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模电课程设计
目录
第一章绪论1
1.1背景1
1.2水温测量意义1
1.3本人主要工作2
第二章水温测量仪的设计3
2.1集成温度传感器AD590简介3
2.2总体设计框架图4
2.3温度检测电路5
2.4K—℃转换电路5
2.5放大电路6
2.6比较电路7
2.7报警电路7
第三章水温测量仪的制作与调试9
3.1仿真设计图9
3.2水温测量仪的调试与使用说明13
3.2.1调试13
3.2.2使用说明13
结束语14
参考文献15
附录A元件清单16
附录Bprotell印制版图17
第一章绪论
1.1背景
电子技术是当今科技发展的热点,各先进国家无不把它放在优先的发展的地位。
电子技术是电类专业的一门重要的技术基础课,课程地显著特点之一是它的实践性。
要想很好的掌握电子技术,除了掌握基本器件的原理,电子电路的基本组成及分析方法外,还要掌握电子器件及基本电路的应用技术,课程设计就是电子技术教学中的重要环节。
本课程设计就是针对模拟电子技术这门课程的要求所做的,同时也将学到的理论与实践紧密结合。
本设计是设计的水温测量仪的,它是一种简易水温测量电路,主要是采用一些简单的电子元件即可,它是采用由直流稳压电源,温度—电压转换电路,K—℃电路,驱动报警电路,放大电路和比较电路五个核心部分组成。
通过本次设计能使我们对电子工艺的理论有了更进一步的系统了解。
我们了解到了设计小电子产品的一些常规方法,以及培养了我们团队合作的能力,在讨论设计方案,计算元件参数,购买元件,制作电路板,安装调试方面都体会到了团队的力量。
本次课程设计的课题是水温测量仪,本课程设计将就水温测量电路的作原理、参数计算、元件选取、电路调试等做详细的介绍和说明。
1.2水温测量意义
温度测量在现实生活中的用处越来越多,如:
空调、冰箱、饮水机等都装有温度传感器来根据温度改变工作状态。
本次课程设计是做一个水温测量仪。
温度测量首先就是要把温度信号转换成其它电信号,然后通过其它辅助电路来显示温度信号。
这次课程设计所用的传感器是AD590温度传感器是,它具有可靠性高、测温范围广、便携性好、使用简单方便的优点,已被应用到很多场合。
1.3本人主要工作
首先根据设计要求设计好各部分功能模块,算出元件参数。
然后把各部分功能模块连接成整个电路。
把整个电路在EWB里进行仿真,测试各输出点的电压与理论值进行比较,调试电路至各输出点电压与理论计算值相近。
调试好电路之后,购买元器件。
最后制作实物,并进行调试至满足设计要求。
至此,设计完毕。
第二章水温测量仪的设计
2.1集成温度传感器AD590简介
图2.1.1集成温度传感器AD590
AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器,如图2.1.1所示。
这种器件在被测温度一定时,相当于一个恒流源。
该器件具有良好的线性和互换性,测量精度高,并具有消除电源波动的特性。
即使电源在5~15V之间变化,其电流只是在1μA以下作微小变化。
其主要参数
如表2.1.1所示:
工作电压
4~30V
反向电压
-20V
工作温度
-55~+150℃
焊接温度(10秒)
300℃
保存温度
-65~+175℃
灵敏度
1μA/K
正向电压
+44V
AD590输出阻抗达10MΩ,转换当量为1μA/K。
温度—电压转换电路如图2.1.2所示:
图2.1.2温度—电压转换电路
温度—电压转换分析:
如图2.1.2所示,当将AD590置于水中时,根据水温多少将提供恒流,方向如图所示。
由于在Uo输出端接一电压跟随器从而增大输入阻抗,电流几乎全部流经电阻Ro。
由AD590转换当量可知:
U1=Uo=1μA/K×R=R×10-6/K(2.1.1)
在实际应用中可取R=10KΩ,则:
U1=10mV/K(2.1.2)
这样可以实现温度—电压的转换,取的所需电压。
2.2总体设计框架图
制作水温测量首先是要将温度信号转换成电信号,所以第一步将AD590的电流信号转换成电压信号,第二步由K—°C转换电路将热力学温度变成摄氏度,第三步通过放大电路对电信号进一步放大以便直接通过电压表能读出其数值,另一部分由比较电路和报警设备组成报警电路,当温度超过设定值时给出报警信号。
图2.1.1是基本原理图。
图2.1.1基本原理图
2.3温度检测电路
温度检测电路主要是由AD590将温度信号转换为电压信号,然后用电压跟随器输出电压信号。
已知AD590的转换当量为
。
温度—电压变换电路如图2.2.1所示。
由图可得:
(2.2.1)
如R=10KΩ,则
。
(2.2.2)
图2.2.1温度—电压转换电路
2.4K—℃转换电路
因为Uo1输出的是热力学温度的放大的电压信号,而设计要求是摄氏度,所以需要将热力学温度转换为摄氏度。
由运放和电阻可实现这一要求,如图2.2.2所示。
R2R3R5-UR选取的标准为热力学温度为273K时,UO2=0。
UO2/R5=-UO1/R3+UR/R2(2.3.1)
由此式知,只要R5/R3和R5/R2的比例相等就可以找到一个可以使等于零。
最终,我选择等于R5R3R2都等于1K,这样再进一步确定的-UR=2.73V,参数全部确定完毕。
图2.3.1K—℃转换电路
2.5放大电路
设计一个反相比例放大器,使其输出u03满足100mV/℃。
电压每升高0.1V表示温度升高了1℃,这样就直接可以通过电压表的读数显示的变化。
UO3/R7=-UO2/R6(2.4.1)
根据要求放大十倍,所以选择R7R6分别为10K和1K,这放大后的比例为100mV/℃。
图2.4.1放大电路
2.6比较电路
从UO3输出的电压随着温度的改变而变化,当温度超过50℃时就要给出报警信号。
我选用图2.2.4所示的比较电路。
U04=R11/R10(UREF-UO3)(2.5.1)
其中我选择7倍放大是因为温度每升高1℃到这里电压就变化0.7V,为后面二极管的导通提供电压偏置。
因为要是二极管导通最小的电压差为0.7V左右,根据二极管的单向导电性,设计如图2.5.1的比较电路。
当温度没有达到50℃时,U04的最低电压为0.7V,而二极管的正向端电压只有1V,不能导通。
一旦温度达到或超过50℃,U04电压为零二极管两端的电压差为1V,二极管导通。
选择7倍放大是尽可能的减少实际元件误差的影响。
图2.5.1比较电路
2.7报警电路
二极管的正向端接大小为1V的直流电压。
温度没有超过50℃时,U04的最低电压为0.7V,此时电压差为0.3V不足以使二极管导通。
到温度达到50℃时,U04的电压为0V,二极管两端的电压差达到1V,能使二极管导通发光。
此时就给出了报警信号。
选择1K是给二极管起保护作用,以免因温度太高导致电压差太大而烧坏二极管。
电源选择1V在比较电路已经说明。
图2.6.1报警电路
第三章水温测量仪的制作与调试
3.1仿真设计图
各部分功能模块已经设计出,只需要在EWB上将其连接然后用电压表测其各点电压就行。
其中我已直流电流源代替AD590。
当电流表输出电流大小为0.3mA时,即代表室温为27℃时。
测得各点电压如下:
U01=3.000V
UO2=-270mV
UO3=2.70V
U04=16.10V
与理论计算值接近,故从理论上该电路可以实现其功能。
但实际电路可能有偏差。
图3.1.1温度低于50℃时的仿真图
图3.1.2温度等于50℃时的仿真图
图3.1.1温度高于50℃时的仿真图
3.2水温测量仪的调试与使用说明
3.2.1调试
用温度计测传感器处的温度T(℃)如T=27℃(300K)。
因为R1=10KΩ,则
,调整UR的值使
,放大器的放大倍数为-10倍,则放大器的输出u03应为2.7V。
测比较器的比较电压UREF值,使其等于所设定的温度乘以0.1V,如设定温度为50℃,则值为5V。
把温度传感器加热(可以电吹风吹)在温度小于设定值前LED应处于熄灭状态,反之,为点亮。
3.2.2使用说明
此产品的使用步骤比较简单,步骤如下:
1.把AD590放入需要测量的水中;
2.在u03处接一数字电压表即可读出其数值,用此数值乘以10就是当时的测量温度。
结束语
我经过长时间的工作,终于完成了水温测量仪的设计。
此次设计让我感觉到了理论与实践相结合的重要性,也从这次课程设计中学到了很多多西感触很深。
首先,我认识了一个新的电子元件AD590。
当我一开始想到要做水温测量仪时,我最先想到的事怎样把温度信号转换成电信号,然而我已学的知识根本不能解决这个问题。
后面看设计提示时才知道有一款现成的电子元件可以完成这个功能,这样就使设计变得简单多了。
然后,我结合自己已学过的模电和电路分析的知识以及提示慢慢的设计电路,分析各种元件,慢慢研究,最终各个击破。
其中,那个比较电路我没有按提示的电路而是找到《模拟电子技术基础》的一个差分电路代替,报警电路也是自己设计的,理论上是能成功,但实际上可能有一定的误差。
最后我用已经设计好的各个功能部件在EWB上进行仿真,结果成功了。
这使我感到很开心,同时也激发了我搞电子设计的兴趣,觉得这次课程设计对我的影响很大。
设计时我都是用的理想运放,所以实际测量值可能有偏差。
但我们可以通过调节电阻来减小误差,实验调试时我还需要多做努力。
参考文献
[1].康华光.电子技术基础(模拟部分)(第五版).高等教育出版社.2006-01
[2].邱关源.电路(第五版).高等教育出版社.2006-05.
[3].阎石.数字电子技术基础(第四版).高等教育出版社.1998-11[4].何希才.传感器及其应用电路.电子工业出版社.2001-03-01.
[5].蔡明生.电子设计,高等教育出版社,2003.
[6].梁延贵,王裕琛。
集成运算放大器电压比较器(分册)。
北京:
科学技术文献出版社,2006.
[7].郭培源。
电子电路及电子元件[M]。
北京:
高等教育出版社,2000.
附录A元件清单
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
温度传感器
AD590
1
2
运算放大器
uA741
4
3
电阻
10K
2
R1R2
4
电阻
1K
9
R3R4R5R6R7R8R9R10R13
5
电阻
7K
2
R11R12
6
二极管
1
7
芯片插座
8脚
4
8
万能板
15×9cm
1
9
细导线
若干
附录Bprotell印制版图
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