模电-水温测量仪-课程设计

PAGEPAGE1模拟电子技术课程设计说明书水温测量仪系、部：电气与信息工程学院学生姓名：余大哥学号：指导教师：职称副教授专业：电气工程及其自动化班级：完成时间：2012年6月13日摘要本设计介绍了水温测量仪的工作原理，它是一种简易水温测量电路，主要是采用一些简单的电子元件即可它是采用由直流稳压电源，温度—电压转换电路，K—℃电路，驱动报警电路，放大电路和比较电路五个核心部分组成。直流稳压电源电路由通用电学实验台提供稳压电压；温度—电压转换电路由集成AD590模拟温度传感器进行温度—电流转换；K—℃转换器由uA741运放组成的减法器来实现这一功能；放大器同样由uA741运放组成的反相比例放大器；比较器由uA741实现电压比较；驱动报警电路则由晶体管和发光二极管构成，水温测试仪能测量水温并实现超温报警。目录1.1绪论41.2课程设计任务书4实验原理及其分析2.1总体结构框图设计82.2集成温度传感器AD59082.3K—℃变换92.3．1K—℃变换减法电路92.3.2电压的放大92.4比较器102.4.1电压比较器原理102.4.2运算放大器比较器112.5报警设备112.6电路工作流程12电路软件简介及其仿真3.1NIMULTISM简介133.2NIMULTISM10.01（EWB）仿真图形143.3电图仿真结果分析153.4Protel99SE软件简介163.5Protel99SEPCB印制电路板制作17调试与总结4.1实物电路的调试184.2设计总结19鸣谢20附录A元器件21附录B参考文献22第1章1.1绪论电子技术是当今科技发展的热点，各先进国家无不把它放在优先的发展的地位。电子技术是电类专业的一门重要的技术基础课，课程地显著特点之一是它的实践性。要想很好的掌握电子技术，除了掌握基本器件的原理，电子电路的基本组成及分析方法外，还要掌握电子器件及基本电路的应用技术，课程设计就是电子技术教学中的重要环节。

本课程设计就是针对模拟电子技术这门课程的要求所做的，同时也将学到的理论与实践紧密结合。

本设计是设计的水温测量仪的，它是一种简易水温测量电路，主要是采用一些简单的电子元件即可，它是采用由直流稳压电源，温度—电压转换电路，K—℃电路，驱动报警电路，放大电路和比较电路五个核心部分组成。通过本次设计能使我们对电子工艺的理论有了更进一步的系统了解。我们了解到了设计小电子产品的一些常规方法，以及培养了我们团队合作的能力，在讨论设计方案，计算元件参数，购买元件，制作电路板，安装调试方面都体会到了团队的力量。本次课程设计的课题是水温测量仪，本课程设计将就水温测量电路的工作原理、参数计算、元件选取、电路调试等做详细的介绍和说明。1.2课程设计任务书水温测量仪的设计（一）设计目的1、通过对温度测量电路的设计，安装和调试了解温度传感器的性能，学会在实际电路中运用；2、进一步熟悉集成运放的线性和非线性运用；3、掌握直流稳压电源的稳压系数和内阻测试方法。（二）设计要求和技术指标1、技术指标：要求设计一个温度测量器件，其主要技术指标如下：（1）测量温度：室温—50℃；（2）被测温度达到50℃时，指示灯亮（或蜂鸣器工作）；（3）由数字电压表实现温度显示，可直接读出温度值。2．设计要求：(1)设计一个能满足要求的温度测量及报警电路；(2)要求绘出原理图，并用Protel99画出印制板图；(3)根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；(4)在万能板或面包板上安装好电路并调试；(5)拟定测试方案和设计步骤；(6)撰写设计报告，测试总结及使用说明书。（三）设计提示1．基本原理：被测对象被测对象K—℃变换放大电压表比较器报警设备2.AD590：建议采用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。器件采用B－1型金属壳封装温度—电压变换电路如图1所示。由图可得：如R=10KΩ，则。图1温度—电压转换电路图2K—℃变换电路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℃，由运放组成的加法器可以实现这一转换，参考电路如图2所示。元件参数的确定和－UR选取的指导思想是：0℃（即273K）时，。4、放大器：设计一个反相比例放大器，使其输出u03满足100mV/℃。用数字电压表可实现温度显示。5、比较器：由电压比较器组成，如图3所示。UREF为报警时温度设定电压，Rf2用于改善比较器的迟滞特性，决定了系统的精度。图3比较器图4驱动电路6、调试要点和注意事项：用温度计测传感器处的温度T(℃)如T=27℃（300K）。若取R=10KΩ，则，调整UR的值使，若放大器的放大倍数为－10倍，则放大器的输出u03应为2.7V。测比较器的比较电压UREF值，使其等于所设定的温度乘以0.1V，如设定温度为50℃，则值为5V。比较器的输出可接LED指示或蜂鸣器。把温度传感器加热（可以电吹风吹）在温度小于设定值前LED应处于熄灭状态，反之，为点亮。7、实验用仪器设备（1）数字电压表（2）面包板或万能板（3）智能电工实验台8、设计用主要器件AD590集成温度传感器一只、741四块、蜂鸣器/LED各一个、电阻电容若干、晶体管一只（驱动电路）、电阻若干（四）设计报告要求1、选定设计方案；2、拟出设计步骤，画出电路，分析并计算主要元件参数值；3、整理测试数据（五）设计总结1、在测试中发现什么故障？如何排除？2、心得体会。第2章实验原理及其分析１总体结构框图设计制作水温测量仪，首先利用温度传感器获取被测量对象的温度，将温度转换为电压表示。然而上述表示的为绝对温度与电压的转换关系，因此还需将绝对温度与电压的关系转换为摄氏度与电压的关系，这样就完成电压与摄氏度之间的直接转换关系。之后将电压放大，即可直接用电压表读出被测对象的温度值。此外将放大后的电压接至一电压比较器，比较器输出端接报警设备，如指示灯。在设置比较电压（即比较温度）后，由比较器输出端的电压决定指示灯的状态，进而起到报警的作用。基本原理如图2.1.1所示：被测对象被测对象K—℃变换放大电压表比较器报警设备图2.1.1基本原理图2.2集成温度传感器AD590AD590是AD公司利用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，如图2.2.1所示。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。其主要参数如表2.2.1所示：工作电压4～30V反向电压－20V工作温度 －55～＋150℃焊接温度（10秒）300℃保存温度－65～＋175℃灵敏度1μA／K正向电压＋44V图2.2.1AD590参数表2.3K—℃变换2.3．1K—℃变换减法电路实现温度—电压转换后，不能直接测量，仍需将绝对温度转换为摄氏度，即实现K—℃变换。绝对温度（T）与摄氏度（t）之间的关系为：T=t+273k（2.3.1）由式（2.2.2）与式2.3.1可知要实现K—℃变换，必有：Uo=10mV/℃―2.73V(2.3.2)该变换可用一个差分式减法器实现，如图1.3.1所示：图2.3.1差分式减法器差分式减法器分析：在理想运放的情况下，利用虚短与虚断。有如下关系：eq\f(Uref-U,R2)=eq\f(U-U2,R4)(2.3.3)及eq\f(U1-U,R1)=eq\f(U,R3)(2.3.4)解式（2.3.3）与式（2.3.4）得：U2=(EQ\f(R2+R4,R2))(EQ\f(R3,R1+R3))U1—eq\f(R4,R2)Uref（2.3.5） (1.3.5)所以，只要选取合适的R1,R2,R3,R4值，便可满足所需要求。如取R4/R2=R3/R1,则有下式：U2=EQ\f(R4,R2)（U1-Uref）(2.3.6)2.3.2电压的放大由式2.3.6知选择R4与R2的值可以实现电压放大功能，此时取R4=R3=100KΩ，R1=R2=10KΩ，此时有：U=10（U1-Uf）(2.3.7)由上式可知温度与电压之间的关系：U=0.1V/℃将放大后的电压接直流电压表，即可直接读的温度值,如:将AD590放入20℃的水中，可读得电压表的值为2V。2.4比较器2.4.1电压比较器原理： 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。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。图2.4.1(a)所示为一最简单的电压比较器，UR为参考电压，加在运放的同相的输入端，输入电压ui加在反相的输入端。

(a)（b）图2.4.1电压比较器原理原理图图2.4.1(b)所示为其传输特性。当Ui＜UR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压UZ，即Uo＝UZ。当ui＞UR时，运放输出低电平，DZ正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD，即Uo＝－UD。因此，以UR为界，当输入电压ui变化时，输出端反映出两种状态，高电位和低电位。2.4.2运算放大器比较器以上介绍的是最简单的电压比较器原理。比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。图2.4.2由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压Va经分压器R2、R3分压后接在同相端，Vb通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与Va、Vb及4个电阻的关系式为：Vout=(1+eq\f(RF,R1))(eq\f(R3,R2+R3))Va-eq\f(RF,R1)Vb(2.4.1)若R1=R2，R3=RF，则:Vout=eq\f(RF,R1)(Va-Vb)，(2.4.2)RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2短路)，R3=RF=∞(相当于R3、RF开路)时，Vout=∞。增益成为无穷大，其电路图就形成图2.4.3的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。因此为了实现报警功能，可在输出电压端接一个电压比较器，利用电压的大小关系起到报警作用。2.5报警设备LED发光二极管：报警设备可用一个发光二极管来充当，发光二极管LED，它是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写。发光二极管发热量小，耗电少。发光二极管有很多优势：1.电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。2.效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%3.适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境4.稳定性：10万小时，光衰为初始的50%5.响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级6.对环境污染：无有害金属汞报警分析：当加与U2端的电压大于设定温度Uref时，U3有了正向输出，二极管LED导通，发光二极管灯亮。2.6电路工作流程电路如图2.6.1所示。首先，AD590根据外界温度,得出相应的电流值，流经Ro后产生一定的电压值，U1构成一个电压跟随器13点输出。由AD590输出的电流转换为绝对温度K（用电压表示）。然后，Ri，R10和U4，调节电位器Ri使14点输出为2.73V。在经过U2差减放大后，5点输出电压。0.1V代表1℃。读出示数即可。当温度小于50℃时候，U3（电压比较器）中3号管脚的电位小于二号管脚的电位5V，此时六号管脚输出的是地点为，LED1发光二极管反向偏置，不亮灯。当温度大于（或等于）50℃时，U3中3管脚的电位大于5V,此时6号管脚的输出高电位，LED1发光二极管灯亮。图2.6.1第三章电路软件及其仿真3.1NIMULTISM简介Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。MULTISIM10功能介绍●通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路●通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为●借助高级电路分析,理解基本设计特征●通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试●通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间直观的捕捉和功能强大的仿真：NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。3.2NIMULTISM10.01（EWB）电路仿真MULTISIM10.01建立电路模型，由于没有AD590，我们可以利用一个恒流源代替AD590提供电流，比拟温度的采样。被减电压2.73V我用了一个2.73V的电池来代替。电路模型如图3.2.1仿真电路模型图3.2.1仿真结果图形图3.2.2仿真结果图形图电图仿真结果分析设置好电路以后，我们开始仿真。由于我们用了一个恒流源代替了AD590，即用电流源比作电压的获得。1.去电流源电流值为322uA时，对应的绝对温度为322K，转化为摄氏度为+49℃，与之对应的电压表示出应为4.9V。如图3.2.2所示，电压显示为4.908V，与理论值基本一致（误差为0.008V）。此时因为温度为+49℃，不报警，即LED1发光二极管不亮。2.去电流源电流值为323uA时，对应的绝对温度为323K，转化为摄氏度为+50℃，与之对应的电压表示出应为5.0VV。如图3.2.3所示，电压显示为5.008V，与理论值基本一致（误差为0.008V）。此时因为温度为+50℃，报警，即LED1发光二极管亮。3.4Protel99SE简介Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。

Protel99SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：◆可生成30多种格式的电气连接网络表；◆强大的全局编辑功能；◆在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中;◆同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络;◆既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；◆满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）；*方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE3f5）；◆支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件；*PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；◆强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；◆智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；◆提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；◆放置汉字功能；◆可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；◆智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；◆方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；◆独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；◆强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；◆经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；◆反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合；◆专家导航帮您解决信号完整性问题。

3.5Protel99SEPCB印制电路板制作由protel99SE制作的原理图如图3.5.1所示（LED发光二极管用电阻R10表示）：水温计原理图图3.5.1由原理图转化为PCB图，如图3.5.2所示:第四章调试与总结4.1实物电路的调试连接好实物图后，为了电路能够正常工作和更加精确地进行测量。我们必须在实用前对其进行一系列的检查和调整。包括对线路的检查和功能调试。线路检测包括检查PCB板上连接的失误电路图是够与原理图一致；还有线路是否有短路和短路现象，如果有的话，需要对其进行修复等等。功能调试，对Ri进行调节，使uA74L03（如图6.2.1所示）的输出电压变成2.73V；用万用表测在不用情况下发光二极管两端的电压等等。水温计的实物图如下图，图4.1.1所示：实物图图设计总结进过了近三个星期的课程设计，我们收获了，同时我们也困惑了。收获，是因为在我们经过自己的努力后看到了自己的设计成果，并且在设计的过程当中我们学习到了很多的知识，并且锻炼了我们的团队意识，让我们明白，团队的力量是无穷的，只有当一个团队的成员都凝成一股神，相互分工，相互合作，互帮互助，共同解决所遇到的麻烦，才能使一个团队发挥出无穷的力量。困惑，是因为我们在设计的过程当中过到了很多的麻烦，有主观方面的，也有客观方面的。主要集中于下面几点。首先，我们所学的知识不够牢固，对很多比较基础的知识的掌握程度比较低。没有能够切实的落实好基础知识的学习。使我们在运用基础知识解决问题的时候总是遇到很多的麻烦，甚至有时候还会犯比较低级的出错。其次，就是不能比较