数电数字温度计的设计说明书

新疆大学课程设计报告所属院系：电气工程学院专业：电气工程及其自动化课程名称：数字电子技术课程设计设计题目：数字温度计的设计班级：学生姓名：学生学号：指导老师:完毕日期：.12.24课程设计题目：数字温度计的设计规定完毕的内容：一、技术指标：1.基本范畴测温0~100℃2.精度误差不大于1℃3.LED数码直读显示温度大小。二、设计内容及环节1.提出两种方案，并对该两种方案进行评价以选出最优方案；2.完毕各单元电路的设计和绘制出各单元电路图；3.设计出总体电路图；4.对各单元电路及总体电路进行仿真和调试；5.实训小结三、实训工作量：在一周内和同组同窗设计出数字温度计的电路设计、仿真、调试。指导教师评语：评定成绩为：指导教师签名：年月日

数字温度计的设计总体方案的选择拟定系统方案框图方案一：本方案采用AD590单片集成两段式敢问电流源温度传感器对温度进行采集，采集的电压通过放大电路将信号放大，然后通过3.5位A/D转换器转换成数字信号，在进行模拟/数字信号转换的同时,还可直接驱动LED显示屏,将温度显示出来。系统方框图以下：温度采集（AD590）温度采集（AD590）电压放大数码管驱动（译码器）LED显示屏A/D转换图1.1系统方案框图方案二：使用数字传感器采集温度信号，然后将被测温度变化的电压或电流采集过来放大适宜的倍数，进行A/D转换后，将转换后的数字进行编码，然后再通过译码器通过七段数字显示屏将被测温度显示出来。数字式温度传感器数字式温度传感器信号解决放大电路A/D转换（ADC0809）译码器（74HC4511）编码器七段数字显示屏图1.2系统方案框图2.方案的分析和比较方案一中的模数转换器ICL7107集A/D转换和译码器于一体，能够直接驱动数码管，不仅省去了译码器的接线，使电路精简了不少，并且成本也不是很高。ICL7107只需要极少的外部元件就能够精确测量0到200mv电压，AD590能够将温度线性转换成电压输出。而方案二通过A/D转换后，需要先通过编码器再通过译码器才干将数字显示出来。比较上述两个方案，方案一明显优越于方案二，它用AD590采集温度信号，用ICL7107驱动数码管直接实现数字信号的显示，实现数字温度计的设计；省去了另加编码器和译码器的设计，因此线路更简朴、直观；即采用方案一。单元电路的设计通过AD590对温度进行采集，通过温度与电压近乎线性关系，以此来拟定输出电压和对应的电流，不同的温度对应不同的电压值，故我们能够通过电压电流值通过放大进入到A/D转换器和译码器，再由数码管表达出来。2.1传感电路AD590是半导体结效应式温度传感器，PN结正向压降的温度系数为-2mV/℃,运用硅热敏晶体管PN结的温度敏感特性测量温度的变化测量温度,其测量温度范畴为-50～150。AD590输出电流值(μA级)等于绝对温度(开尔文)的度数。使用时普通需要将电流值转换为电压值,如图2.1.1图中,Ucc为激励电压,取值为4～40V;输出电流I0以绝对温度零度-273℃为基准,温度每升高1℃,电流值增加图2.1.1A温度t对应输出电流Io为:Io(t)=273μA+t×1μA/℃（式1）式中:273μA为摄氏零度时输出的电流值；t为测得的摄氏温度。在室温25℃时,输出电流Io(25)=(273+25)=298μAAD590构成的电压输出电路如图所示：图2.1.2A电路含有偏置和增益调节装置功效，为了改善输出电压的性能,电路中采用了电压跟随器。由于AD590输出的是绝对温度,而实际显示的是摄氏温度,设计差动放大电路(U1,U2为输入),调节电位器使U1=2.73V,则图3输出电压值Uo与温度传感器测得的摄氏温度呈线性关系,计算公式为:（式2）对于25℃的室温,Uo=2.5V2.2温度信号解决放大电路OP－07芯片是一种低噪声，非暂波稳零的单运算放大器集成电路。由于OP-07含有非常低的输入失调电压（对于OP-07A最大为25μV），因此OP-07在诸多应用场合不需要额外的调零方法。OP-07同时含有输入偏置电流（OP-07A为±2nA）和开环增益高（对于OP-07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OPOP－07含有下列特点：

(1)超低偏移：150μV最大。

(2)低输入偏置电流：1.8nA。

(3)低失调电压漂移：0.5μV/℃。

(4)超稳定，时间：2μV/month最大8765它的引脚图如图2.28765图2.2.1OP-07芯片引脚功效阐明：1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源+。OP-07高精度运算放大器含有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长久稳定等特点。由AD590和OP-07构成的信号采集电路如图2.2.2图2.2.2由输出短路法及输入求和方式可判断该电路是电压并联负反馈放大电路。因此可知If=-Vi/Rf，反馈系数F=If/Vo，因此F=-1/R3A=Vo/Ii，放大倍数AF=A/（1+AF）。A/D转换电路ICL7107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。ICL7107可直接驱动共阳极LED数码管。ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本较好的结合在一起，它有低于10uV的自动校零功效，零漂不大于1uV/℃，低于10pA的输入电流，极性转换误差不大于一种字。真正的差动输入和差动参考源在多个系统中都很有用。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。ICL7107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（不大于15Vp-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。ICL7107的A/D转换及数字显示图的部分电路原理图以下：图2.3.0ICL7107数字部分框图ICL7107转化器原理图如图2.3.1所示。其中计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑涉及分频器、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对应笔画的方波。图2.3.1ICL7107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"，其它码全部熄灭。

钓锁存器用来寄存A/D转换的成果，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2.3.2所示

图2.3.2双积分型A/D转换器的电压波形图ICL7107AD转换器的管脚排列及其各管脚功效如图2.3.3所示：图2.3.3ICL7107引脚功效：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显示屏的对应笔画电极。Bck：千位笔画驱动信号。接千位LEO显示屏的对应的笔画电极。PM：液晶显示屏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构成的振荡器。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”，使用时普通与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。

TEST：测试端，该端通过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是一种积分电容器，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应20μA的驱动电流，从此脚接一种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。ICL7107的工作原理：双积分型A/D转换器ICL7107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，然后运用脉冲时间间隔，进而得出对应的数字性输出。838电子

它的原理性框图如图2所示，它涉及积分器、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，在一种测量周期内，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，比较的成果作为数字电路的控制信一号。时钟信号源的原则周期Tc作为测量时间间隔的原则时间。它是由内部的两个反向器以及外部的RC构成的。其振荡周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC。数码管显示数码管能够分为共阳极与共阴极两种，共阴极是把全部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），它的内部构造图如图2.7所示。aGbaGbcdefgSP图2.4.1共阳极数码管内部构造在本次设计当中，由于ICL7107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。在连接数码管时，我们要注意数码管各个管脚所对应的字母，不能接错或接漏，并且在管脚之前要接上电阻，以免烧坏芯片和数码管。总电路图将传感电路、信号采集解决放大电路、A/D转换电路、七段数码显示电路这四个单元电路级联起来能够得到以下总电路图：图3.1总体电路图仿真与调试4.1调试与测量数据按照以上各个部分的原理图，对电路进行级联，并焊接电路板。接好电源，进行调试。由于所用的集成片(例如A/D转换器ICL7107)在EDA仿真软件上诸多都没有，进行模拟仿真很困难，所觉得了通过连接实际元件进行仿真和调试：（1）按照电路图对有关元件进行连接，其中注意芯片各管脚的作用以及该如何进行接线。（2）当上环节完毕后，接通电源，观察数码管和二极管与否亮，若不亮时，要对电路电源进行检测，看与否线路接触不良或者电路短路。（3）（2）完毕之后，观察数码管与否显示数值，然后变化LM35的温度值，观察数码管与否随着温度变化而变化。（4）若数码管数值与温度值相差太大，则要检查信号采集电路中各元件值与否对。为了验证设计电路的对的性以及它的实验数据，我们对实物进行验证。用水银温度计和本次设计的电路对相似温度下物体进行对应的测量并绘成表格进行比较。如表4.1。表4.1水银温度计与设计电路数据的比较测测量工具测量环境水银温度计数字温度计室温21.021.1冷水袋15.115.2温水袋52.052.1经对照，由上表的数据能够得出，本系统的误差<1℃,分辨率为0.14.2元器件清单表4.2元器件明细表元件名称元件型号及参数个数电阻10K3100K124K11M1470K11K1可调电阻100K120K1电容0.1uF10.01uF10.047uF10.22uF1100pF1芯片AD5901OP-071ICL71071数码管共阳极数码管3小结采用AD590、A/D转换器和数码管。通过温度传感器AD590采集到温度信号，通过放大电路送A/