低频与数字电路课程设计-数字温度计.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date低频与数字电路课程设计-数字温度计大 庆 石 油 学 院主要内容：设计一个数字温度计，测量范围：0100 OC。温度的实时LED数字显示。测量温度信号为模拟量。基本要求：1.画出数字温度计的结构框图。2.画出系统原理电路图。3.用MULTISIM进行仿真实验。4.按要求完成课程设计报告，交激光打印报告和电子文档。主要参考资料：1 阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教

2、育出版社，2001.2 彭介华.电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社，1997.3 孙梅生.电子技术基础课程设计M.北京：高等教育出版社，1998.4 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计M.北京：电子工业出版社，2002.完成期限 一、任务技术指标主要内容：设计一个数字温度计，测量范围：0100 OC。温度的实时LED数字显示。测量温度信号为模拟量。基本要求：1.画出数字温度计的结构框图。2.画出系统原理电路图。3.用MULTISIM进行仿真实验。4.按要求完成课程设计报告，交激光打印报告和电子文档。二、总体设计思想1.基本原理由于温度计的应用很广，所以温度计的设计也不完全一样。以前

3、一般采用热电偶、玻璃液体温度计、双金属温度计、压力式温度计、热电阻和非接触式温度计等进行温度测量。其中热电偶的温度测量范围较宽，它无需使用驱动电源即可直接产生电压（温差电势）信号，该信号既可用直流测量仪器（如电位差计、数字电压表、毫伏计等）读取，以通过热电偶温度特性分度表查出对应的温度；也可以用线性校正电路将小信号电压放大后，通过显示仪表的刻度读数。在某些输油、输气管道应用中，往往要求对温度进行长时间监测，且要求能够快速准确地读数。此时，上述各类温度计则难以胜任。而如果将热电偶产生的热电动势转换成数字信号后由单片机进行数据处理，并通过液晶来显示其温度结果，这种方法反应迅速，测量精度高，功耗小，

4、显示直观。因此，由热电偶、A/D转换电路、单片机和液晶模块组成的数字式低功耗高精度温度计可以代替各种机械式温度计来完成特殊情况下的温度测控工作，且便于实现小型化设计。但在本设计中，数字温度计应用的对象是一般家庭里，主要包括以下几部分：(1).取样电路温度传感器就是能将温度信号反映到电信号上去，这个我们可以用热敏电阻及一些热传感器来实现，由于热敏电阻的阻值与温度不成线性关系，所以这里主要是用温度传感器将温度信号线性地反映到电压上来实现温度取样，测量温度信号为模拟量。(2).放大电路放大电路可以有三极管放大或是用集成运算放大器放大，由于在这里放大器的功能是为了调节传感器与A/D转换器的关系，故可以

5、用集成运算放大器通过负反馈组成任意比例电路，根据芯片的参数需要而选择适当的放大倍数。(3).驱动电路驱动电路是为了让显示器将A/D所转换的数据无误地表现出来。这里主要是驱动LED显示及保护LED的电路，要想让LED正常工作，必需提供适当的电压，保证电流不能超过LED的最大电流，以免烧坏LED管。在这里主要包括一些三极管及电阻，配合驱动电路来制LED控显示。(4).A/D转换及分析A/D转换主要的任务是对模拟电信号进行分析，将其信号转换成数码显示出来，可能的话还可以对信号进行分析预处理。这里也主要是采用MC14433芯片，采用这个芯片可以大大减少A/D转换及译码电路，因为它本身输出就是BCD码，

6、而且是按十进制位串行输出的，同时它还包含了时序电路即用来串行输出用扫描显示用的电路及超过适用范围时发出提示信号，极大简化了电路，从而提高了电路的稳定性及减少功耗。(5).显示电路显示电路可以用各种类型的七段LED显示，出于对器件考虑，在这里仅用最常见的7段码显示即可。2.系统框图模拟采样转化电信号信号放大A/D转换编码显示系统超过温度提示译码电路图1 数字温度计设计框图三、具体设计本设计主要构成部分应该是由模拟传感器、线性放大电路、A/D转换分析、驱动电路及显示五部分组成。下面主要详细介绍各个电路的具体功能。1.取样电路设计National Semiconductor 公司的LM35A温度传感

7、器集成芯片，它能将温度与电流形成线性关系，以电压的形式输入A/D转换器进行转换与分析。转换公式如式(1)，0時输出为0V，每升高1，输出电压增加10mV。LM35有多种不同封裝型式。在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到C、CC41的准确率。其电源供应模式有单电源与正、负双电源两种，正、负双电源的供电模式可提供负温度的量測；两种接法的静默电流-温度关系，单电源模式在25下静默电流約50A，非常省电。 Vout_lm35（T）=10mV/CTC (1) 图2 温度取样电路2.信号放大电路这里的放大电路采用的中LM307N集成运算放大器，根据A/D转换的需要而设计，R4与R6相同，从而构成

8、两倍放大电路。图3 信号放大器电路3.译码驱动电路为了让LED正常工作，设计了这个译码驱动电路，这里采用的是74LS48芯片。图4 译码驱动电路4.A/D转换电路在这部分电路里面，主要就是用MC14433集成A/D转换器，这与其强大的功能是离不开的。如图4中R1、R1/C1、C01、C02、CLKI、CLKO分别为构成积分器、自动调零补偿电路及改变电路时钟频率电路。这里用的是常用的参数，时钟频率是66KHz，UI,UAG则为输入信号的两极，UR为参照电压，即转换最大电压，能过对UAG与UR的调节，可以将传感器输出的电压信号正确地从零开始线性增加，这也是本电路设计的核心部分，通过这个设置，还可以

9、扩大数字温度计的适用范围，对显示部分电路稍作修改就可以对开尔文温度直接显示，只是精度有改变了。D1 稳压管是为确保输入的电压不超过A/D转换器的转换范围。另外，芯片工作采用的是双电压工作的。5.显示电路显示电路主要是由三个LED七段显示器，从左到右分别为十位、个位及小数位。图5 显示电路四、结论当我看到这个题目我感觉无从下手，在认真阅读了任务书后，我开始整理思路，找入手点，上网查询了大量资料，经过分析与理解，才使我对数字温度计的课程设计有了初步的了解，从中我自学到了许多的知识，也体会到学习知识不仅仅局限与课堂，还可以通过课外书籍，网络了解更多自己感兴趣的课题。在课外的探索中，只有把课堂上的理论

10、融入实践当中，才能真正的掌握该知识。对于这个课题，分析了任务书中一些对电路性能的要求，针对这些我首先查找需要电路图的工作原理和元器件的特性，以此为入手点，为以后的设计做准备。电路的设计的前提是要有一个总体的设计思想，根据设计的课题和要求，综合运用自己所学的知识和所查到的资料进行电路的设计，然后再通过MULTISIM进行仿真，MULTISIM以前没接触过，要自学，将电路图中的参数设出来，大体的设计就基本结束了。这只是一个框架，我在设计时还有许多细节问题，不过在同学之间的研讨下，我们最终解决了问题，本次课程设计任务基本完成。通过这次课程设计使我感到，基础知识一定要扎实，没有完全的融会贯通的基础知识

11、就无法将设计进行下去，所以我在以后的生活和学习中一定要注重基础知识的积累和运用。于此同时我还要增强自己的实践能力，实现学有所用，将自己的课堂扩展到整个生活当中。总之，在这次课程设计的过程中，我学习到了许多的知识，同时也发现了许多问题，经过不断的学习和改正，增强了我分析问题和解决问题的能力，提高了我独立思考问题，以及充分利用现有条件和同学之间相互沟通的能力，这次课程设计令我受益匪浅，为我以后的学习和工作奠定了基础。五、附录1.原理图 图6 总体电路2.仿真图 图7 放大电路仿真 图8 驱动显示仿真电路3.元件清单 编号名称规格大小数量芯片LM35、MC14433、CD4511各1片R2、 R12

12、电阻100K2R13电阻51K1R15 、R16电阻1002R18微调电阻2K1D2稳压二极管1V1R14电阻470K1C3、 C4电容0.1uF2R17电阻300K1Q2Q3三极管PNP2U4、U5、U12LEDLED3Q12、Q13、Q14三极管NPN3Y2、Y3蜂鸣片CRYSTAL2 表1 元件清单注：1.CD4511是BCD-锁存/七段译码/驱动器： 有灯测试功能；以反相器作输出级，用以驱动LED或数码管；具有消隐输入；显示数6时，a=0,显示9时，d=0 . 1-B,2-C,3-LT（为灯测试输入端）,4-BI（数据输入端）,5-LE（锁存使能，锁存输入使能）,6-D,7-A,8-V

13、SS（电源负极）（A，B，C，D为门电路的输入端） 9-e,10-d,11-c,12-b,13-a,14-g,15-f, 16-vdd(电源正极）（a,b,c,d,e,f,g为译码输出；显示字符端输出，连接数码管的相应脚）。2.MC14433是美国Motorola公司推出的单片3又 1/2位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：精度：读数的0.05%1字 模拟电压输入量程：1.999

14、V和199.9mV两档 转换速率：2-25次/s 输入阻抗：大于1000M 电源电压：4.8V8V 功耗：8mW（5V电源电压时，典型值） 采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0Q3轮流输出，同时在DS1DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。 MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。3.LM35是由National Semiconductor所生产的温度感測器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系, 0時输出为0V，每升高1，输出电压增加10mV。LM35有多种不同封裝型式。在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到C、CC41的准确率。其电源供应模式有单电源与正、负双电源两种，正、负双电源的供电模式可提供负温度的量測；两种接法的静默电流-温度关系，单电源模式在25下静默电流約50A，非常省电。-