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1、数字式温度表摘要本次实验就是利用集成温度传感器 AD590设计并制作的一款基于4位数码管显 示的数字温度计能有效克服传统的缺点和不足，与传统的温度计相比，输出温度采用数码管显示，具有读数方便、测温稳定准确、精度高、测量范围广、低能耗 等优点，很适合日常温度的测量。关键词 数字测温 温度传感器数字控制 温度计一、实习目的1 .了解大规模专用集成电路的组成；2 .了解半导体温度传感器的工作原理；3 .掌握利用大规模集成电路设计数字式温度表电路和调试的方法。二系统总设计方案多数的数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器 （如柏电阻，热电偶， 半导体，热敏电阻等），将随温度变化而变化的物理参数，如膨
2、胀、电阻、电容、 热电动势、磁性、频率、光学特性等通过温度传感器转变成电信号的变化，如电 压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系， 如线性关系，曲线关 系等，将电信号经过放大电路放大后使之产生适合模数转换器转换的电信号，冉经过模数转换电路即用 A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，数字信号送给 驱动电路输出，然后通过显示单元，如数码管或 LCD等显示出来，这样就完成 了数字温度计的基本测温功能。系统主体设计原理图如图2-1所示。图2-12.1系统硬件电路的设计方案系统硬件电路的设计采用了模块化的设计方法，系统硬件电路由符号显示模块、十位显示模块、个位显示模块、小数位显示模块、A/D
3、转换器模块、测温电路模块、积分电路模块、零点校准电路模块、沸点校准电路模块、时钟振荡电路 模块、正负-5V供电电路等部分组成系统硬件电路方框图如图2-2所示。图2-2三单元电路设计3.1 A/D转换电路的设计3.1.1 ICL7107的特点与引脚功能A/D转换电路的设计采用ICL7107,它是三位半双积分型A/D转换器，属于CMOS大规模集成电路，它的最大显示值为士 1999,最小分辨率为100 w V。能 直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用土 5V两组电源供电，在芯片内部从Va COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准 电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电
4、压。 能通过内部的模拟开关实现自动 调零和自动极性显示功能。输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。整机组装方便， 无需外加有源器件，配上电阻、电容和 LED共阳极数码管，就能构成一只直流 数字电压表头。噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。芯片本身功耗小 于15mw（不包括LED）,设有专门的小数点驱动信号。使用时可将LED共阳极数 数码管公共阳极接V +,可以方便的进行功能检查，ICL7107引脚图如图3-1所示。02QWI51617181314121O12345-+ V -UD UC UB-u A UF UG UE ID rc IB r A fF fE hD hB -hF hE孤*ADN
5、G1CS o 2CS o 3CS o TSET FF V for Vc Mee+ NI FUBT羽tG heh A hG322262524203Qxz 827233231353Qxo 83 73 6304图3-1ICL7107引脚图V JDV 分别接电源的正极和负极； AuGu、3Gt、AhGh分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接 LED数码管的相应笔画电极；ABK为 千位笔画驱动信号，接千位LED数码管；RM为LED数码管公共电极的驱动端, 接LED数码管的5脚和10脚；OSGOSC3为时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器；第38脚至第40脚电容量的选择按式(3-1)计
6、算：Fosc=0.45/RC(3-1)COM为模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端和基准电压的负极相连；TEST为测试端，该端一般不用，使用时需经过500a电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地” ；Vref+与Vref_为基准电压正负端；Cref +与Cref为外接基准电容端；27脚INT接积分电容器，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 4口 IN 为模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端；AZ为积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容，如果应用在 200mv满刻度的场合是使用0.47 pF而2V 满刻度是0.047心BU
7、F为缓冲放大器输出端，接积分电阻，其输出级的无功电 流是100仙A,而缓冲器与积分器能够供给20仙A的驱动电流，从该脚接一个积分 电阻至积分电容器，具值在满刻度200mv时选用47K,而2V满刻度则使用470K。3.2 显示电路设计数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，这两种都是我们最常用的， 八段数码管比七段数码管多了一个小数点，除此之外，其它方面基本相同。所 谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字型。数码管按发光二极管单元连接方式又分为共阴极和 共阳极两种类型，共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端
8、高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个 LED的 阳极连在一起，形成公共阳极 （COM）的数码管。共阳极数数码管在应用时应将 公共极COM接到+5V,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就 点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。这次实验我们所用的就 是共阳极接法，如图3-2所示。bl a QZQe d z c dp图3-23.3 测温电路的设计采用集成电路温度传感器 AD590, AD590为电流输出型的集成温度传感器， 它所流过的电流数值（微安级）等于绝对温度（开尔文）的度数，激励电压可以从 +4V+40V,温度范围-55C+150C,标准输出为1仙A/K的线性关系。因
9、为 是电流输出，易于远距离传输，不会因电压降或感应噪声电压影响而产生误差， 且AD590是半导体结效应式温度传感器，它具有很高的工作精度和较宽的线性 工作范围，利用晶体管的b-e结压降的不饱和值与热力学温度和通过发射极电流 的关系实现对温度的检测，具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方 便等优点，无需外部校准。AD590图3-3图3-3是利用AUbe特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中Vi、V2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流Ii和I2相等；V3、V4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但V3实质上是由n个晶体管并联 而成，因而其结面积是V4的n倍。V3和
10、V4的发射结电压Ube3和Ube4经反极性 串联后加在电阻R上，所以R上端电压为AUbeo因此，电流Ii按式(3-2)计 算：Ii = AUbe/R= (KT/q) (lnn) /R(3-2)式中K为波尔兹曼常数，q为电子电量。对于AD590, n=8,这样，电路的 总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成 正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻 的影响。图3-4中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正 了其电阻值，因而在基准温度下可得到1pA/C的电流输出。3.4 积分电路的设计ICL7107芯片的27、28、29脚
11、组成积分电路，27脚接积分电容，典型值为 0.22 pF。29脚接自动调零电容(此元件直选用无感式涤纶电容)，28脚接积分 电阻(积分电容和积分电阻应保证质量)。29脚为积分器和比较器的反向输入端， 接自动调零电容如果应用在 200mv满刻度的场合是使用0.47仙F,而2V满刻度 是0.047仙F,而本硬件电路显示最大值为“ -199”约等于200mv满刻度，所以 选用0.47 pF的电容。28脚为缓冲放大器输出端，接积分电阻，其输出级的无 功电流是100仙A,而缓冲器与积分器能够供给 20仙A的驱动电流，从此脚接一 个电阻至积分电容器，具值在满刻度200mVJ选用47K,而2V满刻度则使用4
12、70K。共页， 第 页如图3-4所示为积分电路从左至右侬次接27,28, 29引脚0.22friF0047加470Ko图3-43.5 零点校准电路的设计如图3-5所示当温度为0oC时，AD590输出电流为273仙A,放大器反向输入电 压为2.5V,校零时，要让I=I 1=273 A,根据I=U/R可知，RP1 R1的和需要为 2.5V/273 pA=9.157KQ,调节RP1可以得到。每当温度提高 1oC时，AD59喻出 电流提高1pA, AI=I 2,要得到10mV勺变化电压,则可置R2为10KQ。由此， 每当温度提高1C,输出电压提高10mV测温上限为200 C,电压最大值为2V。图3-5
13、3.6 时钟振荡电路的设计时钟振荡电路由ICL7107的38、39脚外接电阻和电容共同构成IC内部振 荡器的RC电路。该电路的时钟频率为48KHz ,测量速率为3次/s。OSCiOSC3 为时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。第 38脚至第40 脚电容量的选择是根据公式(3-1)来计算，一般C4取100pF,由于双积分型A/D 转换器第一次积分阶段的时间为电网工频周期20ms(50Hz)的整数倍时具有无穷大的抑制用模干扰的能力。因此，输入脉冲的频率根据公式(3-3)计算：(1000Tosc)X 4=(20ms) 乂 N(3-3)取N=4,可求得Tosc=0.02ms,故fosc
14、=48kHz,则采样速率根据公式(3-4)计算： SR=48kHz/(4000X 4)=3 次/s(3-4)根据公式(3-1)可求出R=93.75k,故R9电阻取近似值100k。其电品&如图3-63.7 放大电路的设计放大电路采用器件LM324其引月却如图3-7所示。LM324系列器件为价 格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来
15、表示，它有 5个引出脚，其中、“ _为两个信号输入端，“ V+”、“V -”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+ (+)为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。在本电路中使用白是输出引脚1 ,方向输入端2,同相输入端3,引脚4接+5V电源，引脚11接-5V电源。输入1输出1 |T输入43Vcc j VeEf Gnd5喻人3输入2输出27图3-7回输出4可输出33.8 稳压电路的设计稳压电路要求输出2.5V电压，采用器件TL431。TL431是一种并联稳压集成 电路，因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种电源电路中。具封装形式与塑封三极管 9013等相同，其示意图如图3-8a所示。本电路中稳压电路如图3-8b所示，TL431的参考极与阴极短接，阳极接地，阴极通过电阻R5与+5V电压相连，通过此稳压电路得到输出电压+2.5V oTL431参考极阴极阳极
