哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGEI-哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）I-摘要數(shù)字溫度計是一種利用數(shù)字顯示溫度的裝置，與傳統(tǒng)的水銀溫度計相比，它具有測溫準(zhǔn)確，顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一種采用ICL7107三位半A/D轉(zhuǎn)換器和集成溫度傳感器AD590的數(shù)字溫度計的設(shè)計與制作，并對其方案選擇,設(shè)計思路，以及功能和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論述。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)收測試，該溫度計具有電路簡單、讀數(shù)方便、測溫準(zhǔn)確、精度高、測量范圍廣、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計方案正確可行，各項指標(biāo)穩(wěn)定可靠。關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度計；AD590；ICL7107AbstractDigitalthermometerisadevicewithdigitaldisplayoftemperature,comparedwiththeconventionalmercurythermometer,ithasatemperaturemeasurementaccuracy,visualdisplay,etc.,whichhavebeenwidelyused.ThispaperpresentsathreeandahalfusingICL7107A/Dconverter,andintegratedtemperaturesensorAD590digitalthermometerdesignandproduction,andtheprogramselection,designideas,andthefunctionsandworkingprincipleofadetailedanalysisanddiscussion.Afterpractice,acceptancetesting,thethermometerhasasimplecircuit,easyreading,accuratetemperaturemeasurement,highprecision,widemeasurementrange,lowpower,etc.,designiscorrectandfeasible,stableandreliableindicators.Keywords：Digitalthermometer;AD590;ICL7107目錄摘要IAbstractII第1章緒論11.1課題背景11.2課題的目的和意義11.3課題的技術(shù)要求2第2章系統(tǒng)設(shè)計與方案論證3系統(tǒng)主體設(shè)計方案32.2系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計方案4本章小結(jié)4第3章系統(tǒng)單元電路的設(shè)計63.1顯示電路的設(shè)計63.1.1數(shù)碼管顯示原理63.1.2三位半數(shù)顯表工作原理63.2A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計7ICL7107的特點(diǎn)與引腳功能7ICL7107的工作原理93.3測溫電路的設(shè)計103.3.1溫標(biāo)的基本概念103.3.2溫度傳感器的比較與選擇103.3.3確定選擇方案11AD590工作原理113.4積分電路的設(shè)計133.5零點(diǎn)校準(zhǔn)電路的設(shè)計143.6沸點(diǎn)校準(zhǔn)電路的設(shè)計153.7時鐘振蕩電路的設(shè)計16負(fù)5V供電電路的設(shè)計17本章小結(jié)18第4章整機(jī)電路的工作原理194.1整機(jī)電路圖194.2整機(jī)電路工作原理20本章小結(jié)20第5章系統(tǒng)的安裝與調(diào)試215.1電路的安裝215.1.1元件的檢測215.1.2整機(jī)的布線原則215.1.3元件的組裝215.2電路的調(diào)試21本章小結(jié)22結(jié)論23致謝24參考文獻(xiàn)25附錄1譯文26附錄2英文參考資料30附錄3硬件實(shí)物圖35附錄4元件清單36第1章緒論課題背景溫度計是人類社會生產(chǎn)和生活中必不可少的一種測量裝置，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)和各種高新技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)和研究中，溫度也是一個非常關(guān)鍵的測量參數(shù)。因此，它的發(fā)展與各行業(yè)的發(fā)展緊密相關(guān)。目前，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，傳感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，溫度計已向自動化、數(shù)字化方向發(fā)展，代表了溫度計量發(fā)展的最前沿。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們發(fā)明了各式各樣的，各種用途的溫度計，根據(jù)所用測溫物質(zhì)的不同和測溫范圍的不同，有煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差電偶溫度計、輻射溫度計和光測溫度計等。近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，數(shù)字化的不斷發(fā)展，數(shù)字溫度計的出現(xiàn)對人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了巨大影響。在國外，溫度計的發(fā)展始于1593年，由意大利科學(xué)家伽利略(1564～1642)發(fā)明了第一支溫度計，后來又相繼出現(xiàn)華氏溫度計、列式溫度計、攝氏溫度計，均用水銀和酒精等作為測溫物質(zhì)。現(xiàn)在英、美國家多用華氏溫度計，德國多用列氏溫度計，而在世界科技界和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，我國和法國等大多數(shù)國家多采用攝氏溫度計，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的需要，測溫技術(shù)也在不斷地改進(jìn)和提高，測溫范圍變得越來越廣，精度越來越高?，F(xiàn)代化的溫度檢測手段能達(dá)到的精度、靈敏度及測量范圍等，在很大程度上決定了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。同時，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平又為溫度檢測技術(shù)、傳感器技術(shù)提供了新的前提手段。目前溫度計的發(fā)展很快，從原始的玻璃管溫度計發(fā)展到了現(xiàn)在的熱電阻溫度計、熱電偶溫度計、數(shù)字溫度計、電子溫度計等。溫度傳感器應(yīng)用非常廣泛，而溫度計中傳感器是它的重要組成部分，傳感器的精度靈敏度基本決定了溫度計的精度、測量范圍、控制范圍和用途等。本文研究的數(shù)字溫度計，它是通過一定的電路和溫度傳感器進(jìn)行測控，將溫度用數(shù)字準(zhǔn)確的顯示出來，具有數(shù)據(jù)顯示直觀，測量精度高，測溫范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。1.2課題的目的和意義隨著科學(xué)技術(shù)日益迅速的發(fā)展，數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)深入到生活的各個方面。數(shù)字溫度表具有技術(shù)效果好，經(jīng)濟(jì)效益高，技術(shù)先進(jìn)，造價較低，可靠性高，維修方便等許多優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字溫度表擺脫傳統(tǒng)水銀溫度計在使用時的弊端,以其準(zhǔn)確快捷的測量功能和清晰易懂的數(shù)字化顯示方便人們?nèi)粘Ｉ钍褂?。溫度是我們?nèi)粘Ｉ钪袑?shí)時接觸到的物理量，但是它是看不到的，僅憑感覺只能估測到大概的溫度值。傳統(tǒng)的水銀溫度計雖然能指示溫度，但是精度低，反應(yīng)速度慢，誤差大，顯示不夠直觀。數(shù)字溫度計的出現(xiàn)可以讓人們直觀的了解自己想知道的溫度到底是多少。當(dāng)前，主要溫度儀表，如熱電偶、熱電阻及輻射溫度計等在技術(shù)上已經(jīng)成熟，但是它們只能在傳統(tǒng)的場合應(yīng)用，尚不能滿足簡單、快速、準(zhǔn)確測溫的要求，尤其是高科技領(lǐng)域。因此，各國專家都在有針對性地競相開發(fā)各種新型溫度傳感器及特殊與實(shí)用測溫技術(shù)，如采用光纖、激光及遙感或存儲等技術(shù)的新型溫度計已經(jīng)實(shí)用化。由于許多質(zhì)量高、價格低，使用簡單的傳感器和數(shù)字化測量儀表一起使用，以及微型計算機(jī)、微處理器和各種大規(guī)模集成電路的迅速普及，使今天的數(shù)字測量儀表遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的測量儀表。數(shù)字化測量是一種發(fā)展十分迅速的綜合性應(yīng)用技術(shù)。利用數(shù)字化測量儀表的計量技術(shù)、測量系統(tǒng)，不但能可靠地獲得大量準(zhǔn)確的信息，而且能極其迅速地對信號進(jìn)行有效的處理，還可以實(shí)現(xiàn)自動化測量功能。因此作為自動化、智能化測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心的數(shù)字化儀器儀表，在我國現(xiàn)代化建設(shè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。本文介紹了利用集成溫度傳感器AD590設(shè)計并制作的一款基于4位數(shù)碼管顯示的數(shù)字溫度計能有效克服傳統(tǒng)的缺點(diǎn)和不足，與傳統(tǒng)的溫度計相比，輸出溫度采用數(shù)碼管顯示，具有讀數(shù)方便、測溫穩(wěn)定準(zhǔn)確、精度高、測量范圍廣、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，很適合日常溫度的測量。1.3課題的技術(shù)要求（1）利用溫度傳感器制作三位半數(shù)顯溫度表。（2）溫度的測量范圍：-30℃～+100℃(243K～373K)。（3）測量精度要求≤±1℃。（4）利用電池供電。

第2章系統(tǒng)設(shè)計與方案論證系統(tǒng)主體設(shè)計方案多數(shù)的數(shù)字溫度計采用溫度敏感元件也就是溫度傳感器（如鉑電阻，熱電偶，半導(dǎo)體，熱敏電阻等），將隨溫度變化而變化的物理參數(shù)，如膨脹、電阻、電容、熱電動勢、磁性、頻率、光學(xué)特性等通過溫度傳感器轉(zhuǎn)變成電信號的變化，如電壓和電流的變化，溫度變化和電信號的變化有一定的關(guān)系，如線性關(guān)系，曲線關(guān)系等，將電信號經(jīng)過放大電路放大后使之產(chǎn)生適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電信號，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路即用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號送給驅(qū)動電路輸出，然后通過顯示單元，如數(shù)碼管或者LCD等顯示出來，這樣就完成了數(shù)字溫度計的基本測溫功能。本設(shè)計方案的核心是A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107，它包括了線性放大器、模擬開關(guān)、時鐘振蕩器、七段譯碼、顯示驅(qū)動器等部件。并且它是三位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，屬于CMOS大規(guī)模集成電路，最大顯示值為1999，最小分辨率為100μV。能直接驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管，不需要另加驅(qū)動器件，無需另行設(shè)計放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路等，使硬件電路的構(gòu)成大大簡化，減少了各級之間的干擾。系統(tǒng)主體設(shè)計原理圖如圖2-1所示。顯示電路驅(qū)顯示電路驅(qū)動電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路放大電路測溫電路圖2-1系統(tǒng)主體設(shè)計原理圖下面詳細(xì)地介紹了各部分的組成及設(shè)計原理。測溫電路主要是由溫度傳感器和與傳感器有關(guān)的電阻等組成，將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電流或電壓的變化，輸出給下一級放大電路；放大電路主要由集成運(yùn)放及其外接電容、電阻等組成，用以放大由測溫電路產(chǎn)生的微弱電信號，使之滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換電路工作需要的電壓或電流；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，將放大電路輸出的模擬電信號轉(zhuǎn)換成能夠使驅(qū)動電路工作的數(shù)字信號；驅(qū)動電路由譯碼器及其外圍電路組成，用來驅(qū)動數(shù)碼管或LCD液晶屏等顯示器；顯示電路由七段數(shù)碼管或LCD液晶屏構(gòu)成，用來顯示當(dāng)前所測環(huán)境的攝氏溫度值。系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計方案系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計采用了模塊化的設(shè)計方法，系統(tǒng)硬件電路由符號顯示模塊、十位顯示模塊、個位顯示模塊、小數(shù)位顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換器模塊、測溫電路模塊、積分電路模塊、零點(diǎn)校準(zhǔn)電路模塊、沸點(diǎn)校準(zhǔn)電路模塊、時鐘振蕩電路模塊、負(fù)5V供電電路模塊等十一部分組成。系統(tǒng)硬件電路方框圖如圖2-2所示。十位顯示個位顯示符號位顯示小數(shù)位顯示十位顯示個位顯示符號位顯示小數(shù)位顯示三位半A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107三位半A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107沸點(diǎn)校準(zhǔn)電路測溫電路時鐘振蕩電路零點(diǎn)校準(zhǔn)電路沸點(diǎn)校準(zhǔn)電路測溫電路時鐘振蕩電路零點(diǎn)校準(zhǔn)電路積分電路負(fù)5V供電電路負(fù)5V供電電路圖2-2系統(tǒng)硬件電路方框圖本章小結(jié)本章介紹了數(shù)字溫度計的整體設(shè)計思路，并通過方案比較確定了最終的設(shè)計方案，由于引入了模塊化的設(shè)計思想，使各單元結(jié)構(gòu)明確，條理清晰，給后續(xù)的安裝和調(diào)試工作帶來了極大的方便。通過大量文獻(xiàn)和資料的查閱，本章介紹的數(shù)字溫度計中的溫度傳感器需要查傳感器應(yīng)用方面的知識，相關(guān)的熱偶傳感器和PN結(jié)傳感器等，通過了解這些傳感器可以深入了解溫度傳感器工作原理，在數(shù)字溫度計中的作用。接下來查閱的資料是關(guān)于數(shù)字電路這一塊,需要查閱的資料是數(shù)字電路中A/D轉(zhuǎn)換的原理,可以查閱的書籍有模擬電路、數(shù)字電路和實(shí)驗(yàn)方面的書籍。繪制電路圖過程中，查閱關(guān)于CAD的書籍等。第3章系統(tǒng)單元電路的設(shè)計顯示電路的設(shè)計3.1.1數(shù)碼管顯示原理數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，這兩種都是我們最常用的，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多了一個小數(shù)點(diǎn)，除此之外，其它方面基本相同。所謂的八段就是指數(shù)碼管里有八個小LED發(fā)光二極管，通過控制不同的LED的亮滅來顯示出不同的字型。數(shù)碼管按發(fā)光二極管單元連接方式又分為共陰極和共陽極兩種類型，共陰極就是將八個LED的陰極連在一起，讓其接地，這樣給任何一個LED的另一端高電平，它便能點(diǎn)亮。而共陽極就是將八個LED的陽極連在一起，形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。3.1.2三位半數(shù)顯表工作原理三位半的意思是該表有三位可以顯示0~9的數(shù)碼管，還有一位最高位是只能顯示0和1，這個最高位如果是1，后三位是999，那么就是1999，約等于2000。最高位的權(quán)重是1000/2000即1/2。三位半數(shù)顯表是指最大顯示數(shù)為1999的儀表，“三”是指后面三位能顯示完全十進(jìn)制(0～9)的數(shù)目，“半”是指1999進(jìn)位后能達(dá)到的整數(shù)位“2”和首位數(shù)“1”即1/2，多用于集成電路ICL7106或7107等專用IC設(shè)計。本文介紹的三位半數(shù)顯表由四個八段數(shù)碼管組成，用來顯示實(shí)測溫度，從低至高位依次為小數(shù)位、個位、十位、符號位。由于ICL7107內(nèi)部具有譯碼驅(qū)動功能，所以不需另接譯碼器就能很好的控制LED，以便實(shí)時顯示溫度值。采用LED顯示方式，由于其具有亮度高、顯示醒目、使用壽命長、方便、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)用儀器儀表中得到廣泛應(yīng)用。圖3-1為利用四個數(shù)碼管組成的三位半數(shù)顯表電路圖。圖3-1三位半數(shù)顯表電路圖3.2A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計3.2.1ICL7107的特點(diǎn)與引腳功能A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計采用ICL7107，它是三位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，屬于CMOS大規(guī)模集成電路，它的最大顯示值為士1999，最小分辨率為100μV。能直接驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管，不需要另加驅(qū)動器件，使整機(jī)線路簡化，采用士5V兩組電源供電，在芯片內(nèi)部從與COM之間有一個穩(wěn)定性很高的2.8V基準(zhǔn)電源，通過電阻分壓器可獲得所需的基準(zhǔn)電壓。能通過內(nèi)部的模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動調(diào)零和自動極性顯示功能。輸入阻抗高，對輸入信號無衰減作用。整機(jī)組裝方便，無需外加有源器件，配上電阻、電容和LED共陽極數(shù)碼管，就能構(gòu)成一只直流數(shù)字電壓表頭。噪音低，溫漂小，具有良好的可靠性，壽命長。芯片本身功耗小于15mw(不包括LED)，不設(shè)有專門的小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動信號。使用時可將LED共陽極數(shù)數(shù)碼管公共陽極接，可以方便的進(jìn)行功能檢查，ICL7107引腳圖如圖3-2所示。圖3-2ICL7107引腳圖和分別接電源的正極和負(fù)極；～、～、～分別為個位、十位、百位筆畫的驅(qū)動信號，依次接各LED數(shù)碼管的相應(yīng)筆畫電極；ABK為千位筆畫驅(qū)動信號,接千位LED數(shù)碼管；RM為LED數(shù)碼管公共電極的驅(qū)動端,接LED共陽數(shù)碼管的5腳和10腳；～為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腳電容量的選擇按式（3-1）計算：=0.45/RC（3-1）COM為模擬信號公共端，簡稱“模擬地”，使用時一般與輸入信號的負(fù)端以及基準(zhǔn)電壓的負(fù)極相連；TEST為測試端，該端一般不用，使用時需經(jīng)過500Ω電阻接至邏輯電路的公共地，故也稱“邏輯地”或“數(shù)字地”；與為基準(zhǔn)電壓正負(fù)端；與為外接基準(zhǔn)電容端；27腳接積分電容器，必須選擇溫度系數(shù)小不致使積分器的輸入電壓產(chǎn)生漂移現(xiàn)象的元件；和為模擬量輸入端，分別接輸入信號的正端和負(fù)端；AZ為積分器和比較器的反向輸入端，接自動調(diào)零電容，如果應(yīng)用在200mv；BUF為緩沖放大器輸出端，接積分電阻，其輸出級的無功電流是100μA，而緩沖器與積分器能夠供給20μA的驅(qū)動電流，從此腳接一個積分電阻至積分電容器，其值在滿刻度200mv時選用47K，而2V滿刻度則使用470K。3.2.2ICL7107的工作原理圖3-3ICL7107工作原理圖

圖3-3ICL7107工作原理圖雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它通過對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)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(jìn)而得出相應(yīng)的數(shù)字性輸出。它的原理性框圖如圖3-3所示。它包括積分器、比較器、計數(shù)器，控制邏輯和時鐘信號源。積分器是A/D轉(zhuǎn)換器的心臟，在一個測量周期內(nèi)，積分器先后對輸入信號電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分。比較器將積分器的輸出信號與零電平進(jìn)行比較，比較的結(jié)果作為數(shù)字電路的控制信號。時鐘信號計數(shù)器對反向積分過程的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)。控制邏輯包括分頻器、譯碼器、相位驅(qū)動器、控制器和鎖存器。分頻器用來對時鐘脈沖逐漸分頻，得到所需的計數(shù)脈沖和共陽極LED數(shù)碼管公共電極所需的方波信號。譯碼器為BCD七段譯碼器，將計數(shù)器的BCD碼譯成LED數(shù)碼管七段筆畫組成數(shù)字的相應(yīng)編碼。驅(qū)動器是將譯碼器輸出對應(yīng)于共陽極數(shù)碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅(qū)動相應(yīng)筆畫的方波?？刂破鞯淖饔糜腥齻€：第一，識別積分器的工作狀態(tài)，適時發(fā)出控制信號，使各模擬開關(guān)接通或斷開，A/D轉(zhuǎn)換器能循環(huán)進(jìn)行。第二，識別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負(fù)號顯示。第二，當(dāng)輸入電壓超量限時發(fā)出溢出信號，使符號位顯示“1”，其余碼全部熄滅。調(diào)鎖存器用來存放A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，鎖存器的輸出經(jīng)譯碼器后驅(qū)動LED。測溫電路的設(shè)計.1溫標(biāo)的基本概念物體的受熱程度通常用“溫度”來表征，用來衡量物體溫度的尺子稱為“溫度標(biāo)尺”，簡稱“溫標(biāo)”。它標(biāo)定了溫度的零點(diǎn)和基本測量單位。目前國際上用得較多的溫標(biāo)有熱力學(xué)溫標(biāo)、國際實(shí)用溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)和國際實(shí)用溫標(biāo)的單位是K，攝氏溫標(biāo)的單位是℃，華氏溫標(biāo)的單位是℉。本系統(tǒng)作為一般的環(huán)境溫度測量使用，為更貼近人們?nèi)粘Ｉ盍?xí)慣一律采用攝氏溫標(biāo)：℃作為溫度的基本表示單位。.2溫度傳感器的比較與選擇由于溫度傳感器的種類較多，同時針對本文設(shè)計的數(shù)字溫度計測量環(huán)境的需要，提出了以下四種選擇方案：方案一：采用集成電路溫度傳感器AD590，AD590為電流輸出型的集成溫度傳感器，它所流過的電流數(shù)值(微安級)等于絕對溫度(開爾文)的度數(shù)，激勵電壓可以從+4V～+40V，溫度范圍-55℃～+150℃，標(biāo)準(zhǔn)輸出為1μA/K的線性關(guān)系。因?yàn)槭请娏鬏敵?，易于遠(yuǎn)距離傳輸，不會因電壓降或感應(yīng)噪聲電壓影響而產(chǎn)生誤差，且AD590是半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)式溫度傳感器，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值與熱力學(xué)溫度和通過發(fā)射極電流的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測，具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，無需外部校準(zhǔn)。方案二：采用PT100，它是一種使用比較普遍的溫度傳感器，精度比AD590稍差一些，誤差在℃，用在一般電路上還是足夠了。測溫范圍是-50℃～+150℃。它的工作原理是：在探頭里填充熱敏電阻材料，當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時，它的阻值會隨之改變。當(dāng)溫度升高時，它的阻值會變大，后面的控制電路會根據(jù)相應(yīng)輸出的阻值不同，而驅(qū)動顯示相應(yīng)的溫度值，而且它與方案三：采用KTY10，這種溫度傳感器是目前比較高端的傳感器，它的精度非常高，誤差僅為℃，且靈敏度很高，測溫范圍特別寬，能達(dá)-200℃～+500方案四：采用熱電偶溫差電路測溫，溫度檢測部分可以使用低溫?zé)崤迹瑹犭娕加蓛蓚€焊接在一起的異金屬導(dǎo)線所組成，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩種金屬的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成。通過將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度并測量該電壓，便可推斷出檢測結(jié)點(diǎn)的溫度。數(shù)據(jù)采集部分則使用A/D轉(zhuǎn)換器，將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后通過顯示電路，就可以將被測溫度顯示出來。熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬，且體積小，但是它們也存在著輸出電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺點(diǎn)。.3確定選擇方案在各種方案中，熱電偶由于熱電勢小，靈敏度低，熱電阻的非線性影響其精度，KTY10溫度傳感器的成本高，且易受氧化影響。而AD590是單片集成溫度傳感器，測溫范圍為-55℃～+150℃，利用半導(dǎo)體三極管的基極與發(fā)射極之間的電壓大約具有/℃的溫度系數(shù)實(shí)現(xiàn)溫度檢測，且AD590是電流型集成溫度傳感器的代表產(chǎn)品，除具有一般集成溫度傳感器的共同特點(diǎn)：靈敏度高、準(zhǔn)確度高、體積小、電路接口方便、價格低廉、使用簡單等優(yōu)點(diǎn)外，還具有自身所特有的一些性能特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：測溫不需要參考點(diǎn)；工作電壓在4～30V時都能獲得穩(wěn)定的輸出信號，其線性電流輸出為1μA/K；以熱力學(xué)溫標(biāo)零點(diǎn)作為零輸出點(diǎn)，在25℃μA；因?yàn)閷π酒M(jìn)行了激光校正，其具有良好的互換性，且校準(zhǔn)準(zhǔn)確度可達(dá)±℃；使用時接口簡單；輸出阻抗高達(dá)10MΩ以上，適用于遠(yuǎn)距離溫度測量和計算機(jī)遠(yuǎn)距離控制。經(jīng)過方案比較，綜合各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定選擇第一種方案。與后幾種方案相比，第一種方案中AD590是美國AnalogDevices公司生產(chǎn)的二端式集成溫度傳感器，利用半導(dǎo)體的結(jié)效應(yīng)，它所流過的電流數(shù)值(微安級)等于絕對溫度(開爾文)的度數(shù)，激勵電壓可以從+4V到+30V范圍變化，測溫范圍-55℃～+150℃完全能滿足技術(shù)要求。因?yàn)槭请娏鬏敵觯子谶h(yuǎn)距離傳輸，且不會因電壓降或感應(yīng)噪聲電壓影響產(chǎn)生誤差。.4AD590工作原理在被測溫度一定時，AD590相當(dāng)于一個恒流源，把它和5～30V的直流電源相連，并在輸出端串接一個電阻。那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比。其基本電路如圖3-4所示。RRΔUnRV2I2V1I1V3V4輸出IEs圖3-4AD590內(nèi)部基本電路圖圖3-4是利用Δ特性的集成PN結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中、起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流和相等；、是感溫用的晶體管，兩個管的材質(zhì)和工藝完全相同，但實(shí)質(zhì)上是由n個晶體管并聯(lián)而成，因而其結(jié)面積是的n倍。和的發(fā)射結(jié)電壓和經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻R上，所以R上端電壓為Δ。因此，電流按式（3-2）計算：＝Δ／R＝（KT／q）（lnn）／R（3-2）式中K為波爾茲曼常數(shù)，q為電子電量。對于AD590，n＝8，這樣，電路的總電流將與熱力學(xué)溫度T成正比，將此電流引至負(fù)載電阻RL上便可得到與T成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號不受電源電壓和導(dǎo)線電阻的影響。圖3-4中的電阻R是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準(zhǔn)溫度下可得到1μA／℃的電流輸出。溫度檢測電路如圖3-5所示。圖3-5溫度檢測電路圖3.4積分電路的設(shè)計ICL7107芯片的27、28、29腳組成積分電路，27腳接積分電容，μF。29腳接自動調(diào)零電容(此元件宜選用無感式滌綸電容)，28腳接積分電阻(積分電容和積分電阻應(yīng)保證質(zhì)量)。29腳為積分器和比較器的反向輸入端，接自動調(diào)零電容如果應(yīng)用在200mvμμF，而本硬件電路顯示最大值為“-199”約等于200mvμF的電容。28腳為緩沖放大器輸出端，接積分電阻，其輸出級的無功電流是100μA，而緩沖器與積分器能夠供給20μA的驅(qū)動電流，從此腳接一個電阻至積分電容器，其值在滿刻度200mV時選用47K，而2V滿刻度則使用470K。其積分電路如圖3-6所示。圖3-6積分電路原理圖零點(diǎn)校準(zhǔn)電路的設(shè)計零點(diǎn)校準(zhǔn)電路由A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107的30和31引腳外接μF電容、10K電位器、12K、10K電阻組成。溫度表在使用前要進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，校準(zhǔn)采用比較法。校準(zhǔn)的過程是這樣的：電路連接好后，將溫度傳感器和標(biāo)準(zhǔn)溫度計放入冰水混合物中。等待一段時間，當(dāng)數(shù)碼管顯示值穩(wěn)定后微調(diào)電位器RP1，使溫控表讀數(shù)為“”。然后將溫度傳感器移出，等待一段時間，重新插入冰水混合物中，這樣反復(fù)進(jìn)行幾次，校準(zhǔn)就完成了。經(jīng)過校準(zhǔn)后，溫度測量更加準(zhǔn)確，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。其電路如圖3-7所示。圖3-7零點(diǎn)校準(zhǔn)電路圖沸點(diǎn)校準(zhǔn)電路的設(shè)計沸點(diǎn)校準(zhǔn)電路由A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107的32、35和36腳外接10K電位器、10K電阻組成。沸點(diǎn)校準(zhǔn)電路的設(shè)計同零點(diǎn)校準(zhǔn)電路類似，在使用前同樣要進(jìn)行沸點(diǎn)溫度校準(zhǔn)，校準(zhǔn)同樣采用比較法。校準(zhǔn)的過程如下：電路連接好后，將溫度傳感器和標(biāo)準(zhǔn)溫度計放入100℃沸水中。等待一段時間，當(dāng)數(shù)碼管顯示值穩(wěn)定后微調(diào)電位器RP2，使溫控表讀數(shù)為“”。然后將溫度傳感器移出，等待一段時間，重新插入100℃沸水中，這樣反復(fù)進(jìn)行幾次，校準(zhǔn)就完成了。經(jīng)過校準(zhǔn)后，溫度測量更加準(zhǔn)確，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。其電路如圖3-8所示。圖3-8沸點(diǎn)校準(zhǔn)電路圖時鐘振蕩電路的設(shè)計時鐘振蕩電路由ICL7107的38、39腳外接電阻和電容共同構(gòu)成IC內(nèi)部振蕩器的RC電路。該電路的時鐘頻率為48KHz，測量速率為3次/s?！珵闀r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(jù)公式(3-1)來計算，一般C4取100pF，由于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器第一次積分階段的時間為電網(wǎng)工頻周期20ms(50Hz)的整數(shù)倍時具有無窮大的抑制串模干擾的能力。因此，輸入脈沖的頻率根據(jù)公式(3-3)計算：(1000Tosc)×4=(20ms)×N(3-3)取N=4，可求得Tosc，故fosc=48kHz，則采樣速率根據(jù)公式(3-4)計算：SR=48kHz/(4000×4)=3次/s(3-4)根據(jù)公式(3-1)可求出R=93.75k，故R9電阻取近似值100k。其電路如圖3-9所示。圖3-9時鐘振蕩電路圖3.8負(fù)5V供電電路的設(shè)計負(fù)電壓電源可以從電路外部直接使用7905等芯片來提供，但是這需要外接電源，且本電路中采用四節(jié)干電池供電，電壓過低難以實(shí)現(xiàn)。通常采用簡單方法，利用一個反向器就可以解決問題，這樣電路簡單，成本低。本文介紹的方法是用74L04六μF電容和IN4148二極管組成，74LS04六反相器1腳利用A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107的38腳時鐘信號，ICL7107的阻容振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號送給74LS04進(jìn)行兩個非門的整形，然后利用二極管的單向?qū)щ娞匦耘c電容的充放電原理，產(chǎn)生負(fù)5V電壓供給ICL7107的負(fù)電源輸入端，使之能夠正常工作，其電路如圖3-10所示。圖3-10負(fù)5V供電電路原理圖本章小結(jié)本章對各單元電路的原理和功能進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論述,針對硬件設(shè)計中出現(xiàn)的問題提出了解決的辦法,并為后續(xù)整機(jī)電路的設(shè)計提供了理論依據(jù)，實(shí)驗(yàn)證明本設(shè)計中各單元電路設(shè)計方案正確可行,各項指標(biāo)穩(wěn)定可靠。第4章整機(jī)電路的工作原理4.1整機(jī)電路圖圖4-1整機(jī)電路原理圖4.2整機(jī)電路工作原理整機(jī)電路由符號顯示電路、十位顯示電路、個位顯示電路、小數(shù)位顯示電路、A/D轉(zhuǎn)換器電路、測溫電路、積分電路、零點(diǎn)校準(zhǔn)電路、沸點(diǎn)校準(zhǔn)電路、時鐘振蕩電路、負(fù)5V供電電路等十一部分組成。利用集成溫度傳感器AD590內(nèi)部半導(dǎo)體的結(jié)效應(yīng)，它所流過的電流數(shù)值（微安級）等于絕對溫度（開爾文）的度數(shù)，激勵電壓在+4V～+30V之間，所以整機(jī)電路的電源采用四節(jié)干電池供電，電壓為6V，測溫范圍為-55℃～+150℃，標(biāo)準(zhǔn)輸出為1μA/K的線性關(guān)系。當(dāng)溫度傳感器AD590感應(yīng)外界的溫度變化后，流經(jīng)它的電流就會隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，而且是呈線性變化的，絕對溫度與攝氏溫度的轉(zhuǎn)換根據(jù)公式（4-1）計算：T=273.2+t(℃)（4-1）流過器件的電流i為攝氏溫度t的函數(shù)，見公式（4-2）。i(t)=(273.2+t)×1μA/K（4-2）因此，輸出電流為1μA/℃，即溫度每變化1℃，輸出電流變化1μA。由于在電路中串上了一個分壓電阻，當(dāng)溫度變化時，該電阻就會將電流的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。此時，ICL7107的輸入端將得到隨溫度變化而變化的電壓信號，但該電壓信號是模擬信號，由ICL7107內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路把輸入的信號變換成數(shù)字信號，再經(jīng)過自身的驅(qū)動電路，把測得的量送給外圍的數(shù)碼管進(jìn)行顯示。與此同時，ICL7107的阻容振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號送給74LS04進(jìn)行兩個非門的整形，然后利用二極管的單向?qū)щ娦耘c電容的充放電原理，產(chǎn)生-5V電壓供給ICL7107的負(fù)電源輸入端，使之能夠正常工作，而正電壓則由電池供給。本章小結(jié)本章在結(jié)合各單元電路功能的基礎(chǔ)上設(shè)計出了整機(jī)電路,并對整機(jī)電路的組成和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論述。實(shí)驗(yàn)證明整機(jī)電路的設(shè)計方案正確可行,各項指標(biāo)穩(wěn)定可靠。第5章系統(tǒng)的安裝與調(diào)試5.1電路的安裝5.1.1元件的檢測按電路圖買好元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測方法進(jìn)行檢測，而且要認(rèn)真核對與原理圖是否一致，在檢查好后才可上件、焊件，防止出現(xiàn)錯誤焊件后不便改正。5.整機(jī)的布線原則（1）安裝分立元件應(yīng)便于看到其極性和標(biāo)志。為防止集成電路受損，在插入或拔出時要非常細(xì)心。插入時應(yīng)使器件的方向一致，缺口朝左，使所有引腳均對準(zhǔn)插座板上的小孔，均勻用力按下，拔出時必須用專用拔鉗，夾住集成塊兩頭，垂直往上拔起。（2）根據(jù)信號流向的順序，按電路順序直線排列，輸入與輸出線遠(yuǎn)離，采用邊安裝邊調(diào)試的方法。元器件安裝之后，先安電源線和地線，為方便查找，連線應(yīng)用不同的顏色加以區(qū)分，正電源應(yīng)用紅色絕緣皮的導(dǎo)線，地線用黑色。（3）把使用的導(dǎo)線拉直，導(dǎo)線兩頭各留6mm左右作為插入插孔的長度。布線時要注意器件周圍走線，不允許導(dǎo)線在集成塊上方跨過，導(dǎo)線不能交叉。5.元件的組裝按原理圖的位置放置各元件，在放置過程中要先放置、焊接較低的元件，后焊較高和要求較高的元件。特別是容易損壞的元件要后焊，在焊集成芯片時連續(xù)焊接時間不要超過10s，或先焊接芯片座，焊好后將芯片插在芯片座上，注意芯片的安裝方向。5.2電路的調(diào)試本機(jī)制作容易，因ICL7107為CMOS電路，宜使用IC插座，當(dāng)各元件焊接完畢后再插入ICL7107。焊接好后，準(zhǔn)備好0℃的冰水混合物和100℃的沸水。將一支測溫范圍在0～100℃的水銀溫度計與測溫探頭一起插入冰水混合物中，待水銀柱穩(wěn)定后微調(diào)電位器RP1，使數(shù)碼管顯示“”，再把水銀溫度計與測溫探頭一起插入沸水中，待水銀柱停止上升后（一般為100℃），微調(diào)電位器RP2，使數(shù)碼管顯示“”。重復(fù)調(diào)整多次即可（但應(yīng)注意從沸水中或冰水混合物中取出再插入時，要等一些時間，以免損壞傳感器），調(diào)節(jié)完成后應(yīng)保持電位器的阻值不變。經(jīng)過以上調(diào)試，若電路不能正常工作，則進(jìn)行以下調(diào)試：將37腳的TEST端與l腳短接，表頭應(yīng)顯示-1888，這時可檢查顯示是否缺筆畫。如有，大多是引腳、連線虛焊；將與短接，表頭應(yīng)顯示為“0000”，若不為零，則應(yīng)檢查自動校零電容C2和參考電容C3是否漏電；將3l腳與36腳短接，表頭讀數(shù)應(yīng)為1000，若有偏差，調(diào)電位器RP，若仍然不行，則多半是RP、積分電容損壞；將32腳與26腳短接，表頭的最高位應(yīng)顯示“-l”，其它位均不亮，否則，應(yīng)檢查電源或換芯片；將芯片ICL7107正確的插入插槽，用溫度計測出此時的室溫，給電路板接通+5V電源，然后調(diào)節(jié)滑動變阻器使數(shù)碼管顯示到當(dāng)前溫度。本章小結(jié)本章對硬件電路的安裝與調(diào)試進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論述，經(jīng)過調(diào)試后系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定，各項指標(biāo)準(zhǔn)確無誤，穩(wěn)定可靠。結(jié)論本文介紹的數(shù)字溫度計電路在硬件上采用集成溫度傳感器AD590來檢測溫度，測溫準(zhǔn)確，精度高。使用A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換、譯碼和驅(qū)動。利用四個LED數(shù)碼管構(gòu)成三位半數(shù)顯溫度表來顯示實(shí)測溫度，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。由于采用±5V雙電源供電，使系統(tǒng)的抗干擾性能得到加強(qiáng)。利用A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘信號，由74LS04六反向器外接二極管、電容等構(gòu)成-5V供電電路，充分利用了ICL7107的外部引腳資源，解決了用W7805穩(wěn)壓器時電路不共地的問題，使電路結(jié)構(gòu)更加簡化、完美。本設(shè)計電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便。經(jīng)驗(yàn)收測試，該數(shù)字溫度計設(shè)計方案正確可行，各項指標(biāo)穩(wěn)定可靠。雖然本文介紹的數(shù)字溫度計有許多優(yōu)點(diǎn)，但在設(shè)計當(dāng)中也存在一些不足，如溫度傳感器測溫時有一定的時間延遲，系統(tǒng)反應(yīng)緩慢。另外，與單片機(jī)控制的智能溫度計相比，該數(shù)字溫度計系統(tǒng)功能單一。由于采用專用集成芯片控制，可擴(kuò)展空間有限，沒有添加超溫報警，日期顯示等附加功能。本次設(shè)計在前期原理分析與硬件電路調(diào)試過程中也遇到了很多問題，走了許多彎路，但在不斷地摸索過程中尋找到了答案。例如，將數(shù)碼管引腳采用總線連接，與驅(qū)動芯片各引腳連成一點(diǎn)，本以為芯片會自動分辨出驅(qū)動引腳位置，可結(jié)果卻不然。在焊接過程中，器件選擇時由于色環(huán)電阻顏色標(biāo)示不太清楚，開始焊接前也未用萬用表重新量過，誤把4.7K當(dāng)作47K電阻來用，導(dǎo)致電路工作不穩(wěn)定，隨后其余的均通過萬用表測量進(jìn)行選擇，后續(xù)焊接過程較快。之后的整機(jī)調(diào)試過程中，基準(zhǔn)電壓和零點(diǎn)調(diào)整較快，在調(diào)溫度測量選擇時，0℃調(diào)節(jié)好后，數(shù)碼管顯示正常，但是在沸點(diǎn)100℃的時候誤差值較大，開始時以為分壓電阻選錯，進(jìn)行了調(diào)節(jié)并更換了電阻和電位器，還是不成功。之后確定送顯示部分有問題存在，電路中粗測了各選擇電容和電阻器件，也都沒有錯誤，最后發(fā)現(xiàn)電路中的一個關(guān)鍵部分，也是最容易被忽略的地方電源存在問題。本電路電源部分采用干電池供電總結(jié)本次設(shè)計，在整個過程中從每個細(xì)節(jié)入手，既將學(xué)到的知識應(yīng)用到了具體實(shí)踐當(dāng)中，又增加了自己的實(shí)際操作和排錯的能力?？傊а匀f語一個道理：成功需要堅持，缺少每一步都不可能將目標(biāo)完整的實(shí)現(xiàn)，實(shí)踐的過程中需要細(xì)心，只有細(xì)致才能使效率更高，才能將每個步驟完美的完成。致謝為期三個月的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)圓滿結(jié)束。經(jīng)過本人的不懈努力以及白娜老師的耐心指導(dǎo)和熱情幫助，本次畢業(yè)設(shè)計順利完成。在此，要特別鳴謝指導(dǎo)教師白娜以及實(shí)驗(yàn)室的各位老師們！在畢業(yè)設(shè)計期間我的設(shè)計和論文都是在白老師全面、具體的指導(dǎo)下進(jìn)行的，老師對論文的選題、構(gòu)思、資料收集到最后定稿的各個階段都給了我很大的寶貴意見和悉心指導(dǎo)，認(rèn)真幫助我糾正設(shè)計上的錯誤和論文寫作上的不規(guī)范之處，在白老師的指導(dǎo)和幫助下我才得以順利地完成了畢業(yè)設(shè)計。她嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，誨人不倦的師者風(fēng)范、忘我的工作精神深深感動了我。此外，本次設(shè)計中我遇到了很多難題，然而這些難題讓我不斷的學(xué)習(xí)，在困難中進(jìn)步。在此我要感謝指導(dǎo)教師給我的提供了寶貴的意見，感謝學(xué)校給我們這提供實(shí)訓(xùn)的機(jī)會。特別感謝實(shí)驗(yàn)室的老師和同學(xué)們在調(diào)試階段給予的大力支持，給我們提供了一個良好的設(shè)計環(huán)境，使用工具，為我們的畢業(yè)設(shè)計能夠順利完成提供了強(qiáng)大的后勤保障。同時也要感謝劉巖濤老師，他也在畢業(yè)設(shè)計期間給我提供了很大的幫助，在他的幫助下我少走了許多彎路，提高了工作效率。最后，衷心的感謝在百忙之中抽時間來對我的畢業(yè)設(shè)計論文進(jìn)行審閱、評議和參加論文答辯的各位老師！由于個人水平有限，設(shè)計中存在許多缺陷以及不足之處，敬請各位老師給予批評改正。謝謝！

參考文獻(xiàn)[1]丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社，1998.[2]何希才.傳感器及應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.[3]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程.北京:高等教育出版社，2006.[4]林玉江.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.[5]賀洪江.電路基礎(chǔ).北京:高等教育出版社，2005.[6]趙保經(jīng).中國集成電路大全.北京:國防工業(yè)出版社，1995.[7]陳關(guān)友.LM35的數(shù)字溫度計制作.電子制作，2009合訂本.[8]歐偉民.自制數(shù)字溫度計.電子制作，2001（6）：24.[9]戴永成等.基于DS18B20的數(shù)字溫度測量儀[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2008.[10]黃賢武.傳感器原理與應(yīng)用.桂林:高等教育出版社，2007.[11]楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2008.[12][M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987.[13]ThmosL.Floyd，DavidBuchla.FundamentalsofAnalogCircuits.2nded.Prentice-HallInc,2002.[14]AllanR.Hambley.Electronics.2nded.Prentice-HallInc,2002.[15]AdelS.Sedra,KennethSmith.MicioelectronicCircuits.4thed.OxfordUniversityPressInc,1998.附錄1譯文A/D轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換原理可分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器。所謂直接A/D轉(zhuǎn)換器，是把模擬信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，如逐次逼近型，并聯(lián)比較型等。其中逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，易于用集成工藝實(shí)現(xiàn)，且能達(dá)到較高的分辨率和速度，故目前集成化A/D芯片采用逐次逼近型者多；間接A/D轉(zhuǎn)換器是先把模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如電壓/時間轉(zhuǎn)換型（積分型），電壓/頻率轉(zhuǎn)換型，電壓/脈寬轉(zhuǎn)換型等。其中積分型A/D轉(zhuǎn)換器電路簡單，抗干擾能力強(qiáng)，切能作到高分辨率，但轉(zhuǎn)換速度較慢。有些轉(zhuǎn)換器還將多路開關(guān)、基準(zhǔn)電壓源、時鐘電路、譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個芯片內(nèi)，已超出了單純A/D轉(zhuǎn)換功能，使用十分方便。ADC經(jīng)常用于通訊、數(shù)字相機(jī)、儀器和測量以及計算機(jī)系統(tǒng)中，可方便數(shù)字訊號處理和信息的儲存。大多數(shù)情況下，ADC的功能會與數(shù)字電路整合在同一芯片上，但部份設(shè)備仍需使用獨(dú)立的ADC。行動是數(shù)字芯片中整合ADC功能的例子，而具有更高要求的蜂巢式基地臺則需依賴獨(dú)立的ADC以提供最佳性能。ICL7107是三位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，屬于CMOS大規(guī)模集成電路，它的最大顯示值為士1999，最小分辨率為100μV。能直接驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管，不需要另加驅(qū)動器件，采用士5V兩組電源供電，在芯片內(nèi)部從與COM之間有一個穩(wěn)定性很高的2.8V基準(zhǔn)電源，通過電阻分壓器可獲得所需的基準(zhǔn)電壓。能通過內(nèi)部的模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動調(diào)零和自動極性顯示功能，輸入阻抗高，對輸入信號無衰減作用。整機(jī)組裝方便，無需外加有源器件，配上電阻、電容和LED共陽極數(shù)碼管，就能構(gòu)成一只直流數(shù)字電壓表頭。噪音低，溫漂小，具有良好的可靠性，壽命長。芯片本身功耗小于15mv(不包括LED)，不設(shè)有專門的小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動信號。使用時可將LED共陽極數(shù)數(shù)碼管公共陽極接，可以方便的進(jìn)行功能檢查。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部包括積分器、比較器、計數(shù)器，控制邏輯和時鐘信號源。積分器是A/D轉(zhuǎn)換器的心臟，在一個測量周期內(nèi)，積分器先后對輸入信號電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分。比較器將積分器的輸出信號與零電平進(jìn)行比較，比較的結(jié)果作為數(shù)字電路的控制信號。時鐘信號計數(shù)器對反向積分過程的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)?？刂七壿嫲ǚ诸l器、譯碼器、相位驅(qū)動器、控制器和鎖存器。分頻器用來對時鐘脈沖逐漸分頻，得到所需的計數(shù)脈沖和共陽極LED數(shù)碼管公共電極所需的方波信號。譯碼器為BCD七段譯碼器，將計數(shù)器的BCD碼譯成LED數(shù)碼管七段筆畫組成數(shù)字的相應(yīng)編碼。驅(qū)動器是將譯碼器輸出對應(yīng)于共陽極數(shù)碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅(qū)動相應(yīng)筆畫的方波?？刂破鞯淖饔糜腥齻€：第一，識別積分器的工作狀態(tài)，適時發(fā)出控制信號，使各模擬開關(guān)接通或斷開，A/D轉(zhuǎn)換器能循環(huán)進(jìn)行。第二，識別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負(fù)號顯示。第二，當(dāng)輸入電壓超量限時發(fā)出溢出信號，使符號位顯示“1”，其余碼全部熄滅。調(diào)鎖存器用來存放A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，鎖存器的輸出經(jīng)譯碼器后驅(qū)動LED。雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7107的工作原理：當(dāng)輸入電壓一定時，在一定時間內(nèi)對電量為零的電容器進(jìn)行恒流（電流大小與待測電壓成正比）充電，這樣電容器兩極之間的電量將隨時間線性增加，當(dāng)充電到一定時間后，電容器上積累的電量與被測電壓成正比。然后讓電容器恒流放電（電流大小與參考電壓成正比），這樣電容器兩極之間的電量將線性減小，直到T2時刻減小為零。所以，可以得出T2也與Vx成正比。如果用計數(shù)器在T2開始時刻對時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，結(jié)束時刻停止計數(shù)，得到計數(shù)值N2，則N2與Vx成正比。雙積分式AD轉(zhuǎn)換器的工作原理就是基于上述電容器充放電過程中計數(shù)器讀數(shù)N2與輸入電壓Vx成正比構(gòu)成的。ICL7107雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本組成如圖1-1所示。圖1-1ICL7107內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ICL7107內(nèi)部由積分器、過零比較器、邏輯控制電路、閘門電路、計數(shù)器、時鐘脈沖源、鎖存器、譯碼器及顯示等電路所組成。它的轉(zhuǎn)換電路大致分為三個階段：第一階段，首先電壓輸入腳與輸入電壓斷開而與地端相連放掉電容器C上積累的電量，然后參考電容充電到參考電壓值，同時反饋環(huán)給自動調(diào)零電容CAZ以補(bǔ)償緩沖放大器、積分器和比較器的偏置電壓。這個階段稱為自動校零階段。第二階段為信號積分階段（采樣階段），在此階段Vs接到Vx上使之與積分器相連，這樣電容器C將被以恒定電流充電，與此同時計數(shù)器開始計數(shù)，對于三位半模數(shù)轉(zhuǎn)換器，當(dāng)計到某一特定值（N1=1000）時充電過程結(jié)束，這樣采樣時間T1是恒定的，假設(shè)時鐘脈沖為TCP，則T1的計算見公式（1-1）：T1=N1×TCP（1-1）在此階段，Vo與Vx極性相反，Qo為T1時間內(nèi)恒流給電容器C充電得到的電量，Qo和Vo的計算見公式（1-1）和（1-2）：Qo==（1-2）Vo=-=-（1-3）第三階段為反積分階段（測量階段），在此階段，邏輯控制電路把已經(jīng)充電至的參考電容按與極性相反的方式經(jīng)緩沖器接到積分電路，這樣電容C將以恒定的電流放電，與此同時計數(shù)器開始計數(shù)，電容器C上的電量線性減小，當(dāng)經(jīng)過時間T2后，電容器電壓減小到0，由零值比較器輸出閘門控制信號再停止計數(shù)器計數(shù)并顯示出計數(shù)結(jié)果。此階段關(guān)系見公式（1-4）：Vo+=0（1-4）把式（1-3）代入式（1-4）,所得結(jié)果見式（1-5）：T2=×Vx（1-5）從式（1-5）可以看出，由于T1和均為常數(shù)，所以T2與Vx成正比，從圖1-1可以看出。若時鐘最小脈沖單元為,則T1和T2的計算見公式（1-6）和（1-7）：（1-6）（1-7）代入式（1-5），即有式（1-8）：N2=×Vx（1-8）可以得出測量的計數(shù)值N2與被測電壓Vx成正比。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它通過對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)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(jìn)而得出相應(yīng)的數(shù)字性輸出。對于ICL7107，信號積分階段時間固定為1000個,即N1的值為1000不變。而N2的計數(shù)隨Vx的變化范圍為0～1999，同時自動校零的計數(shù)范圍為2999～1000，也就是測量周期總保持在4000個不變。即滿量程時N2最大值見式（1-9）：=2×N1=2000（1-9）Vx最大值見式（1-10）：=2×（1-10）這樣若取參考電壓為100mV，則最大輸入電壓為200mV；若參考電壓為1V，則最大輸入電壓為2V。圖1-2ICL7107內(nèi)部電壓變化圖附錄2英文參考資料A/DconvertercanbedividedinaccordancewiththeprincipleofdirectconversionA/DconverterandindirectA/Dconverter.Theso-calleddirectA/Dconverter,istodirectlyconvertanalogsignalsintodigitalsignals,suchassuccessiveapproximation,parallelcomparisontype.WhichsuccessiveapproximationA/Dconverter,easytouseintegratedprocesstoachieveandcanachievehigherresolutionandspeed,sothecurrentintegratedA/Dchipsuccessiveapproximationaremany;indirectA/DconverteristhefirstConverttheanalogintermediateamount,andthenconvertedtodigital,suchasvoltage/timeconversiontype(integraltype),voltage/frequencyconversiontype,voltage/pulsewidthconversiontype.WheretheintegraltypeA/Dconvertercircuitissimple,anti-interferenceability,high-resolutioncutthatcouldbedone,buttheconversionspeedisslower.Somewillbemulti-switchconverter,voltagereference,clockcircuits,decoderandconvertercircuitinasinglechip,whichhasbeenbeyondthesimpleA/Dconversionfunction,easytouse.ADCoftenusedforcommunications,digitalcameras,equipmentandmeasurementandcomputersystems,digitalsignalprocessingcanbeeasilyandinformationstorage.Inmostcases,ADCwillfeatureintegrationwithdigitalcircuitsonthesamechip,butpartoftheequipmentneededtouseaseparateADC.MobilephoneisadigitalchipintegratedADCfeaturesexamplesandamoredemandingcellularbasestationindependentoftheADCneedtorelyontoprovidethebestperformance.ICL7107isoneofthreesemi-doubleintegraltypeA/Dconverter,areCMOSLSI,thelargestshowofits1999valueofpersons,theminimumresolutionof100μV.CandirectlydrivecommonanodeLEDdigitaltube,thedevicedoesnotrequireadditionaldrivers,two5Vpowersupplywithdisabilities,andtheCOMinthechipfromahighstabilitybetweenthe2.8Vreferencesupplythrougharesistordividerobtainthenecessaryreferencevoltage.Throughtheanalogswitchinsidetheautomaticzeroadjustmentandautopolaritydisplay,highinputimpedance,theinputsignalwithoutattenuation.Machineassemblyconvenience,noexternalactivecomponents,coupledwithresistors,capacitorsandcommonanodeLEDdigitaltube,canconstituteaDCdigitalvoltagemeter.Lownoise,temperaturedriftissmall,hasgoodreliability,longlife.Chipitselfconsumeslessthan15mv(notincludingLED),willnothaveaspecificdecimalpointdrivesignal.LEDcanbeusedatotalnumberofdigitalpublicanodeanodeconnection,youcaneasilycarryoutfunctionalcheck.DoubleintegraltypeA/Dconverterincludesaninternalintegrator,comparator,counter,controllogicandclocksignalsource.IntegratoristheA/Dconverterintheheartofameasurementcycle,theintegratorhastheinputsignalvoltageandreferencevoltagefortwopoints.Comparatortotheintegratoroutputsignalcomparedwiththezeroleveltocomparetheresultsofthecontrolsignalasadigitalcircuit.Clocksignalonthereverseintegrationprocessofcounterclockpulsecount.Controllogicincludingthedivider,thedecoder,phasedrives,controllersandlatch.DividerusedtodividetheclockpulsegraduallytogettherequiredcountpulseandatotalofLEDdigitaltubeanodeelectroderequiredpublicsquarewavesignal.BCDsevensegmentdecoderforthedecoder,thecountercodeintoBCDsevensegmentLEDdigitaltubedigitalstrokescorrespondingcode.Driveisthedecoderoutputcorrespondstothecommonanodeseven-segmentdigitallogiclevelstrokesstrokesintothecorrespondingsquarewavedrive.Theroleofthecontrollertherearethree:first,identifytheworkingstatusoftheintegrator,timelycontrolsignals,sothattheanalogswitchonoroff,A/Dconvertercanloop.Second,identifytheinputvoltagepolarity,thecontrolLEDdigitaldisplaynegativenumbers.Second,whentheissueofoverflowlimitexcessiveinputvoltagesignaltodisplaythesignbit"1",alloftheremainingyardsout.TransferlatchusedtostoreA/Dconversionresults,theoutputlatchbythedecoderafterthedriveLED.DoubleintegralADCICL7107works:Whentheinputvoltageisconstant,withinacertaintime,thecapacitorchargeiszeroconstantcurrent(currentandsensedvoltageisproportionaltothesizeof)charge,sothatthecapacitorbetweenthepowerpoleswillbeincreaseslinearlywithtime,whenthechargetoacertaintime,theaccumulationofchargeonthecapacitorandthemeasuredvoltage.Thenletthecapacitordischargecurrent(currentisproportionaltothesizeofthereferencevoltage),sobetweenthetwopolesofpowercapacitorswilldecreaselinearlyuntilthetimeT2decreasestozero.Therefore,wecandrawandVxareproportionaltoT2.IfthestarttimeofthecounterintheT2clockpulsecount,theendtimetostopcountingandgetthecountN2,andVxisproportionaltoN2.DoubleintegralADconverterisbasedontheprincipleofcapacitordischargeprocesscounterreadingisproportionaltoN2andthecompositionoftheinputvoltageVx.ICL7107internallybytheintegrator,zerocrossingcomparator,logiccontrolcircuits,gatecircuits,counters,clocksource,latch,decoderanddisplaycircuit.Itsconversioncircuitcanbedividedintothreestages:Thefirststage,thefirstvoltageinputpinanddisconnecttheinputvoltageisconnectedwiththeland-sideletgoofthepoweraccumulatedincapacitorC,andthenrefertothereferencevoltagecapacitorcharging,whilethefeedbacklooptotheauto-zerocapacitorCAZtocompensateforthebufferamplifier,Integratorandcomparatoroffsetvoltage.Thisphaseiscalledauto-zerophase.Thesecondstageisthesignalintegrationphase(samplingphase),atthisstageontheVsVxreceivedsoconnectedwiththeintegrator,sothatthecapacitorCisaconstantcurrentcharge,whilethecounterstartscountingmoduleforthethreeandahalfConvertertoaspecificvaluewhenthecount(N1=1000)whenthechargingprocessiscomp