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2015年1月
第一章实习目的、内容和要求
1.1实习目的
1、进一步加深对模拟电子技术、数字电子技术、电路理论的应用实践能力,学以致用,加强自主设计能力。
2、了解温度传感器铂电阻PT100原理以及掌握其应用;
3、了解并掌握精密仪表放大器INA122的原理以及基本电路;
4、了解TC7107芯片的原理及基本测压电路;
5、熟悉并掌握产品设计的基本思路和方法;
6、掌握常用电子元器件的选择方法和元件参数;
7、加强计算机运用、查阅资料和独立完成电路设计的能力。
1.2实习内容
设计说明:
温度是非电量模拟信号,数字显示温度就必须将这一非电量信号转换成电量(电压或电流),然后将模拟电信号经ADC转换成数字信号,最后经译码显示器显示温度值。
温度传感元件较多,如热敏电阻、热电偶、温敏二极管、温敏三极管等。
比如温敏三极管在温度发生变化时be结的温度系数为–2mV/°
C,利用这个特性可以测出环境温度的变化。
但由于在0°
C时温敏三极管be结存在的电压vbe不等于零,因此需要设计一个调零电路,使温敏三极管在0°
C时的输出为零,使显示器的读数也为零。
当环境温度上升到100°
C时,温敏三极管be结的电压增加到–200mV,这时应使电路的输出显示读数为100。
一般只需要调好0°
C和满度,输出读数与温度就能对应。
图1.2.1数字温度计框图
要求:
1、基本部分
(1)被测温度范围0~200°
C。
(2)直接用
数字电压表显示温度值,可直接读出0~1999°
也可以用4位数码管显示温度值。
2、其它说明:
(1)用4位数码管显示温度值。
(2)验证三个值:
冰水0°
C、环境温度、100°
C沸水。
1.3实习任务要求
1、画出总体设计框图,以说明数字温度计由哪些相对独立的功能模块组成,标出各个模块之间的互相联系。
并以文字对原理作辅助说明。
2、设计各个功能模块的电路图,加上原理说明。
3、选择合适的元器件,在仿真设计软件上连接验证、仿真、调试各个功能模块的电路。
在连接验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式,在充分电路正确性同时,输入信号和输出方式要便于电路的仿真、调试和故障排除。
4、在验证各个功能模块基础上,对整个电路的元器件和连接,进行合理布局,进行整个数字钟电路的连接验证、仿真、调试。
5、自行接线验证、仿真、调试,并能检查和发现问题,根据原理、现象和仿真结果分析问题所在,加以解决。
学生要解决的问题包括元器件选择、连接和整体设计引起的问题。
第二章设计原理及软件简介
2.1设计原理
2.1.1铂电阻PT100的基本工作原理
pt100是铂热电阻,它的阻值会随着温度的变化而改变,当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长,
铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式:
-200<
t<
0℃Rt=R0[1+At+Bt*t+C(t-100)t*t*t]
(1)
0≤t<
850℃Rt=R0(1+At+Bt2)
(2)
Rt为t℃时的电阻值,R0为0℃时的阻值。
公式中的A,B,系数为实验测定。
这里给出标准的DINIEC751系数:
A=3.9083E-3、B=-5.775E-7、C=-4.183E-12
根据韦达公式求得阻值大于等于100欧姆的Rt-〉t的换算公式:
850℃t=(sqrt((A*R0)^2-4*B*R0*(R0-Rt))-A*R0)/2/B/R0
PT100温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下:
R=Ro(1+αT) 其中α=0.00392,Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为摄氏温度<
br>
因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。
以下是部分铂电阻PT100的分度表:
图2.1.1PT100的分度表
2.1.2精密仪表放大器INA122的基本工作原理
INA122是精密低噪声信号采集仪表放大器,颞部采用两个运放设计,使之具有非常低的静态电流的优越性能,其输入阻抗高、共模抑制能力强,可有效放大差模信号,可用于便携式仪表和数据采集,INA122工作在很宽的单电源供电下(2.2--36V),静态电流仅60ua。
加一个外部电阻RG,放大倍数公式为:
G=5+2000K/RG。
可设定5—10000V/V的任意增益值。
激光矫正保证了极低的失调电压及漂移和优越的共模抑制。
以下图是INA122的内部结构图:
图2.1.2INA122内部结构图
放大倍数:
G=5+2000K/RG
2.1.3ICL7107的基本工作原理与主要构成部分介绍
当输入电压为Vx时,在一定时间T1内对电量为零的电容器C进行恒流(电流大小与待测电压Vx成正比)充电,这样电容器两极之间的电量将随时间线性增加,当充电时间T1到后,电容器上积累的电量Q与被测电压Vx成正比;
然后让电容器恒流放电(电流大小与参考电压Vref成正比),这样电容器两极之间的电量将线性减小,直到T2时刻减小为零。
所以,可以得出T2也与Vx成正比。
如果用计数器在T2开始时刻对时钟脉冲进行计数,结束时刻停止计数,得到计数值N2,则N2与Vx成正比。
双积分AD的工作原理就是基于上述电容器充放电过程中计数器读数N2与输入电压Vx成正比构成的。
现在我们以实验中所用到的3位半模数转换器ICL7107为例来讲述它的整个工作过程。
ICL7107双积分式A/D转换器的基本组成如图1所示,它由积分器、过零比较器、逻辑控制电路、闸门电路、计数器、时钟脉冲源、锁存器、译码器及显示等电路所组成,以下是芯片原理图:
图2.1.3-1TC7107的芯片引脚图
(一)模拟部分
模拟电路由双积分式A\D转换器构成,图2.3-3所示。
主要包括2.8V基准点。
图2.1.3-3双积分式A\D转换器结构
源(EO)、缓冲器(AL)、积分器(A2)、比较器(A3)和模拟开关的组成。
缓冲器A4专门用来提高COM端带负载的能力,可谓设计数字多用表的电阻挡、二极管挡和hFE挡提供便利条件.这种转换器具有转换准确高度、抗串模干扰能力强、电路简单、成本低等优点。
适合做低速\模转换。
每个转换周期分为三个阶段进行,自动调零(AZ)、正向积分(INT)、反向积分(DE),并按照AZ到INT到DE到AZ的顺序进行循环。
令计数脉冲的周期为TCP。
每个测量周期共需要4000个TCP,其中,正向积分时间固定不变。
T1=1000TCP,仪表显示值,
将T1=1000TCP,UREF=100.0mV带入上式得。
N=10UIN、或UIN=0.1N。
(2-2)
只要把小数点定在十位上,即可直读结果,满量程时:
N=2000,此时UM=2UREF=200mV。
仪表显示超量程符号“1”。
要测量2V以上的直流电压,必须利用精密电阻分压器对UIN进行衰减。
积分电阻应采用金属膜电阻,积分电容选绝缘性好、介质吸收系数小的聚苯乙烯电容聚丙烯电容。
为了提高仪表抗串模干扰能力,正向积分时间(称采样时间)T1应是工频周期的整数倍,我国采用50Hz交流电网,其周期为20ms,应选
T1=20n(ms).(2-3)
式中,n=1,2,3,………。
例如取n=2,4,5时,T1=40ms、80ms、100ms,能有效地抑制50Hz干扰。
这是因为积分过程有取平均的作用,只要干扰电压的平均值就不影响积分器的输出。
但n值也不宜过大,以免测量速率太低。
图2.1.3-4ICL7107外围基准电压电路图
(二)数字电路
数字电路如图2.3-3所示,主要包括8个单元:
(1)时钟振荡器,
(1)频分器;
(2)计数器;
(3)锁存器;
(4)译码器;
(5)异或门相应为驱动器;
(6)控制逻辑;
(7)LCD显示器。
时钟振荡器由ICL7106内部相反器F1、F2以及外部阻容元件R、C组成。
若取R为120千殴,C为100皮法,则F0=40kHz。
F0经过4分频后得到计数频率,fPC=10kHz,即TCP=0.1ms。
此时测量周期T=16000T0=4000TCP=0.4s.测量速率为2.5次每秒。
F0还经过800分频。
图2.1.3-5ICL7107数字电路
得到50Hz方波电压,接LCD的背电极BP。
LCD须采用交流驱动方式,当笔段电极a到g与背电极BP呈等电位时不显示,当二者存在一定的相位差时,液晶才显示因此,可将两个频率与幅度相同而相反的方波电压,分别加至
某个笔段引出端与BP端之间,利用二者电位差来驱动该笔段显示。
驱动电路采用异或门。
其特点是当两个输入端得状态相异时(一个为高电平、另一个为低电平),输出为高电平;
反之输出低电平。
控制逻辑有三个作用:
第一,识别积分器的工作状态,适时发出控制信号,使A\D转换正常进行;
第二,判定输入电压极性并龙智LCD的负极性显示;
第三,超量程时发出溢出信号使千位显示1,其余位消除。
2.1.4ICL7107引脚功能和外围元件参数的选择
下面阐叙ICL7107双积分模数转换器引脚功能、外围元件参数的选择。
外围器件的连接图如2.3-5所示。
图中它和数码管相连的脚以及电源脚是固定的,所以不加详述。
芯片的第32脚为模拟公共端,称为COM端;
第34脚Vr+和35脚Vr-为参考电压正负输入端;
第31脚IN+和30脚IN-为测量电压正负输入端;
Cint和Rint分别为积分电容和积分电阻,Caz为自动调零电容,它们与芯片的27、28和29相连,电阻R1和C1与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源,从40脚可以用示波器测量出该振荡波形,该脚对应实验仪上示波器接口CLK,时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间(因为测量周期总保持4000个Tcp不变)以及测量的精度。
下面我们来分析一下这些参数的具体作用:
Rint为积分电阻,它是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大器的输出电流来定义的,对于ICL7107,充电电流的常规值为Iint=4uA,
则Rint=满量程/4uA。
所以在满量程为200mV,即参考电压Vref=0.1V时,Rint=50K,实际选择47K电阻;
在满量程为2V,即参考电压Vref=1V时,Rint=500K,实际选择470K电阻。
Cint=T1*Iint/Vint,一般为了减小测量时工频50HZ干扰,T1时间通常选为0.1S,具体下面再分析,这样又由于积分电压的最大值Vint=2V,所以:
Cint=0.2uF,实际应用中选取0.22uF。
对于ICL7107,38脚输入的振荡频率为:
f0=1/(2.2*R1*C1),而模数转换的计数脉冲频率是f0的4倍,即Tcp=1/(4*f0),所以测量周期T=4000*Tcp=1000/f0,积分时间(采样时间)T1=1000*Tcp=250/fo。
所以fo的大小直接影响转换时间的快慢。
频率过快或过慢都会影响测量精度和线性度,同学们可以在实验过程中通过改变R1的值同时观察芯片第40脚的波形和数码管上显示的值来分析。
图2..1.4-1ICL7107和外围器件连接图
2.2Proteus仿真软件介绍
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件(该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司)。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具
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