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.............................................11.1总体方案设计...........................................11.2系统原理框图及电路图...................................12系统详细设计.............................................22.1温度传感器.............................................22.2转换与放大电路.........................................32.2.1K-C转换电路.........................................32.2.2放大器...............................................42.2.3比较器...............................................42.2.4报警设备.............................................52.2.5电路原理图...........................................52.3A/D转换电路...........................................62.4数码管显示............................................103仿真与调试..............................................113.1电路的仿真............................................113.2仿真结论..............................................134总结..............................................................................................................................................13附录元件清单…………………………………………………………14参考文献...................................错误!未定义书签。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1.11.2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2.1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1μA以下作微小变化.1、流过器件的电流(μA)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10MΩ，转换当量为KA/1。器件采用B－1型金属壳封装。温度—电压变换电路如图2.2所示。由图可得：由611/10/OUUuAKRRK（R一般取10KΩ）所以110/UmVK。图2.1AD590原件符号图2.2温度——电压转换电路2.2转换与放大电路2.2.1K—℃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2.3K—℃变换电路设流经R2,R1,R3的电流分别为1,2,3iii对图2.3的反相输入节点可列出下面的方程：123iii若123RRR（实际应用中可取R1=R2=R3=5KΩ）而123'////RRRR计算得'1.67RK则式(2.3.1)可变为21RUUU（2.3.2)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（2.2.1），可得2.73RUV。(2.3.3)2.2.2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546//RRR(2.4.2)要使U3满足100mV/℃，又因为U2=10mV/℃，所以我们可取45RK650RK54.5RK2.2.3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2.2.4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3U的值小于refU的值时，4U输出为低电平，三极管截止，发光二极管无响应。当4U的电压值大于refU时，4U输出为高电平，三极管导通，此时发光二极管发光，产生警报！图2.6发光二极管图2.7报警设备电路2.2.5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2.8转换与放大电路2.3A/D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15Vp-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2.9TC7107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2.10TC7107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2.12TC7107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/RCCOM：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0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。BUF：缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。其输出级的无功电流(idlingcurrent)是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA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。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。aGbcdefgSP图3.179℃的仿真电路图3.280℃的仿真电路图3.3100℃的仿真电路