模拟电子技术课程设计平均气温测量系统的设计讲解.docx

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模拟电子技术课程设计平均气温测量系统的设计讲解

1综述

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。

温度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度的检测与控制。

并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注，而空气中温度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温度的检测就非常有必要了。

本文介绍了利用AD590作为温度传感器，通过温度—电压转换及求和电路，K—℃电路，驱动报警电路，放大电路和比较电路实现检测显示三处平均气温功能以及与给定气温比较并进行声光报警功能。

2程序设计框图

设计平均气温测量系统，首先使用三个AD590温度传感器分别测量三个不同地点的气温，使用反相运算电路将传感器传出的三个电流信号求平均值并转化为电压信号。

然后将华氏温度与电压的关系使用

℃变换电路变为摄氏温度与电压的关系并将电压信号进行放大。

此时用改装过刻度的电压表可直接读出温度值。

此后将放大后的电压信号接至比较器，经过电压比较后由比较器

决定是否二极管以及报警器是否工作，从而实现声光报警的功能。

其程序设计框图2-1如下：

图2-1平均气温测量系统的程序设计框图

3电路原理设计及计算

3.1温度传感器的选取：

3.1.1AD590温度传感器简介

本文采用AD590作为温度传感器。

AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。

在4V至30V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1µA/K。

片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K（25°C）时输出298.2µA电流。

AD590适用于150°C以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。

低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。

应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。

除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等。

AD590可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量。

AD590特别适合远程检测应用。

它提供高阻抗电流输出，对长线路上的压降不敏感。

任何绝缘良好的双绞线都适用，与接收电路的距离可达到数百英尺。

这种输出特性还便于AD590实现多路复用：

输出电流可以通过一个CMOS多路复用器切换，或者电源电压可以通过一个逻辑门输出切换。

3.1.2AD590温度传感器主要特性

（1）流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数：

式中，Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；

（2）AD590的测温范围为-55℃~+150℃；

（3）AD590的电源电压范围为4～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；

（4）输出电阻为710mΩ；

（5）精度高，AD590在-55℃~+-150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。

3.1.3AD590温度传感器的使用方法

AD590的输出电流值说明如下：

其输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流

图3-1AD590的使用

注意事项：

（1）

的值为

乘上10K，以室温25℃而言，输出值为

（2）测量

时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。

（3）根据本题实际需要，要在-40~80℃范围内用0~5v之间电压表示，所以将电阻换成42K电阻，使得电压随温度变化值为42mV/℃。

3.2求和运算电路的设计

3.2.1集成运算放大器的选择

本文采用μA741作为集成运算放大器。

μA741运算放大器，美国仙童公司（fairchild）发明，是世界上第一块集成运算放大器，在上世纪60年代后期广泛流行，直到今天μA741运放仍是电子学科中讲解运放原理的典型元器件。

μA741是高性能、内补偿运算放大器，功耗低，无需外部频率补偿，具有短路保护和失调电压调零能力，使用中不会出现闩锁现象，可用作积分器、求和放大器及普通反馈放大器。

3.2.2求和运算电路的设计

三只温度传感器AD590的感应电流信号输出后，需要将其接入同相求和运算电路进行电流的求和和取平均值。

同相求和运算电路的多个输入信号均作用于集成运放的同相输入端，如图3-2所示。

节点P的电流方程为

使

时,

取

即可得到三个传感器的电压平均值。

图3-2同相求和运算电路

3.3

℃变换器电路的设计

2.3.1

℃变换减法电路

将三个点的温度信号取平均值并转化为电压信号后，仍不能直接测量，还需将绝对温度转换为摄氏度，即实现

℃变换。

并需要在-40—80℃内用0—5V表示，可将-40℃设为比较点，及绝对温度233℃：

℃

℃=

该变换可用一个差分式减法器实现，如图3-3所示：

图3-3差分式减法器

差分式减法器分析：

在理想运放的情况下，利用虚短与虚断。

有如下关系：

及

解得：

所以，只要选取合适的

值，便可满足所需要求。

如取R4/R2=R3/R1,则有下式：

3.3.2温度的显示及读取

取

，此时有：

由上式可知温度与电压之间的关系：

℃

将放大后的电压接直流电压表，即可直接读的温度值,如:

若三只AD590温度感应器的平均测量结果为20℃，测可读得电压表的值为0.84V。

设计要求测温范围为-40～80℃，则电压显示范围为

。

将电压表示数与温度一一对应，即可通过电压示数得知温度。

3.4比较器电路的设计

电压比较器是集成运放非线性应用电路,常用于各种电子设备中.它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。

比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。

图3-41（a）所示为一最简单的电压比较器，UR为参考电压，加在运放的同相的输入端，输入电压ui加在反相的输入端。

（a）（b）图3-41电压比较器原理原理图

图3-41（b）所示为其传输特性。

当Ui＜UR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。

输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压UZ，即Uo＝UZ。

当ui＞UR时，运放输出低电平，DZ正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD，即Uo＝－UD。

因此，以UR为界，当输入电压ui变化时，输出端反映出两种状态，高电位和低电位。

以上介绍的是最简单的电压比较器原理。

比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。

图3-42由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压Va经分压器R2、R3分压后接在同相端，Vb通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与Va、Vb及4个电阻的关系式为：

若R1=R2，R3=RF，则:

RF/R1为放大器的增益。

当R1=R2=0（相当于R1、R2短路），R3=RF=∞（相当于R3、RF开路）时，Vout=∞。

增益成为无穷大，其电路图就形成图3-43的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。

实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。

因此为了实现报警功能，可在输出电压端接一个电压比较器，利用电压的大小关系起到报警作用。

图3-42

图3-43

在本实例中采用图3-44比较器。

其中电阻参数取：

，

，反相端2接报警时的温度设定电压，以40℃为例，当报警温度为40℃时，反相端2应接电压为

℃

。

R7，R8用于稳定输入电压，决定了系统的精度。

而R9用于报警设备的输入电阻，用于控制输入电流的大小。

图3-44电压比较器电路

3.5声光报警装置的设计

3.5.1LED发光二极管的选用

a.简介

LED发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。

发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。

当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。

常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

发光二极管的反向击穿电压约5伏。

它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。

限流电阻R可用下式计算：

式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流

b.光源特点:

（1）电压:

LED使用低压电源，供电电压在直流3-24V之间，根据产品不同而异，也有少数DC36V、DC40V等，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。

（2）效能:

消耗能量较同光效的白炽灯减少80%

（3）适用性:

体积很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境

（4）稳定性10万小时，光衰为初始的50%

（5）响应时间:

其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级

（6）环境污染:

无有害金属汞

（7）颜色:

发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和禁带宽度，实现红黄绿蓝橙多色发光。

红光管工作电压较小，颜色不同的红、橙、黄、绿、蓝的发光二极管的工作电压依次升高。

（8）价格:

LED的价格越来越平民化，因LED省电的特性，也许不久的将来，人们都会把白炽灯换成LED灯。

我国部分城市公路、学校、厂区等场所已换装完LED路灯、节能灯等。

c.LED的优点:

（1）体积小:

LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。

（2）耗电量低:

LED耗电相当低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。

工作电流是0.02-0.03A。

这就是说：

它消耗的电不超过0.1W。

（3）使用寿命长:

在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。

（4）高亮度、低热量:

LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。

（5）环保:

LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。

（6）坚固耐用:

LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。

灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。

d.报警分析：

当加与U2端的电压大于设定温度Uref时，U3有了正向输出，二极管LED导通，发光，报警完成。

3.5.2蜂鸣器的选用

本文中选用有缘蜂鸣器作为声音报警装置。

a.简介

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”表示。

b.结构原理

1.压电式蜂鸣器：

压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。

有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。

多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。

当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。

在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。

2.电磁式蜂鸣器：

电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。

接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。

振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

c.有源蜂鸣器与无源蜂鸣器区别：

有源蜂鸣器其内部带有振荡器，接通一个大约5v的直流电源就可以鸣响。

无源蜂鸣器仅仅是一个谐振腔和一片压电振荡膜片，需要外接振荡器。

无源蜂鸣器可以使用两个与非门或者非门电路驱动。

d.报警分析：

当加与U2端的电压大于设定温度

时，U3有了正向输出，有源蜂鸣器导通，发光，报警完成。

3.6平均气温测量系统的总体工作过程

将上述器件加以组合得到图2-6所示：

平均气温测量系统工作过程：

将AD590置于三个不同的地点，AD590会产生三个感应电流，将三个感应电流转化为感应电压并接入同相求和运算电路，既可求得三个电压信号的平均值。

之后再将绝对温度与电压的转换后还需要变换为摄氏度与电压的关系（将绝对温度减去273）。

于是在电压跟随器后接一个差分减法器以达目的，即减去一个9.71V的电压。

可以利用稳压管和运放电路来提供所需要的9.71V电压。

如图3-6所示。

取Ri=500KΩ，D1的稳压Uad1为2V。

运放F2与R5,R6组成同向放大器。

由虚断，虚短可得：

Uref=（1+

）Uad1

所以，可以取R6=38.55KΩ,R5=10KΩ，此时Uref=9.71V。

之后可将电压跟随器的输出电压与上式所求得的电压接至差分减法器的两端。

在减法器作用之后，我们获得电压与温度的直接关系。

在U2端接一电压表，即可读的温度值。

例如传感器测得温度为25℃时，电压表显示2.71V，电压表0—5V对应-40℃—80℃，改装电压表显示表盘即可读出温度。

最后再将信号接入电压比较器以实现声光报警功能。

信号接入比较器同相端，比较电压接入反相端，比较电压依然由稳压管和运放电路提供，各根据需要选择具体的电阻元件进行设定，比较器输出端接入蜂鸣器和发光二极管，当U2端输出电压大于比较电压时，U3<0。

此时二极管截止，蜂鸣器不工作。

当U2端输出电压小于比较电压时，U3>0。

此时二极管导通,LED发光，蜂鸣器工作发声，报警过程完成。

图3-6平均气温测量系统电路图

4仿真

仿真软件分为仿真语言、仿真程序包和仿真软件系统三类。

其中仿真语言是应用最广泛的仿真软件。

仿真程序包是针对仿真的专门应用领域建立起来的程序系统。

软件设计人员将常用的程序段设计成通用的子程序模块，并设计一个主程序模块，用于调用子程序模块。

仿真研究人员使用这种程序包可免去繁重的程序编制工作。

仿真程序包除不具备仿真软件的功能①以外，至少具备功能②、③、④中的任一种。

仿真软件系统以数据库为核心将仿真软件的所有功能有机地统一在一起，构成一个完善的系统。

它由建模软件、仿真运行软件（语言）、输出结果分析报告软件和数据库管理系统组成。

本设计可以实现求三个不同地点的平均温度值，以0—5电平输出与温度对应的电压信号，并用电压表显示电压与摄氏温度的对应关系。

同时与给定温度比较，当温度超过给定温度是实现报警功能。

5设计小结

本设计可以实现求三个不同地点的平均温度值，以0—5电平输出与温度对应的电压信号，并用电压表显示电压与摄氏温度的对应关系。

同时与给定温度比较，当温度超过给定温度是实现报警功能。

在设计过程中应用正确的运算电路进行工作，达到用最简洁的设计满足设计要求的目的，设计之前应做好充分准备，掌握各种运算电路的使用条件，使用方法以及输出结果的处理过程才能快速正确的设计出电路。

通过本次设计巩固了我之前学到的知识，也让我理解了各种运算电路的使用方法，同时也让我发现自身知识掌握的仍不够扎实，对各种电路的运用能力仍需大大加强，仍需要继续的学习和实践这一部分知识。

参考文献

[1]闫石.数字电子技术基础.北京:

高等教育出版社.2005.

[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京:

高等教育出版社.2006

[2]康华光.模拟电子技术基础．武汉：

高等教育出版社，2005.7．

[3]舒庆莹,凌玲．模拟电子技术基础实验．武汉：

武汉理工大学出版社，2008.

[4]徐国华.电子技能实训教程.北京:

北京航空航天大学出版社，2006