电路CAD课程设计.docx
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电路CAD课程设计
太原理工大学现代科技学院
电路CAD课程设计
设计名称温度传感器放大器
专业班级
学号
姓名
指导教师
太原理工大学现代科技学院
专业班级
学生姓名
课程名称
电路CAD
设计名称
温度传感器放大器
设计周数
1.5周
指导教师
设计
任务
主要
设计
参数
（1）前置放大电路设计；
（2）输出电路设计；
（3）电源电路设计。
设计内容
设计要求
设计一个温度传感器放大器。
当温度变化范围为－40○C～120○C时，输出电压在0～10V线性变化。
非线性误差≤2%。
主要参考
资料
1．电子线路CAD实用教程．潘永雄等．西安电子科技大学出版社．
2．电子电路EDA．夏路易．兵器工业出版社．
3．电路CAD讲义．萧宝瑾．太原理工大学．
4．电子技术常用器件手册．
学生提交
归档文件
课程设计任务书
注：
1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：
封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）
2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。
指导教师签名：
日期：
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专业班级学号姓名成绩
摘要
随着当今科学技术的不断发展，各种新兴技术层出不穷，各行各业对于各种传感器的需求量不断上升，对于传感器的精度、适用环境也有了越来越高的要求，因此，设计制造一种新的传感器件对于各种新兴产品的出现将有一定的推动作用；同时随着测量技术的不断发展及人们对信息资源的需要日益增长，利用传感器技术将一些特殊信息转化为生产和科学实验中常见的电信号愈来愈受到人们的重视，相应的测量电路的技术要求也越来越高。
本文以温度为被测量，利用模拟电子技术和传感器技术来设计信号的放大器及温度预警电路。
本设计可以实现将温度变化的量转化为方便被其它系统（如：
A/D模块）利用的电信号的功能，同时也可实现检测被测环境温度的安全性的功能。
关键词：
测量电路温度放大器温度预警电路
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目录
一、设计任务和要求····································································4
二、方案的分析与论证·································································4
三、单元电路设计与计算说明························································4
四、总原理图和元器件清单···························································9
1、总原理图··············································································9
2、说明····················································································10
3、元器件清单···········································································10
五、电路版图·············································································11
六、结论与心得··········································································12
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一、设计任务和要求
任务：
设计温度传感器放大器，包括放大电路设计和电源模块的设计，当温度变化在－40℃～120℃变化时，输出电压在0V～10V线性变化，非线性误差不小于2%。
要求：
设计相应的电路，并仿真实验，绘制PCB板。
二、方案选择与论证
针对本次设计要求，我们把温度传感器的选择和放大电路的选择作为设计的重要部分，针对不同的温度传感器工作电压和放大电路电压和输出电压的要求来设计电源模块，通过查找相应的资料，我们组确定了以下三个初始方案，并从中选出了一个较优的方案作为我们最终的设计方案。
方案一：
选用TC047A作为温度传感器，利用其将温度变化直接转化为弱电压信号的特性，选择差分放大式电路来进行放大输出。
由于本方案中的差分放大式电路虽然能保证设计精度要求，但差动式放大电路设计较为困难，因此我们舍弃了这个方案。
方案二：
选用TC047A作为温度传感器，利用其将温度变化直接转化为弱电压信号的特性，选择LM725CN运算放大器来进行反馈放大。
本方案设计简单，且能够保证设计精度，因此，我们组最终选择了这种方案作为我们的最终设计方案。
确立最终方案以后，我们组内进行了设计分工：
我主要进行绘制Multisim的电路原理图，其他两位组员主要进行电路设计与仿真和PCB板的制作。
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三、单元电路设计与计算说明
根据上述方案选择，我们把最终方案划分了三个模块：
电源电路设计、前置放大器设计、温度预警电路设计，然后对每个模块进行设计与仿真，最后综合为一个整体设计。
以下为该方案的系统框图：
得到
红绿灯
0-10V
图1：
系统总框图
3.1、电源模块设计
本模块的主要作用为设计将220V交流电转换为±12、5V等直流电源，为前置放大器和预警电路提供直流供电。
主要采用的是桥式整流的方法，利用7812、7912，7805等稳压芯片输出所需要的±12、5V。
3.1.1、变压器参数确定
根据78系列及79系列芯片的性能要求，我们选择变压器的初级、次级的线圈匝数比为1：
16。
此时变压器输出的电压在14V左右，能够满足78、79系列芯片的稳压要求。
稳压输出220V交流电经过变压器后输出的14V交流电通过由四个二极管组成的电桥及电解电容的滤波之后转化为14V直流电压，为78、79系列芯片提供
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电压，使其被稳压在±12。
同时，将该12V通过7805稳压芯片使其产生5V的电压。
其原理图为：
图2：
变压器原理图
3.1.2、电源模块仿真
利用以上电路原理，我们在Multisim中进行了仿真，其仿真结果如下图所示：
图3：
电压模块原理图
图4：
12V电压输出
图5：
-12V电压输出
图6：
5V电压输出
3.2、前置放大器设计
根据设计要求及环境问题的限制，并且LM725的工作电压大约在-55℃～125℃，因此我们选择了以LM725运算放大器为核心芯片的前置放大电路，将温度传感器输出的电压放大为峰值为10V输出。
3.2.1、放大电路的设计
根据模电知识，我们根据以下电路原理设计放大器，在该原理图中，Vo=R1*Vi/R3，同时为了保证此公式的精确度，R2的取值以为R1与R3的并联阻值。
在实际设计中我们为了能改使输出的电压范围可调，我们把R1和R2设计为滑动变阻器，此时电压的放大倍数就为可调，这也是我们这次设计的一个创新点。
图7：
放大器参考电路原理
3.2.2、放大电路的仿真
依据上述原理，我们进行了电路仿真，其结果如下图：
图8：
放大器电路仿真
3.3、温度预警电路设计
该模块为本设计的创新模块，根据温度传感器TC1047A的输出电压及温度的参数表设计预警温度，通过比较电路来控制红绿灯的亮灭。
主要实现的功能为：
通过红绿灯的亮灭来直观地观测温度是否过高，检测温度的安全性。
3.3.1、原理简介
由于温度传感器TC1047A在100℃时的输出电压为1.5V，所以设计一个同61.5V的比较电路，要求输出高于1.5V时报警（红灯亮），低于时为正常的状态（绿灯亮），考虑到实验的温度影响我们选用一个LM358电压比较器。
LM358电压比较器的工作原理：
当正相电压大于反相电压时输出高电平，反之输出低电压。
此时我们加入一个非门是红绿灯分别点亮。
3.3.2、温度传感器TC1047A简介
根据技术手册我们查到TC1047A的工作电压在2.5V～5.5V，我们选用5V电压供电，它的检测温度范围为-40℃～125℃，温度变化与输出电压的关系如下图所示：
图9：
TC1047A温度与输出电压的关系
3.3.3、预警电路的仿真
我们要求预警温度为100℃，在技术手册中我们查到TC1047A在该温度下的输出电压为1.5V，因此我们在仿真时，分别给定了1.4V和1.6V来测定红绿灯的预警显示是否正常。
仿真如下：
图10：
温度低于100℃时
图11：
温度高于100℃时
四、元器件选择和电路参数计算说明
4.1、总原理图
4.2、说明
在上述原理图中，7812和7912芯片主要为LM725CN提供电压，而5V则在为TC1047A和74LS04提供电压外，还对其进行电阻分压，为比较电路的阀值电压。
温度传感器输出的电压经过LM725CN放大后从J0的1管脚输出。
图中，D1是红色发光二极管，为非安全温度指示灯，D2为绿色发光二极管，为安全温度指示灯。
当TC1047A输出的电压大于R3处的设定的分压值，D1就会亮，同时D2灭；当TC1047A输出的电压小于R3处的设定的分压值，D2会常量，D1熄灭。
4.3、元器件清单
Name
Comment
Pattern
AR1
TC1047A
SOT-23
C0
1mF
RB.2/.4
C1
0.1uF
RAD0.2
C2
1mF
RB.2/.4
C3
0.1uF
RAD0.2
C4
1mF
RB.2/.4
C5
0.1uF
RAD0.2
D0
BRIDGE1
D-38
D1
RLED
DIODE0.4
D2
GLED
DIODE0.4
J0
CON2
SIP2
J1
CON2
SIP2
JP1
74LS04
DIP14
R0
1k
AXIAL0.4
R1
2k
SIP3
R2
10k
SIP3
R3
50k
SIP3
U0
7812
TO-220
U1
7912
TO-220
U2
7805
TO-220
U3
LM725CN
DIP8
U4
LM385
DIP8
T0
TRANS5
TRAN_1
五、电路版图
六、结论与心得
6.1、设计中遇到的问题
在设计电路中我们遇到了许多问题，但最主要的有两个问题：
第一个，在绘制PCB结束时，我将正反两面的地线用铜层来铺设时，铜层与其他导线不能分离开来。
最终我找到原因是我在绘制变压器的封装时，将两个焊盘重叠作为一个接触点，此时加载到PCB文件后虽然没有提示短路，但导致了上述问题。
解决方法是：
修改变压器封装中不和设计规则的绘制方法，去掉重叠的焊盘。
第二个，绘制PCB板是没有考虑温度对原件布局的影响，因此该设计的实用性还有待加强。
6.2、设计心得
通过本次温度传感器的CAD课设,我深入了解了EWB软件的使用方法,体会到了该软件对电路仿真的实用性.这次课设我们小组自己合力设计了电路图,然后分工合作,各司其职,组队出色的完成了本次课设.我深刻体会到了在团队中每个人的重要性,自己动手能力得到了提高,真的学到了很多.
参考文献[1]潘永雄.电子线路CAD实用教程.西安电子科技大学出版社．
[2]夏路易．电子电路EDA．兵器工业出版社．
[3]萧宝瑾．电路CAD讲义．太原理工大学．
[4]电子技术常用器件手册．
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