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課程設計(論文)
題 目 名 稱 數字溫度計 課 程 名 稱電子技術課程設計 學 生 姓 名 學 號 系 、專 業 指 導 教 師
摘要 溫度計是工農業生產及科學研究中最常用的測量儀表。使用溫度測量儀，首先經過AD590集成溫度傳感器的作用，使外界溫度轉換為電流用表示。因為上述為絕對溫度K和電流之間的轉換關系，而在設計中我們需要采用℃，所以我們必須使其轉換成攝氏溫度℃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換關系。得到的電流再經過放大器的放大，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光，從而起到警報作用。經TC7017AD轉換后，再通過數碼管顯示。
目錄 摘要 1 系統總體設計 1 1.1 總體方案設計 1 1.2 系統原理框圖及電路圖 1 2 系統詳細設計 2 2.1 溫度傳感器 2 2.2 轉換與放大電路 3 2.2.1 K-C轉換電路 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轉換電路 6 2.4 數碼管顯示 10 3 仿真與調試 11 3.1 電路的仿真 11 3.2 仿真結論 13 4 總結 13 附錄 元件清單14 參考文獻 1 系統總體設計 1.1 總體方案設計 圖1所示為數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換成溫度變化的電壓信號，此電壓信號經過放大電路后，通過模-數轉換器把模擬量轉變成數字量，最后將數字量送顯示電路，用4位LED數碼管顯示。 圖1.1 1.2系統原理框圖及電路圖 圖1.2 整體原理圖 2系統詳細設計 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) 等于器件所處環境的熱力學溫度(開爾文) 度數。 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～電流轉換。它是一種電流型二端器件，其內部已作修正，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——電壓轉換電路 2.2 轉換與放大電路 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這一轉換，參考電路如下圖2.3
圖2.3 K—℃變換電路 設流經R2,R1,R3的電流分別為  對圖2.3的反相輸入節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 )可變為  （ 2.3.2 ) 元件參數的確定和－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的精度。 2.2.4報警設備 發光二極管為其核心設備,其發熱量小，耗電量也少，節能。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，此時發光二極管發光，產生警報！ 圖2.6 發光二極管 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 轉換與放大電路 2.3 A/D轉換電路 TC7107是一種高性能、低功耗的三位半A\D轉換器，同時包含有七段譯碼器、顯示驅動器、參考源和時鐘系統。TC7107可直接驅動共陽極LED數碼管。TC7107將高精度、通用性和真正的低成本很好的結合在一起，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中都很有用。在用于測量負載單元、壓力規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顯示驅動。  TC7107的A/D轉換及數字顯示圖的部分電路原理圖如下：圖2.9 TC7107數字部分框圖 TC7107轉化器原理圖如圖2.9所示。其中計數器對反向積分過程的時鐘脈沖進行計數。控制邏輯包括分頻器、譯碼器、相位驅動器、控制器和鎖存器。 驅動器是將譯碼器輸出對應于共陽極數碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅動相應筆畫的方波。 圖2.10 TC7107轉化器原理圖 控制器的作用有三個： 第一，識別積分器的工作狀態，適時發出控制信號，使各模擬開關接通或斷開，A/D轉換器能循環進行。 第二，識別輸入電壓極性，控制LED數碼管的負號顯示 第三，當輸入電壓超量限時發出溢出信號，使千位顯示“1" ，其余碼全部熄滅。
釣鎖存器用來存放A/D轉換的結果，鎖存器的輸出經譯碼器后驅動LED 。它的每個測量周期自動調零（AZ）、信號積分（INT）和反向積分（DE）三個階段。 雙積分型A/D轉換器的電壓波形圖如圖2.11所示 圖2.11雙積分型A/D轉換器的電壓波形圖 TC7107AD轉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，該端經過500歐姆電阻接至邏輯電路的公共地，故也稱“邏輯地”或“數字地”。
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，必須選擇溫度系數小不致使積分器的輸入電壓產生漂移現象的元件
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轉換器TC7107是一種間接A/D轉換器。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、計數器，控制邏輯和時鐘信號源。積分器是A/D轉換器的心臟，在一個測量周期內，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，比較的結果作為數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（小數點），它的內部結構圖如圖2.13所示。 圖2.13 共陽極數碼管內部結構 在本次設計當中，由于TC7107的特點，它只能驅動共陽極數碼管，故我們要選用共陽極七段數碼管。 3 仿真與調試 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 仿真結論 即仿真所得的實際結果與理論相同。所以，仿真成功，可以通過此裝置測得溫度。 4總結 采用AD590、A/D轉換器和數碼管。通過溫度傳感器AD590采集到溫度信號，經過放大電路送A/D轉換器，然后直接驅動數碼管顯示溫度。在這次設計當中，初步了解了A/D轉換器的工作原理以及數碼管的連接方法。 在這個設計中，信號采集電路和A/D轉換電路比較重要，要對電路中各個元件數值進行精確的計算，防止電路輸出變化太大，對測量不利。 課程設計是培養學生綜合運用所學知識,發現,提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環節,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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