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課程設計(論文)
題 目 名 稱 數(shù)字溫度計 課 程 名 稱電子技術課程設計 學 生 姓 名 學 號 系 、專 業(yè) 指 導 教 師
摘要 溫度計是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學研究中最常用的測量儀表。使用溫度測量儀，首先經(jīng)過AD590集成溫度傳感器的作用，使外界溫度轉(zhuǎn)換為電流用表示。因為上述為絕對溫度K和電流之間的轉(zhuǎn)換關系，而在設計中我們需要采用℃，所以我們必須使其轉(zhuǎn)換成攝氏溫度℃和電流之間的關系，這就要用到K—℃變換器。通過K—℃變換器的作用，我們便得到想要的℃和電流之間的直接轉(zhuǎn)換關系。得到的電流再經(jīng)過放大器的放大，即可直接用電壓表讀出被測對象的溫度值。然后放大后的電壓接一比較器，比較器的輸出端接報警設備。報警設備可由一個發(fā)光二極管組成。在設置了預警溫度后，由比較器輸出端的電壓決定二極管是否發(fā)光，從而起到警報作用。經(jīng)TC7017AD轉(zhuǎn)換后，再通過數(shù)碼管顯示。
目錄 摘要 1 系統(tǒng)總體設計 1 1.1 總體方案設計 1 1.2 系統(tǒng)原理框圖及電路圖 1 2 系統(tǒng)詳細設計 2 2.1 溫度傳感器 2 2.2 轉(zhuǎn)換與放大電路 3 2.2.1 K-C轉(zhuǎn)換電路 3 2.2.2 放大器 4 2.2.3 比較器 4 2.2.4 報警設備 5 2.2.5 電路原理圖 5 2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 6 2.4 數(shù)碼管顯示 10 3 仿真與調(diào)試 11 3.1 電路的仿真 11 3.2 仿真結(jié)論 13 4 總結(jié) 13 附錄 元件清單14 參考文獻 1 系統(tǒng)總體設計 1.1 總體方案設計 圖1所示為數(shù)字溫度計的原理框圖。其工作原理是將被測的溫度信號通過傳感器轉(zhuǎn)換成溫度變化的電壓信號，此電壓信號經(jīng)過放大電路后，通過模-數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，最后將數(shù)字量送顯示電路，用4位LED數(shù)碼管顯示。 圖1.1 1.2系統(tǒng)原理框圖及電路圖 圖1.2 整體原理圖 2系統(tǒng)詳細設計 2.1溫度傳感器此電路是基于模擬AD590設計的，它是利用PN結(jié)正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。即使電源在5～15V之間變化，其電流只是在1μA以下作微小變化. 1、流過器件的電流(μA) 等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度(開爾文) 度數(shù)。 2、 可測量范圍-55℃至150℃. 3、 供電電壓范圍+4V至+30V. AD590集成溫度傳感器進行溫度～電流轉(zhuǎn)換。它是一種電流型二端器件，其內(nèi)部已作修正，具有良好的互換性和線性。有消除電源波動的特性。輸出阻抗達10MΩ，轉(zhuǎn)換當量為 。器件采用B－1型金屬殼封裝。 溫度—電壓變換電路如圖2.2所示。由圖可得： 由  （R一般取10KΩ） 所以 。 圖2.1 AD590原件符號 圖2.2 溫度——電壓轉(zhuǎn)換電路 2.2 轉(zhuǎn)換與放大電路 2.2.1K—℃變換器 因為AD590的溫控電流值是對應絕對溫度K，而在設計中需要采用℃，由運放組成的加法器可以實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，參考電路如下圖2.3
圖2.3 K—℃變換電路 設流經(jīng)R2,R1,R3的電流分別為  對圖2.3的反相輸入節(jié)點可列出下面的方程：  若  （實際應用中可取R1=R2=R3=5 KΩ） 而  計算得  則式 ( 2.3.1 )可變?yōu)?  （ 2.3.2 ) 元件參數(shù)的確定和－UR選取的指導思想是：0℃（即273K）時，U2 = 0 V 綜合式（2.2.1），可得  。 ( 2.3.3 )2.2.2放大器 圖2.4 反相比例放大器 設流經(jīng)R4，R6的電流分別為i4，i6。 由虛斷的概念可知，i4=i6， 為了提供一個合適的靜態(tài)偏置，故在其同向端接入一個平衡電阻  ( 2.4.2 )要使U3滿足100mV/℃， 又因為 U2=10mV/℃， 2.2.3比較器 電壓比較器是集成運放非線性應用電路,常用于各種電子設備中.它將一個模擬量電壓信號和一個參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應輸出高電平或低電平。 
圖2.5 電壓比較器 由電壓比較器組成，如圖2.5所示。Uref為報警時溫度設定電壓5V，R7,R8用于穩(wěn)定輸入電壓。R9用于改善比較器的遲滯特性，R10用于報警設備的輸入電阻，用來控制輸入電流的大小。這些電阻決定了系統(tǒng)的精度。 由比較器的虛短和虛斷概念得經(jīng)過調(diào)試，可取   2.2.4報警設備 發(fā)光二極管為其核心設備,其發(fā)熱量小，耗電量也少，節(jié)能。由低壓電源供給，供電電壓大大約為6-24 V之間。 當 的值小于 的值時， 輸出為低電平，三極管截止，發(fā)光二極管無響應。 當 的電壓值大于時，輸出為高電平，三極管導通，此時發(fā)光二極管發(fā)光，產(chǎn)生警報！ 圖2.6 發(fā)光二極管 圖2.7報警設備電路 2.2.5 電路原理圖 由上述各設計電路可得出如圖2.8所示電路原理圖。 圖2.8 轉(zhuǎn)換與放大電路 2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 TC7107是一種高性能、低功耗的三位半A\D轉(zhuǎn)換器，同時包含有七段譯碼器、顯示驅(qū)動器、參考源和時鐘系統(tǒng)。TC7107可直接驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管。TC7107將高精度、通用性和真正的低成本很好的結(jié)合在一起，它有低于10uV的自動校零功能，零漂小于1uV/℃，低于10pA的輸入電流，極性轉(zhuǎn)換誤差小于一個字。真正的差動輸入和差動參考源在各種系統(tǒng)中都很有用。在用于測量負載單元、壓力規(guī)管和其它橋式傳感器時會有更突出的特點。 TC7107的特點： 1. 保持零電平輸入時，各量程的讀值均為零； 2. 1pA典型輸入電流； 3. 很低的噪聲（小于15 Vp-p）； 4. 片上自帶時鐘； 5. 低功耗； 6. 不需外接有源電路。 7. 真正的差動輸入和差動參考電源，直接LCD顯示驅(qū)動。  TC7107的A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字顯示圖的部分電路原理圖如下：圖2.9 TC7107數(shù)字部分框圖 TC7107轉(zhuǎn)化器原理圖如圖2.9所示。其中計數(shù)器對反向積分過程的時鐘脈沖進行計數(shù)�？刂七壿嫲ǚ诸l器、譯碼器、相位驅(qū)動器、控制器和鎖存器。 驅(qū)動器是將譯碼器輸出對應于共陽極數(shù)碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅(qū)動相應筆畫的方波。 圖2.10 TC7107轉(zhuǎn)化器原理圖 控制器的作用有三個： 第一，識別積分器的工作狀態(tài)，適時發(fā)出控制信號，使各模擬開關接通或斷開，A/D轉(zhuǎn)換器能循環(huán)進行。 第二，識別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負號顯示 第三，當輸入電壓超量限時發(fā)出溢出信號，使千位顯示“1" ，其余碼全部熄滅。
釣鎖存器用來存放A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，鎖存器的輸出經(jīng)譯碼器后驅(qū)動LED 。它的每個測量周期自動調(diào)零（AZ）、信號積分（INT）和反向積分（DE）三個階段。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖如圖2.11所示 圖2.11雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖 TC7107AD轉(zhuǎn)換器的管腳排列及其各管腳功能如圖2.12所示： 圖2.12 TC7107管腳排列 TC7107引腳功能： V＋和V-分別為電源的正極和負極（或地） au-gu,aT-gT,aH-gH：分別為個位、十位、百位筆畫的驅(qū)動信號，依次接個位、十位、百位LED顯示器的相應筆畫電極。 Bck：千位筆畫驅(qū)動信號。接千位LEO顯示器的相應的筆畫電極。 PM：液晶顯示器背面公共電極的驅(qū)動端，簡稱背電極。
Oscl-OSc3 ：時鐘振蕩器的引出端，外接阻容或石英晶體組成的振蕩器。第38腳至第40腳電容量的選擇是根據(jù)下列公式來決定：Fosl = 0.45/RC COM ：模擬信號公共端，簡稱“模擬地”，使 用時一般與輸入信號的負端以及基準電壓的負極相連。
TEST ：測試端，該端經(jīng)過500歐姆電阻接至邏輯電路的公共地，故也稱“邏輯地”或“數(shù)字地”。
VREF＋ VREF- ：基準電壓正負端。
CREF：外接基準電容端。
INT：27是一個積分電容器，必須選擇溫度系數(shù)小不致使積分器的輸入電壓產(chǎn)生漂移現(xiàn)象的元件
IN＋和IN- ：模擬量輸入端，分別接輸入信號的正端和負端。
AZ：積分器和比較器的反向輸入端，接自動調(diào)零電容CAz 。如果應用在200mV滿刻度的場合是使用0.47μF，而2V滿刻度是0.047μF。
BUF：緩沖放大器輸出端，接積分電阻Rint。其輸出級的無功電流( idling current )是100μA，而緩沖器與積分器能夠供給20μA的驅(qū)動電流，從此腳接一個Rint至積分電容器，其值在滿刻度200mV時選用47K，而2V滿刻度則使用470K。 TC7107的工作原理： 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器TC7107是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它通過對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用脈沖時間間隔，進而得出相應的數(shù)字性輸出。838電子
它的原理性框圖如圖2所示，它包括積分器、比較器、計數(shù)器，控制邏輯和時鐘信號源。積分器是A/D轉(zhuǎn)換器的心臟，在一個測量周期內(nèi)，積分器先后對輸入信號電壓和基準電壓進行兩次積分。比較器將積分器的輸出信號與零電平進行比較，比較的結(jié)果作為數(shù)字電路的控制信一號。時鐘信號源的標準周期Tc 作為測量時間間隔的標準時間。它是由內(nèi)部的兩個反向器以及外部的RC組成的。其振蕩周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC 。 數(shù)碼管可以分為共陽極與共陰極兩種，共陰極是把所有LED的陽極連接到共同接點com，而每一LED的陰極分別為a,b,c,d,e,f,g及sp（小數(shù)點），它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.13所示。 圖2.13 共陽極數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在本次設計當中，由于TC7107的特點，它只能驅(qū)動共陽極數(shù)碼管，故我們要選用共陽極七段數(shù)碼管。 3 仿真與調(diào)試 3.1 電路的仿真 仿真電路如圖3.1,3.2和3.3所示 其中，圖3.1是溫度未達警戒線79℃的仿真電路；圖3.2是溫度剛好為80℃的仿真電路；圖3.3是溫度超過警戒線100℃的仿真電路。 圖3.1 79℃的仿真電路 圖3.2 80℃的仿真電路 圖3.3 100℃的仿真電路 3.2 仿真結(jié)論 即仿真所得的實際結(jié)果與理論相同。所以，仿真成功，可以通過此裝置測得溫度。 4總結(jié) 采用AD590、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)碼管。通過溫度傳感器AD590采集到溫度信號，經(jīng)過放大電路送A/D轉(zhuǎn)換器，然后直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示溫度。在這次設計當中，初步了解了A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理以及數(shù)碼管的連接方法。 在這個設計中，信號采集電路和A/D轉(zhuǎn)換電路比較重要，要對電路中各個元件數(shù)值進行精確的計算，防止電路輸出變化太大，對測量不利。 課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.通過這次電子技術課程設計，讓我了解了設計電路的程序.通過本次實驗設計電路原理圖 ，能獨立完成電路圖的繪制，在設計電路圖過程中充分了解各芯片和元器件的功能作用。通過這次電子技術課程設計,使我對模擬電子技術和數(shù)字電子技術在實踐中的應用有了更深刻的理解。通過該課程設計，把死板的課本知識變得生動有趣，激發(fā)了學習的積極性。 通過這次學習，讓我對各種電路都有了大概的了解，所以說，坐而言不如立而行，對于這些電路還是應該自己動手實際操作才會有深刻理解。
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