数字温度计设计.docx
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数字温度计设计
课程设计题目：
数字温度计设计
一、实验任务
1．模拟电压测量：
在16~55°C范围内测量输出直流电压误差小于1℃。
2．数字显示温度值，在16~55°C范围内测量误差小于1℃。
3．模拟电压测量：
在16~55°C范围内测量输出直流电压误差小于1℃。
二、实验原理简要说明
按功能可将其分成三部分：
1.传感器部分：
将代表温度变化的物理量电阻转换为可供显示的物理量电
压。
实验中热敏电阻Rt用实验平台上的电位器代替。
2.电压放大和线性校正电路：
将电阻与温度的非线性特性通过放大和校正电
路变为电压随温度线性变化的特性。
3.模数转换和显示电路：
将线性校正电路的输出电压信号送至模数转换电
路，转换成数字信号，去驱动显示电路，显示出被测温度值。
注意模数变换
以后显示的数字不再是电压值，而是这个电压所对应的温度值。
三、实验设计
1，总体方案设计,
如图所示即为总体设计情况：
2，电路设计和仿真分析
（1）电阻电压转换电路
如图所示为电阻电压转换电路基本模型，其中电阻值待定。
显然，我们有：
故最后有
对热敏电阻进行分析可以得到
我们发现电路表达式中常数项与热敏电阻表达式常数项符号不一致，因此修正第二个放大器的同相输入为-12V。
记VDE=-12V，VDD=12V。
则
故取
仿真时发现输出电压并不随热敏电阻的变化而变化，经分析放大器输出已饱和，因此需要对电压进行线性缩小。
考虑到Tmax=T（R=0）=89.5,因此取1/10.
故取：
取
最后电路如图所示：
部分数据仿真结果：
Rt/kΩ
12.9
8.5
6.1
3.7
2.5
Vo/V
1.59
2.5
3.3
4.54
5.47
T/℃
16
25
33
46
55
在误差范围内。
（2）线性校正电路
图1
图2
当实验结果与预期结果如上图1所示时，可采用图2所示电路修正。
当输入电压在-V1与V2之间时，电路增益为1；
当输入电压小于-V1时电路增益变大；
当输入电压大于V2时电路增益也变大。
仿真结果：
Rt/kΩ
82
38
19.8
12.9
8.5
6.1
3.7
2.5
1.73
1.14
Vo/V
-1.81
-0.845
0.547
1.59
2.5
3.30
4.55
5.47
6.59
7.98
T/℃
-18
-8
5
16
25
33
46
55
66
80
误差小于1
（3）精密检波电路
该电路实现取绝对值。
仿真结果
Rt/kΩ
82
38
19.8
12.9
8.5
6.1
3.7
2.5
1.73
1.14
Vo/V
1.82
0.851
0.514
1.56
2.46
3.26
4.51
5.44
6.55
7.95
T/℃
-18
-8
5
16
25
33
46
55
66
80
误差均小于1
（4）模数转换电路
正常工作
其中R8的数值影响着示数与输出电压之间的比值，应调整为恰好10被最好。
（5）电压比较电路
3，完整的最终电路原理图以及电路中关键元器件的作用说明。
仿真结果：
Rt/kΩ
82
38
19.8
12.9
8.5
6.1
3.7
2.5
1.73
1.14
示数
19
9
6
16
25
33
45
54
65
79
T/℃
-18
-8
5
16
25
33
46
55
66
80
发现在温度小于16时，示数偏小，大于33时，温度也偏小，可以通过调整检波电路或者模数转换电路以达到预期效果。
修改后电路图：
仿真结果：
Rt/kΩ
82
38
19.8
12.9
8.5
6.1
3.7
2.5
1.73
1.14
示数
19
9
6
16
25
33
45
55
66
80
T/℃
-18
-8
5
16
25
33
46
55
66
80
误差均小于1。
四、实验结果
1，电阻电压转换电路
Rt/kΩ
12.9
8.5
6.1
3.7
2.5
示数
1.579
2.49
3.3
4.57
5.5
T/℃
16
25
33
46
55
实验结果均在误差范围内。
2，线性校正电路
Rt/kΩ
82
38
19.8
12.9
8.5
6.1
3.7
2.5
1.73
1.14
T/℃
19
9
6
16
25
33
45
55
66
80
示数
-1.78
-0.834
0.549
1.58
2.49
3.3
4.57
5.51
6.65
8.08
实验结果均在误差范围内。
3，精密检波电路
Rt/kΩ
82
38
19.8
12.9
8.5
6.1
3.7
2.5
1.73
1.14
T/℃
19
9
6
16
25
33
45
55
66
80
示数
1.805
0.841
0.549
1.58
2.49
3.29
4.55
5.5
6.65
8.07
实验结果均在误差范围内。
4，最终结果
Rt/kΩ
82
38
19.8
12.9
8.5
6.1
3.7
2.5
1.73
1.14
示数
-18
-9
6
16
25
33
45
55
66
80
T/℃
-18
-8
5
16
25
33
46
55
66
80
实验结果均在误差范围内。
原始数据：
五，实验数据整理与分析
1，电阻电压转换电路
电阻Rt/kΩ
12.9
8.5
6.1
3.7
2.5
仿真结果Vo/V
1.59
2.5
3.3
4.54
5.47
实际值Vo/V
1.579
2.49
3.3
4.57
5.5
温度T/℃
16
25
33
46
55
实验数据与仿真结果基本一致，误差小于5%。
这部分电路一次成功。
主要原因是电路简单不容易出错。
2，线性校正电路
电阻值Rt/kΩ
82
38
19.8
12.9
8.5
6.1
3.7
2.5
1.73
1.14
仿真结果Vo/V
-1.81
-0.845
0.547
1.59
2.5
3.30
4.55
5.47
6.59
7.98
实际值Vo/V
-1.78
-0.834
0.549
1.58
2.49
3.3
4.57
5.51
6.65
8.08
温度T/℃
-18
-8
5
16
25
33
46
55
66
80
实验数据与仿真结果基本一致，误差小于5%。
这部分电路也是一次成功。
原因在于电阻电压转换电路实际值与理论值几乎一致，因此不需要修改线性校正电路。
而线性校正电路比较简单。
3，精密检波电路
电阻Rt/kΩ
82
38
19.8
12.9
8.5
6.1
3.7
2.5
1.73
1.14
仿真结果Vo/V
1.82
0.851
0.514
1.56
2.46
3.26
4.51
5.44
6.55
7.95
实际值Vo/V
1.805
0.841
0.549
1.58
2.49
3.29
4.55
5.5
6.65
8.07
温度T/℃
-18
-8
5
16
25
33
46
55
66
80
实验数据与仿真结果基本一致，误差几乎小于5%，其中第三组误差较大，约为7%，在误差范围之内。
这部分电路也是一次成功。
原因与之前相同。
4，最终结果
电阻Rt/kΩ
82
38
19.8
12.9
8.5
6.1
3.7
2.5
1.73
1.14
仿真结果T/℃
19
9
6
16
25
33
45
54
65
79
实际值T/℃
-18
-9
6
16
25
33
45
55
66
80
温度T/℃
-18
-8
5
16
25
33
46
55
66
80
我们发现。
，第二组、第三组、第七组实验存在1度的误差。
原因在于数模转换电路的输出值与精密检波电路的输出值很接近，因此产生了一定的误差。
以第七组为例，精密检波电路输出值为4.55，数模转换电路在显示值为45时输出为4.73，因此最终示数为45。
当然这一结果是符合实验要求的。
这一部分电路花费了一天半的时间，对于其中存在的问题会在实验总结部分进行描述。
六，实验总结
从最后结果来看，本次实验很成功，而且提前完成了全部实验，包括选作部分。
实验得以成功完成，跟前期的准备工作是紧密相关的。
在实验之前，完成了仿真工作，并记录了仿真数据，确定了电路结构与每一个电路元件的参数。
并且对于电路每一个模块进行了单独的仿真与电路图的打印，因此在连接电路时可以依图布局。
当然，实验中碰到了不少问题。
如前所述，数模转换电路存在很大问题，花费了大量的时间。
根据电路图连接好电路后，发现数码管显示数值有问题，非正常计数。
而且跳变也全无规律。
利用示波器检查，发现输入至数码管的电压根本不是方波，而是矩形波，而且电压并不稳定。
几经调试都无法正常工作，于是就把这部分电路拆掉重新连接。
这一次数码管显示正常，即模数转换电路正常，自动计数。
但是问题在于一旦连接了电压比较电路就不正常工作了。
通过测试发现，电压比较电路正常工作，因此猜测数模转换电路有问题，利用示波器测量，发现输出电压为恒值，因此猜测电平匹配电路存在问题，于是把这部分电阻拆掉后重新连接，反复校正后重新测量发现实验结果正常。
另外由于实验中原电路需要采用两个方波信号，因此需要两台函数信号发生器，比较麻烦，在同学的建议下，采用了手动刷新计数模式，即去掉原电路图中用于刷新的HC161，改用手动开关刷新电路。
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