创新型实验项目_数字温度计的设计

1　引　言

电子技术课程作为专业基础课程在各高校受到了重视。实验课程对于理论课程来说起着重要的作用,一方面可以加深学生对理论知识的理解;另一方面也可以验证所学的理论知识,理论与实践的充分结合对培养创新性人才至关重要。

近年来,电子技术发展迅速,但很多高校的实验内容,尤其是基础实验内容并没有与时俱进。作者承担了教育部国家级实验教学示范中心创新型实验建设项目———数字温度计设计。通过此课题,为电子技术实验课程设计的数字温度计具有简单、直观、易于调试的特点。设计中同时涵盖了电子技术中电压跟随器、信号放大、电流/电压变换、数码管应用以及A/D转换等基本概念。实验中的电路同时包含了数字信号和模拟信号,非常适合作为大学生电子技术课程的设计性实验。

2　数字温度计组成

数字温度计组成框图如图1所示,它由温度传感器、A/D转换器和数码显示器等组成。温度传感器敏感环境温度,并将温度信号转换为电压信号或电流信号,A/D转换器将温度传感器输出的模拟信号转换成数字信号,此数字信号连接数码管,以数字方式实时显示温度。

　　日常生活中,温度的测量范围为-30~55℃,精度控制为0. 5℃,因此本项目采用AD590单片集成两端式感温电流源温度传感器、3. 5位A/D转换器ICL7107及4个八段数码管设计数字温度计。ICL7107在进行模拟/数字信号转换的同时,还可直接驱动LED显示器,其内部集成有双积分模数转换器、BCD七段译码器、显示驱动器、时钟和参考源,并具有自动调零和自动转换极性的性能。数码管显示器显示格式为:XXX.X,代表1位符号位、2位整数温度值和1位小数温度值。

3　数字温度计电路设计

3. 1　AD590及其构成电压输出电路

3. 1. 1　AD590

AD590是半导体结效应式温度传感器[1], PN结正向压降的温度系数为-2 mV/℃,利用硅热敏晶体管PN结的温度敏感特性测量温度的变化测量温度,其测量温度范围为-50~150℃[2-3]。AD590输出电流值(μA级)等于绝对温度(开尔文)的度数。使用时一般需要将电流值转换为电压值,如图2所示。图中,UCC为激励电压,取值为4~40 V;输出电流I0以绝对温度零度-273℃为基准,温度每升高1℃,电流值增加1μA。

　　温度t对应输出电流Io为:

Io(t) =273μA+t×1μA/℃(1)

式中: 273μA为摄氏零度时输出的电流值;t为测得的摄氏温度。

在室温25℃时,输出电流

I0(25)=(273+25)=298μA

3. 1. 2　AD590构成的电压输出电路

AD590构成的电压输出电路如图3所示[5],电路具有偏置和增益调节装置功能。为了改善输出电压的性能,电路中采用了电压跟随器[4]。由于AD590输出的是绝对温度,而实际显示的是摄氏温度,设计差动放大电路(U1,U2为输入),调整电位器使U1=2. 73 V,则图3输出电压值Uo与温度传感器测得的摄氏温度呈线性关系,计算公式为: