电子技术综合实验实验报告——数显温度计

电子技术综合实验实验报告题目：数显温度计

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一、设计任务

温度计是工农业生产及科学研究中最常用的测量仪表，本实验要求用中小规模集成芯片设计并制作一数字式温度计，即用数字显示被测温度。具体要求如下：

1、 温度测量范围为0~100℃；

2、 测量精度0.1℃；

3、 4位LED 数码管显示对应的温度值（000.0~100.0）；

4、 每秒更新数据2次以上。

扩展部分（选作）:温度超过40℃报警，也可自行发挥。

二、原理框图

三、功能电路设计及参数计算（每个相关功能模块的具体电路图、相应工作原理说明及器件参数的估算）

1、通过温度传感器

LM35采集到温度信号，经过整形电路送到A/D

转换器，然后通过译码器驱动数码管显示温度。ICL7107

集A/D 转换和译码器于一体，可以直接驱动数码管，省去了译码器的接线，使电路精简了不少，而且成本也不是很高。ICL7107只需要很少的外部元件就可以精确测量0

到

200mv 电压，LM35本身就可以将温度线性转换成电压输出。综上所述，采用LM35采集信号，用ICL7107驱动数码管实现信号的显示。

2、ICL7107工作原理

双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。

它的原理性框图如图所示，它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。时钟信号源的标准周期Tc 作为测量时间间隔的标准时间。它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。其振荡周期Tc=2RC In1.5=2.2RC

ICL7106A/D转换器原理

计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲fc和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fc。译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。

控制器的作用有三个：第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。第二，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1" ，其余码全部熄灭。

用锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED 。它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段。

第一阶段：自动调零阶段AZ。转换开始前（转换控制信号VL=0) ，先将计时器清零，并接通开关S0 ，使积分电容C 完全放电。

第二阶段：信号积分INT。令开关S1合到输入信号V1一侧，积分器对V1进行固定时间Tl的积分，积分结果为：

上式说明，在Tl固定条件下V0与Vl成正比。

第三阶段：反向积分DE。令开关S1转至参考电压VREF一侧，积分器反向积分。如果积分器的输出电压上升至必零时，所经过的积分时间T2则可得，故可得到：

可见，反向积分到V0=0这段时间T2与Vl成正比。令时钟脉冲CD的周期为Tc，计数扔器在T2时间内计数值为N得：T2=NTc

代入上式得：

分析可知：T1,Tc，VREF固定不变，计数值N仅与VIN成正比，实现了模拟量到数字量的转变。

下面介绍A/D转化过程的时间分配。假设时钟脉冲频率为

40KHz，每个周期为4000Tc,

如图3所示，每个测量周期中三个阶段工作自动循环。

双积分型A/D转换器的电压波形图

各阶段时间分配如下

①信号积分时间Tl用1000Tc 。

②信号反向积分时间T2用0一2000Tc ，这段时间的长短是由VIN的大小决定的。

③自动调零时间T0用1000－3000Tc 。

从上面的分析可知，Tl 侍定不变的，但T2随VIN的大小而改变。因为，

选基准电压VRFF = 100.0mv ,

由：得：VIN=0.1N

满量程时N=2000，同样由上式可导出满量程时VIN与基准电压的关系为：VIN=2VREF 。为了提高仪表的抗干扰能力，通常选定的采样时间Tl 为工频周期的整数倍。我国采用50Hz

交流电网，其周期为20ms，应选T1=n×20ms。n= l,2,3……n越大，对串模干扰的抑制能力越强，但n越大，A/D转换的时间越长。因此，一般取Tl=100ms，即f0＝40KHz 。

由T0=2RC105=2.2RC，得

式中T0为振荡周期。

3、LM35的工作原理

LM35是一种得到广泛使用的温度传感器。由于它采用内部补偿，所以输出可以从0℃开始。LM35有多种不同封装型式。在常温下，LM35 不需要额外的校准处理即可达到±1/4℃的准确率。其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，其引脚如图所示，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；两种接法的静止电流-温度关系，在静止温度中自热效应低(0.08℃)，单电源模式在25℃下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4—20V的供电电压范围内正常工作非常省电。

工作电压4～30V，在上述电压范围以内，芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约50μA），所以芯片自身几乎没有散热的问题。这么小的电流也使得该芯片在某些应用中特别适合，比如在电池供电的场合中，输出可以由第三个引脚取出，根本无需校准。

目前，已有两种型号的LM35可以提供使用。LM35DZ 输出为0℃～100℃。计算公式：

4、数码管显示

数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阴极是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每一LED的阴极分别为a,b,c,d,e,f,g及sp（小数点），在本次设计当中，由于ICL7107的特点，它只能驱动共阳极数码管，故我们要选用共阳极七段数码管。在连接数码管时，我们要注意数码管各个管脚所对应的字母，不能接错或接漏，而且在管脚之前要接上电阻，以免烧坏芯片和数码管。

下图为ICL7107与LED接线电路图：

四、参数计算

1、通过公式 R=（-VS）/50uA 将Vs= -5 代入计算出电阻R=100k欧

2、要求每秒要有2个读数以上。由计算公式f=0.45/RC,我们可采用R=100k、C=100pf ,经计算得f=48KHZ,从而实现每秒有3个读数。具体系统振荡电路图如下：

3、要选择较好的积分电阻、积分电容、自动校零电容。积分电阻必须足够大，以使在整个输入信号范围内的积分电流落在这个线性度很好的区间，对于2V的满量程，积分电阻R3=470K ，在每秒3个读数时，积分电容选C3=0.22uf，

自动校零电C4选0.047uf。具体电路接线，相关原理图如下图：

再者，我们选用0.1uf的参考电容连接方法如下图所示：

4、振荡器频率：由fosc=0.45/RC与R=100k C=100p 算得fosc=45KHZ积分时钟频率：Fclock=fosc/4=11.25KHZ

积分周期：tINT=1000*（4/fosc）最佳积分电容：IINT=4uA 满量程输入电压：VINFS=2V

积分电阻：RINT=VINFS/IINT=2/0.000004=500K 我们选470K 电阻即可

积分电容：CINT=(tINT)(IINT)/VINT

五、焊接调试（试验过程出现的问题，故障排除的思路，实验板的功能测试结果）

我开始对实验的无从下手，以及后来设计和连线过程中遇到的很多细节上的问题，经过老师的指导和同学的帮助，都成功的的解决并取得了很好的效果。在调试电路错误的过程中我也获得了很多排查电路错误的理论方法和实际经验。

1.试验过程中，数码管的小数点没有亮，还有部分数码管的显示段也不亮。

故障排除的思路：通过对照电路图和焊接的电路板，发现数码管的第5脚（小数点）所接的电阻没接地，通过连线把电阻接地。对照电路图把缺的线补上。

2..在实验过程中，虚焊问题使得数码管显示十分不稳定，另一方面，由于电路板上相邻的两条焊锡的线很容易短接使数码管显示更不稳定。

故障排除的思路：运用万用表的仔细排查虚焊和短接的电路。然后，再用烙铁把整个电路线路重新加固一遍，至此数码管显示就清晰了。这点问题也是我们在做实验时经常忽略掉的，说明在焊接方法上我还需要继续提高。

本次实验中我没有将管脚和线路接错，布局和设计还是比较合理的，这给调试带来了方便。

实验板的功能测试结果：在室温下，数码管显示的是26摄氏度左右，把烙铁靠近LM35传感器，数码管的显示温度不断上升。

六、材料清单

七、参考文献

道客巴巴资料

ICL7107 使用说明书LM35D使用说明书

《数字电子技术》《数字电子技术参考书》八、设计图纸（具体电路图总图）