温度采集通道设计(集成温度传感器方向)

1一、设计要求1、设计目的“现代检测技术”是电气类专业学生的必修主干专业课程，设计传感器技术、检测方法、误差理论、抗干扰技术等。其课程设计意在提高学生在仪表检测领域内的理论认识和实践动手能力，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力。巩固和加深对各种常数的检测的认识，培养学生的创新能力，经过搜集资料，初步方案设计，系统组建，撰写设计报告的过程，使学生得到一次科学研究工作的初步训练，提高学生的科研综合素质。为后续课程的学习、毕业设计乃至毕业后的工作打下一个良好的基础。2、设计内容查阅有关温度检测文献，确定此温度采集通道的总体设计方案，并分析其可行性。设计方案要求包含传感器、补偿电路、量程调整电路、调零电路、线性化电路及转化放大电路；另外对于一个完善的温度采集系统还应包含模数转换器及MCU微处理器实现智能采集。其次根据确定的设计方案进行各个模块的硬件电路设计，要求以集成温度传感器为主进行设计。3、系统要求设计工艺要求：温度测量范围-50~100℃；检测通道为一路；温度采集通道输出为1~5V;温度采集通道的输入输出特性要求为线形的；此温度采集通道的精度为0.5℃。要求：设计方案明确、模块电路绘制、说明推导、结论正确。2二、系统概述集成温度传感器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一块芯片上，能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于-55℃～+150℃之间的温度测量。温敏晶体管在管子的集电极电流恒定时，其基极发射极电压与温度成线性关系，为克服温敏晶体管Vb电压产生时的离散性，采用了特殊的差分电路。集成温度传感器具有电压型和电流型两种，电流输出型集成温度传感器在一定的温度T时相当于一个恒流源。因此，它不易受接触电阻、引线电阻、电压噪音的干扰，具有很好的线性特性。三、系统设计1.传感器的选用集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测,集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。本次课程设计主要采用AD590温度传感器。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。其输出电流大小与温度成正比。它的线性度极好，AD590温度传感器的温度适用范围为-55℃～150℃，灵敏度为1AK。它具有高准确度、动态电阻大、响应速度快、线性好、使用方便等特点。AD590是一个二端器件，电路符号如图3-1所示。3图3-1AD590电路符号AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗10MΩ，能大大减小因电源电压变动而产生的测温误差。AD590的工作电压为+4V～+30V，测温范围是-55℃～150℃。对应于热力学温度T，每变化1K，输出电流变化1A。其输出电流I(A)与热力学温度T(K)严格成正比。其电流灵敏度表达式为I3kln8TeR(3-1)式(1-5)中k、e分别为波尔兹曼常数和电子电量，R是内部集成化电阻。将k/e=0．0862mV/K，R=538Ω代入(1-5)中得到I=1.000A/KT(3-2)在T=0(K)时其输出为273.15A(AD590有几种级别，一般准确度差异在±3A～5A)。因此，AD590的输出电流I的微安数就代表着被测温度的热力学温度值(K)，AD590的输出电流I与温度T的特性曲线如图3-2所示。图3-2AD590的电流-温度(I-T）特性曲线4其输出电流表达式为IATB(3-3)式(1-7)中A为灵敏度，B为0K时输出电流。如需显示摄氏温标(℃)则要加温标转换电路，其关系式为273.15tT(3-4)AD590温度传感器其准确度在整个测温范围内±0.5℃，线性极好。利用AD590的上述特性，在最简单的应用中，用一个电源，一个电阻，一个数字式电压表即可用于温度的测量。2．AD590信号调理电路AD590V-510kR1kR11UR31kV2URRF2100kCFR75.1k5.1kR8Uoμ0.1RF110k10k5.1kR6R4R510k图3-3信号调理电路采样电阻1R上的电压111UIRRatbAtB(3-5)此信号送给放大器进行放大处理，放大器的输出电压为22177()FFORRRRUUUAtBURR(3-6)2R、3R构成的分压环节用来产生RU，就是为了抵消输出电压中的常数项。调节3R，改变RU，使50RBU(3-7)则27FORUAtKtR(3-8)输出电压与摄氏温标成正比。我们把调节3R称为调零。调节FR可以改变放大器的放大倍数(41FRKR)，从而改变整个测量系统的灵敏度。我们把调节FR称为灵敏度调节。电容FC在电路中构成低通滤波器，它将电路中可能出现的交流干扰滤除，对直流信号不起作用。3.测温电路的设计在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。由于AD590为电流输出元件，它的温度每升高1K，电流就增加1μA。当AD590的电流通过一个10kΩ的电阻时，这个电阻上的压降为10mV，即转换成10mV／K，为了使此电阻精确（0．1％），可用一个9．6kΩ的电阻与一个1kΩ电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10kΩ。图5所示是一个电流／电压和绝对／摄氏温标的转换电路，其中运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压（如1．235V），然后将此电压放大到2．73V。这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。6将AD590放入0℃的冰水混合溶液中，A1同相输入端的电压应为2．73V，同样使A2的输出电压也为2．73V，因此A1与A2两输出端之间的电压：2．73－2．73＝0V即对应于0℃。4.A／D转换和显示电路的设计选用双积分型ICL7106芯片作为132位/AD转换器。双积分型A/D转换电路原理如图3-4所示，它由积分器、零值比较器、时钟脉冲控制门，计数器及控制开关S等所组成。其工作过程分成两个阶段：(1)采样阶段控制电路将控制开关S与模拟输入电压iU接通，积分器对iU进行积分，同时使时钟脉冲计数门打开，计数器计数。当iU为直流电压或缓慢变化的电压时，积分器将输出一斜变电压(见图3-4()b)。经过一个固定时间1T后，计数器达到满限量1N值，计数器复零，并送出一个溢出脉冲，该溢出脉冲使逻辑控制电路发出信号，将开关S接向与iUb极性相反的参考电压RU，采样阶段结束。11001TXiiavTUUdtURCRC（3-9）(a)电路原理框图(b)波形图图3-4双积分型/AD转换A1A2积分器零值比较器0U门数计钟频存储器计数器溢出复零逻辑控制电路iURURURStttRUiUU1T2T2T1N2NC)(a)(b7(2)测量阶段当开关S接向与iU极性相反的参考电压后(图3-4(b)中iU为负，则接于RU)，积分器开始反方向积分，即积分器输出电压0U值向零电平方向斜变。与此同时，计数器又从零开始计数，当积分器输出电压达到零时，零位比较器动作，发出关门信号，计数器停止计数，并发出记忆指令，将此阶段中计得的数字2N送存储器并输出。此阶段的特点是被积分的电压是固定的参考电压RU，因而积分器输出电压的斜率固定，而最终计得的数2N所对应的积分时间2T则决定于OXU之值。22100110TTOXRiaRTUUdtUUdtRCRCRC(3-10)12iaRTTUURCRC(3-11)12iaRTTUU212iaviavCCRTTNUKUTTU(3-12)式中CT为时钟脉冲周期。这个阶段又称为定值积分阶段，定值积分结束时得到的数字2N，就是转换结果。转换过程的波形示于图3-4()b。由于在转换过程中，积分器输出是两个斜变电压，故称双斜式积分型/AD转换器。双积分型的/AD转换器与逐次比较型/AD转换器相比较，其转换速度较慢，但它的抗干扰能力及转换精度较高，所以常用于对转换精度要求较高，对采样速度要求不高的一些测量仪表中(如数字电压表、数字万用表、数字温度计等)。8四、总设计图9五、心得体会通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关现代检测技术方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。10六、参考文献邓长辉，李宝营.传感器与检测技术.第一版.大连：大连理工大学出版社，2012康华光.电子技术基础（数字部分）.第五版.北京：高等教育出版社，2006康华光.电子技术基础（模拟部分）.第五版.北京：高等教育出版社，2006七、教师评语