模拟电子技术--数字温度计

茂名学院课程设计说明书课程名称：模拟电子技术题目：数字温度计学生姓名：专业：电子信息工程班级：学号：指导教师：莫琦日期：2008年06月23日茂名学院课程设计任务书一、设计题目数字温度计二、主要内容及要求温度计是工农业生产及科学研究中最常用的测量仪表。本课题要求用中小规模集成芯片设计并制作一数字式温度计，即用数字显示被测温度。具体要求如下：1）测量范围0～200度。2）测量精度0.1度。3）4位LED数码管显示。4）温度超过40度报警。三、进度安排1．2008年6月13日，老师给出选题内容，课程设计的相关要求，指导时间及任务完成期限等。2．2008年6月14日～2008年6月17日，通过网上搜索和图书馆查找参考文献，构造整个设计思路。3．2008年6月18日2008年6月24日，选择适当的芯片组合电路，构造电路图，并在EWB上仿真。并进行课程设计的答辩。4．2008年6月25日～2008年6月26日根据电路图及其的原理整理写出设计方案。5．2008年6月27日设计方案的排版，修正，改进，按要求打印方案。四、总评成绩指导教师学生签名数字温度计一、设计任务与要求1、设计要求温度计是工农业生产及科学研究中最常用的测量仪表。本课题要求用中小规模集成芯片设计并制作一数字式温度计，即用数字显示被测温度。具体要求如下：1）测量范围0～200度。2）测量精度0.1度。3）4位LED数码管显示。2、原理框图3、主要参考元器件硅热敏晶体管，LM324，CC7107，电阻及电容若干。4、扩展温度超过40度报警。二、方案设计与论证由设计和任务要求可知道，本设计实验主要分为四个部分，即传感器、放大系统、模数转换器以及显示部分。经过分析，传感器可以选择对温度比较敏感的器件，做好是在某参数与温度成线性关系，比如硅热敏晶体管、热敏电阻等；放大系统可以由集成运放组成：A/D转换器需要选择有LED驱动显示功能的，而可供选择的参考元件有CC7107，CC7117，MC14433等；显示部分用4位LED数码管显示。方案一：用一个热敏电阻,通过热敏电阻把温度转化为电压,再得到每一度热敏电阻的电压变化值,用LM324运放做成乘法器,使电压乘以一个比例系数,使一度的变化得到一个整数变化的电压值,然后送入MC14433A/D转换器进行数模转换和数字显示.。方案二：用硅热敏晶体管做传感器把温度转化为电压，在把每一度的电压变化值通过LM324集成运放进行放大，使其放大的信号应能满足CC7107数模转换的要求，进行数字显示。由于MC14433模数转换器的显示部分需要驱动器CD4511，基准电压又需要一个MC1403，也就是需要外接的电路和元件相对复杂和麻烦。而321位双积分A/D转换器CC7107是CMOS大规模集成电路芯片，其片内已经集成了模拟电路部分和数字电路部分，所以只要外接少量元件就成了模拟电路和数字电路部传感器放大系统A/D转换显示图1数字温度计原理框图分，所以只要外接少量元件就可实现A/D转换。因此选用方案二。三、单元电路设计与参数计算1．传感器部分硅热敏晶体管，在温度发生变化时，热敏晶体管的b-e结正向的温度系数为-2mV/℃，即温度每升高1℃，b-e结电压降低2mv,利用这个特性可以测量温度。设置电路图如图2所示，采用9V的电源供电，be间的电压全部反馈的输入到同相输入端，运放引入了电压负反馈，在理想运放的条件下，输出电阻为零，所以可以认为电路的输出Vo为恒压源。2．放大系统放大系统是把温度传感器输出的弱信号放大，将每一摄氏度对应的电压以整数输出，可以利用集成运放lm324组成一个同相比例放大电路，由于温度传感器输出的电压与温度的线性关系为-2mV/℃，即温度每升高1℃电压降低2mV,因此可以使得图2Vo图3电压通过同相比例运算电路放大5倍，即1℃对应电压为10mV。电路如图3所示。通用型低功耗集成四运放LM324，内含4个独立的高增益、频率补偿的运算放大器，既可接单电源使用(3～30V)，也可接双电源使用(±1.5～±15V)，驱动功耗低，可与TTL逻辑电路相容。m324引脚图管脚图如图4所示。3．A/D转换器（1）调零电路图4图5VoVi+Vi-当硅热敏晶体管置于0摄氏度的温度下时由于B-E管压降可能使得A/D转换器的数字显示不为零，因此要设计一个调零电路。本实验设计了一个电桥电路，通过调节可变电阻可以使得电桥平衡，即输出为零。电路图如图5所示。（2）模数转换部分（其中包括参考电压电路）321位双积分A/D转换器CC7107的引脚图和管教图以及功能简介321位双积分A/D转换器CC7107是CMOS大规模集成电路芯片，其片内已经集成了模拟电路部分和数字电路部分，所以只要外接少量元件就成了模拟电路和数字电路部分，所以只要外接少量元件就可实现A/D转换。1)CC7107内部电路含有模拟电路和数字电路两大部分，电路如图6IN模拟地3132INSINSS+S-S+S-SAZ1SINSR+SR-UREF+UREF-CREF3336353430基准积分电阻BUF28-+缓冲器1UDO自校零电容AZ29INT27-+积分器比较器至逻辑部分SAZ22.8V26UEE-+积分电容(a)模拟部分电路图7是CC7107外封电路图，其引脚功能如下：3629323031343335192021372613839402728参考电压+参考电压-基准电容基准电容输入+输入-模拟公共端缓冲器积分器振荡器1振荡器3振荡器2电源正极电源负极测试端背电极-显示千位1显示221723162415182513121110914765432836353334313032292827403938126372120192217181524162325131491011127682345vref+vref-crefcrefIN+IN-COMAZBUFINTOSC1OSC2OSC3v+v-TESTBPPMabKg3f3e3d3c3b3a3g2f2e2d2c2b2a2g1f1e1d1c1b1a1}}}百位显示十位显示个位显示ICL7107图71端：U+=5V，电源正端。译码器译码器译码器锁存器千位百位十位个位PMLED至模拟开关比较器11/4逻辑控制500Uab21TESTOSC1OSC2R2Uss图6-2-7ICL7107内部电路(b)数字部分电路OSC3图626端：U-=﹣5V，电源负端。19端：ab4，千位数笔段驱动输出端，由于213位的计数满量程显示为“1999”，所以ab4输出端应接千位数显示器显示“1”字的b和c笔段。20端：POL，极性显示端（负显示），与千位数显示器的g笔段相连接（或另行设置的负极性笔段）。当输入信号的电压极性为负时，负号显示，如“-19.99”；当输入信号的电压极性为正时，极性负号不显示如“19.99”。21端：BP，液晶显示器背电极，与正负电源的公共地端相连接。27端：INT，积分器输出端，外接积分电容C（一般取C=0.22F）。28端：BUFF，输入缓冲放大器的输出端，外接积分电阻R（一般取R=47k）。29端：AZ，积分器和比较器的反相输入端，接自校零电容AZC（取AZC=0.47F）。30、31端：INLO、INHI，输入电压低、高端。由于两端与高阻抗CMOS运算放大器相连接，可以忽略输入信号的注入电流，输入信号应经过1M电阻和0.01F电容组成的滤波电路输入，以滤除干扰信号。2~8端：个位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与个位数显示器对应的笔段a~g相连接。9~14、25端：十位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与十位数显示器对应的笔段a~g相连接。15~18、22~24端：百位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与百位数显示器对应的笔段a~g相连接。32端：COM，模拟公共电压设置端，一般与输入信号的负端，负基准电压端相接。33、34端：REFC、REFC，基准电容负压、正压端，它被充电的电压在反相积分时，成为基准电压，通常取REFC=0.1F。35、36端：REFLO、REFHI，外接基准电压低、高位端，由电源电压分压得到。37端：TEST，数字地设置端及测试端，经过芯片内部的500电阻与GND相连。38、39、40端：3~1OSC，产生时钟脉冲的振荡器的引出端，外接R1、C1元件。振荡器主振频率OSCf与R1C1的关系为OSCf1145.0CR6-2-92).A/D转换器的工作过程根据图6-2-7所示的CC7107的内部电路结构，可以分析A/D转换的工作过程。设其转换过程分三个阶段，即采样阶段、积分阶段和休止阶段，各阶段的工作过程如下：a.采样阶段在逻辑控制电路的作用下，设新的采样阶段开始。参见图6-2-7（a），设开关SIN闭合，Saz1短开，被测信号Ux从IN+端输入，经缓冲器进行定时积分，设积分时间（或称采样时间）定为1000个时钟脉冲，如图6-2-9所示。由式（3）可以求出积分器的输出电压Uo与计数脉冲的关系，即Uo=oscfNRcUx16-2-10当N1=1000时定时积分阶段或称采样阶段结束。b.积分阶段积分阶段是指积分器时基准电压UREF进行定值积分。由于在休止阶段基准电容CREF已被充电(UREF=|UREF|),所以积分阶段一开始，对输入电压作极性判别后，基准电容有开关S+和S-接入缓冲放大器，使积分器进行反向定值积分，计数器开始计数。由式6-2-7可求出定值积分阶段内，积分器的输出电压与计数脉冲N2的关系，即Uo=oscREFfNRcU26-2-11当积分器的输出电压Uo回到初使状态时，定值积分阶段结束，设计数器的脉冲数N2=0～2000,如图6-2-9所示c.休止阶段休止阶段的任务是使信号输入端IN+与公共模拟端COM短接，积分器和比较器的输出为零，基准电压对基准电容充电，这些都是通过控制开关SAZ1、SIN、S+、S-等完成的。设完成该阶段的工作所需要的时间为1000～3000个时钟脉冲如图9-9所示。以上三个阶段的工作波形如图6-2-9所示。由图6-2-7（b）可见，计数器的时钟脉冲fcp是主振频率fosc÷4分频后得到的，由式6-2-9得114.04141CRsfoscfcp6-2-12ICL7107一次A/D转换经过三个阶段所需时钟脉冲数为N，则一次转换所需的时间为T=N/fcp=4N/fosc若取ICL7107的主振频率fox=45kHz.,即取R1=100kΩ,C1=100pF,N=4000.则一次A/D转换所需的时间为sHzfNTosc36.01045400443测量速度为T1，即ssT/336.011根据课程设计要求以及相关资料，设计出来的模数转换电路部分如图8所示（其中滑动变阻器R2为基准电压调节端）。图84.数字显示部分的设计因为芯片CC7107采用双电源供电，能输出较大的电流，适合于驱动发光二极管（LED）数码显示器，并且CC7107芯片内部包括7段译码，可以用硬件译码的方法直接驱动发光二极管（LED）数码显示器，所以显示方式采用共阳极数码管LED显示，引脚图见图9。CC7107没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳级数码管的公共阳极接V+，小数点接GND时点亮，接V+时熄灭。5.扩展部分（超温报警部分）按照设计要求，当温度超过40摄氏度时，即报警，可以根据温度与电压的线性关系把其转换为当电压超过一定值时即报警，由此可以设计一个电压比较器电路。LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。调节好电路的零电位和基准电位后40摄氏度时候从放大电路输出来的电压为400mV，由此可以设置其电压比较器参考电压Ref为400mV,可以在电路中设置两个电阻进行适当的分压，报警器部分选用用发光二极管电路图如图10所示：电阻R1、R2组成分压电路，为运放lm324设定比较电平U；当UiU时，运放输出高电平晶体管BG1就会导通，发光二极管LED就会点亮。GF+A