同温度下的电流值,通过运放放大做运

算处理将电流值转化成电压值,通过TC71G7AD采样显示H

来，设置当海度大于80度时D1亮起来报警

图79℃的仿真电路

AD590为一电流变化型器件，利用电位器调节使电流变化

来模拟AD590在不同温度下的电流值,通过运放就大做运

算处理将电流值转化成电压值，通过TC7107AD采样显示H

来，设置当温度大于80度时D1亮起来报警

图8(rc的仿真电路

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AD590力一电流变化型器件，利用电位器调节使电流变化

来模拟259无不同温度下的电流值，通过运放放大做运

算处理将电流值转化成电压值，通过TC7107AD采样显示H

来，设置与温度大于80度时D1亮起来报警

图100℃的仿真电路

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AD59O、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

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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