温度测量控制系统的设计与制作
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图11电压转换仿真结果
八、实际测量数据分析
测试一：依照下表进行测试
表1 结果测试表
项目
室温
输出1（室温下）
输出2
理论数值
17.5
1．75VFra Baidu bibliotek
高
实测数值
1．74V
高
误差
---------
0．55%
---------
测试二：
使用热的电烙铁，轻触温度传感器的感应引脚予之加热（注意要断续加热，不能连续加热，以防止传感器损坏）。讲输出1和万用表连接、输出2和发光二极管连接，观察温度升高过程中，万用表所测电压示数及发光二极管亮灭。当输出1电压升到3.012V时，原本室温下亮着的二极管熄灭，移开电烙铁后，当输出1的电压下降到2.003时，二极管又亮起来。误差在+-1%之内。
安阳师范学院
课程设计报告
名称：模拟电子技术课程设计
题目：温度测量控制系统的设计和制作
学号：101102041
学生姓名：刘亚敏
指导老师：李建法
日期：2011/12/14
一、模拟电子技术课程设计的目的和要求
（一）目的
课程设计作为模拟电子技术课程的重要组成部分，目的是使学生进一步理解课程内容，基本掌握电子系统设计和调试的方法，增加集成电路使用知识，培养学生实际动手能力以及分析、解决问题的能力。
图8 555定时器部分电路图
2、参数计算：根据题目要求先设定CON=3V，当Ui≥3V时，OUT端输出低电平；当Ui≤1.5V时，OUT端输出高电平。但题目中是当Ui≤2V时输出高电平,所以在运放的输出端和TRI端之间接了一个电位器,调到3/4处,即当Ui≤2V时,UTRI≤2×3/4=1.5V，OUT端输出高电平。
在这次设计的过程中，我遇到了很多问题，可以说是困难重重，遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
这次模电课程设计终于顺利完成了，当看到自己设计的电路板能够正常的运行出结果时，感到非常的欣慰。总体来说,这次课程设计让我受益匪浅.在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，让我体会到了设计的艰辛,但更让我体会到成功的喜悦和快乐。
（四）电压跟随器部分
1．原理：本系统中利用集成运放构成的三个电压跟随器的作用均是防止前面所接电路对后续电路的影响，即起到一个隔离的作用。具体电路图如下：
图7 电压跟随器电路
2、所用芯片：LM324N。
（五）555定时器部分
1、原理：这部分使用的是555定时器的CON端。当CON端电压值给定后，若 ，输出低电平；若 ，输出高电平。（如图6）
六、总体电路：
图9 温度测量控制系统总体电路图
七、仿真结果：
加减运算电路正常工作时仿真结果。实现了电压范围由：2．73～3.23V转为0～5V：
图10 加减运算电压转换仿真结果
电平变换仿真结果。实现了当输出端1电压大于3V时，输出端2为低电平；当输出端1小于2V时，输出端2为高电平。当输出端1电压小于3V并大于2V时，输出端2保持不变。如图9：
这次模电课程设计,虽然短暂但是让却我得到多方面的提高：1、提高了我的逻辑思维能力，使我在模拟电路的分析和设计上有了很大的进步。加深了我们对各种运放电路的认识，进一步增进了对一些常见运放器件和温度传感器的了解。2，通过查阅相关参考书，也帮助了我解决很多问题，但也培养了我独立思考的能力。 3，相互讨论共同研究也是很重要的，经常出现一些问题，比如在电路设计中如何控制输出高低电平的设计，开始并不理解设计的原理，但是和其他同学讨论后，很快的设计出电路原理图。
2．参数计算
本题要求的测量温度范围为：0 ～50 ℃，所以由：
有：
，
又 所以，
有：
，
3．AD590的封装及使用电路
（1）AD590的封装
图3 AD590封装
AD590 用于测量热力学温度的基本使用电路。因为流过AD590的电流和热力学温度成正比，当电阻和电位器的电阻之和为1kW 时，输出电压VO随温度的变化为1mV/K。但由于AD590 的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590 放于冰水混合物中，调整电位器，使VO=273.2mV。或在室温下（25℃）条件下调整电位器，使VO=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。
电路中使用多个集成运放，选择含有多个集成运放的LM324；且构成电路中的电阻在实际电路中需要微调，为方便，选择使用电位器；
选用了555定时器LM555CM来实现“当输出端1电压大于3V时，输出端2为低电平；当输出端1小于2V时，输出端2为高电平。当输出端1电压小于3V并大于2V时，输出端2保持不变”要求。
6．555定时器LM555CM，利用它的CON端实现功能（2）的要求。
（二）系统框图
图2 系统框图
五、单元电路设计（原理、芯片、参数计算等）
（一）温度信号转化为电流信号
1．本部分使用了集成温度传感器AD590。AD590的主要特性如下：
（1）流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（K），即：
2．5V
2
附录2：参考文献
《模拟电子技术第四版》
《LM324指导书》
《AD590指导书》
四、系统框图及简要说明
（一）系统框图的简要说明
1．温度传感器AD590作用是将温度信号转化为电流信号。
2．一个10K的电阻，将电流信号转化为电压信号。
3．电压跟随器1是为了隔离10K电阻对后续电路的影响。
4．加减运算电路是为了将电压信号调整到0～5V。
5．电压跟随器2、电压跟随器3，均是为了防止前面的电路对后续电路的影响。
3．参数计算：
假设加减公式：
（1）
可简化为： (2)
因为输入电压Ui的范围是2.73～3.23V，输出Uo1的电压范围是0～5V。
所以，当Ui=2.73V时Uo1=0，
当Ui=3.23V时Uo1=5V。
将上述两组数据带入（1）式，得：
（3）
（1）式（3）式联立计算，并将Rf的值设为10 K。
得：R1=1 K、R2=1.83 K,而 ，由此可得R3=2.83 K。
（2）AD590的使用电路
图4 AD590使用电路
（二）电流信号转化为电压信号部分
1、原理：如图4。
2、参数计算：由欧姆定律：I=U/R，U=IR
得：
（三）加减运算电路部分
1．原理：因为要实现输出电压Uo1在0～5V变化，所以必须通过加减运算电路将输入电压2.73～3.23V转化为0～5V。连接电路如图所示:
结果分析：
在误差允许的范围内，实验结果符合要求。此系统的精确度符合一般的测量要求。
九、设计感想
模电课程设计是培养我们学生综合运用所学的知识,学会发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,回想此次课程设计，让我感慨颇深，因为，从选择课题到定稿，从理论到实践，在短短的两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是我学到了很多很多的的东西，不仅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。通过这次模电课程设计使我懂得了理论和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和实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
（2）当输出端1电压大于3V时，输出端2为低电平；当输出端1小于2V时，输出端2为高电平。当输出端1电压小于3V并大于2V时，输出端2保持不变。
三、总体设计思想
图1 温度控制系统的基本组成
使用温度传感器，将温度信号转化为电流信号；
使用一个接地的10K电阻使此电流信号在传输过程中转化为电压信号；
接受温度要求范围为：0～50℃，转化电压为：2．73～ 3．23 V。使用集成运放构成电压跟随器、加减运算电路，来实现电压范围转化为：0～ 5 V；
总之，这次模电课程设计让我学到了很多东西，尤其让我明白了理论和实践相结合的重要性。只有自己亲自动手操作才会对所学的理论知识有深刻的了解。
附录1：元器件清单
芯片名称
型号
数量
温度传感器
AD590
1
集成运放
LM324N
4
555定时器
LM555CM
1
电位器
0-10K
4
定值电阻
1K
1
定值电阻
10K
2
发光二极管（红光）
（二）要求
（1）通过查阅手册和有关文献资料培养学生独立分析和解决实际问题的能力。
（2）通过实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、安装调试等环节，掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。
（3）掌握常用仪器设备的使用方法，学会简单的实验调试，提高动手能力。
（4）综合使用课程中学到的理论知识去独立完成一个设计任务。
二、课程设计名称及设计要求
（一）课程设计名称
设计题目：温度测量控制系统的设计和制作
（二）课程设计要求
1．设计要求：
要求设计制作一个可以测量温度的测量控制系统，测量温度范围：室温0～50℃，测量精度±1℃。
2．系统控制要求：
（1）当温度在室温0℃～50℃之间变化时，系统输出端1相应在0～5V之间变化。
式中：Ir为器件AD590的电流，单位为：μA。T为所处环境的热力学温度，单位为：K。
（2）AD590的测温范围为-55℃～+150℃。
（3）AD590的电源电压范围为4V～30V。AD590可承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
（4）精度高。AD590 共有I、J、K、L、M 五档，其中M 档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃
图5 加减运算电路电路图
2．所用芯片：四运放LM324CM。
图6 LM324CM引脚图
LM324CM为带有真差动输入的四运算放大器。和单电源使用场合的标准运算放大器相比，它有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多使用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号和该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号和该输入端的相位相同。
八、实际测量数据分析
测试一：依照下表进行测试
表1 结果测试表
项目
室温
输出1（室温下）
输出2
理论数值
17.5
1．75VFra Baidu bibliotek
高
实测数值
1．74V
高
误差
---------
0．55%
---------
测试二：
使用热的电烙铁，轻触温度传感器的感应引脚予之加热（注意要断续加热，不能连续加热，以防止传感器损坏）。讲输出1和万用表连接、输出2和发光二极管连接，观察温度升高过程中，万用表所测电压示数及发光二极管亮灭。当输出1电压升到3.012V时，原本室温下亮着的二极管熄灭，移开电烙铁后，当输出1的电压下降到2.003时，二极管又亮起来。误差在+-1%之内。
安阳师范学院
课程设计报告
名称：模拟电子技术课程设计
题目：温度测量控制系统的设计和制作
学号：101102041
学生姓名：刘亚敏
指导老师：李建法
日期：2011/12/14
一、模拟电子技术课程设计的目的和要求
（一）目的
课程设计作为模拟电子技术课程的重要组成部分，目的是使学生进一步理解课程内容，基本掌握电子系统设计和调试的方法，增加集成电路使用知识，培养学生实际动手能力以及分析、解决问题的能力。
图8 555定时器部分电路图
2、参数计算：根据题目要求先设定CON=3V，当Ui≥3V时，OUT端输出低电平；当Ui≤1.5V时，OUT端输出高电平。但题目中是当Ui≤2V时输出高电平,所以在运放的输出端和TRI端之间接了一个电位器,调到3/4处,即当Ui≤2V时,UTRI≤2×3/4=1.5V，OUT端输出高电平。
在这次设计的过程中，我遇到了很多问题，可以说是困难重重，遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
这次模电课程设计终于顺利完成了，当看到自己设计的电路板能够正常的运行出结果时，感到非常的欣慰。总体来说,这次课程设计让我受益匪浅.在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，让我体会到了设计的艰辛,但更让我体会到成功的喜悦和快乐。
（四）电压跟随器部分
1．原理：本系统中利用集成运放构成的三个电压跟随器的作用均是防止前面所接电路对后续电路的影响，即起到一个隔离的作用。具体电路图如下：
图7 电压跟随器电路
2、所用芯片：LM324N。
（五）555定时器部分
1、原理：这部分使用的是555定时器的CON端。当CON端电压值给定后，若 ，输出低电平；若 ，输出高电平。（如图6）
六、总体电路：
图9 温度测量控制系统总体电路图
七、仿真结果：
加减运算电路正常工作时仿真结果。实现了电压范围由：2．73～3.23V转为0～5V：
图10 加减运算电压转换仿真结果
电平变换仿真结果。实现了当输出端1电压大于3V时，输出端2为低电平；当输出端1小于2V时，输出端2为高电平。当输出端1电压小于3V并大于2V时，输出端2保持不变。如图9：
这次模电课程设计,虽然短暂但是让却我得到多方面的提高：1、提高了我的逻辑思维能力，使我在模拟电路的分析和设计上有了很大的进步。加深了我们对各种运放电路的认识，进一步增进了对一些常见运放器件和温度传感器的了解。2，通过查阅相关参考书，也帮助了我解决很多问题，但也培养了我独立思考的能力。 3，相互讨论共同研究也是很重要的，经常出现一些问题，比如在电路设计中如何控制输出高低电平的设计，开始并不理解设计的原理，但是和其他同学讨论后，很快的设计出电路原理图。
2．参数计算
本题要求的测量温度范围为：0 ～50 ℃，所以由：
有：
，
又 所以，
有：
，
3．AD590的封装及使用电路
（1）AD590的封装
图3 AD590封装
AD590 用于测量热力学温度的基本使用电路。因为流过AD590的电流和热力学温度成正比，当电阻和电位器的电阻之和为1kW 时，输出电压VO随温度的变化为1mV/K。但由于AD590 的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590 放于冰水混合物中，调整电位器，使VO=273.2mV。或在室温下（25℃）条件下调整电位器，使VO=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。
电路中使用多个集成运放，选择含有多个集成运放的LM324；且构成电路中的电阻在实际电路中需要微调，为方便，选择使用电位器；
选用了555定时器LM555CM来实现“当输出端1电压大于3V时，输出端2为低电平；当输出端1小于2V时，输出端2为高电平。当输出端1电压小于3V并大于2V时，输出端2保持不变”要求。
6．555定时器LM555CM，利用它的CON端实现功能（2）的要求。
（二）系统框图
图2 系统框图
五、单元电路设计（原理、芯片、参数计算等）
（一）温度信号转化为电流信号
1．本部分使用了集成温度传感器AD590。AD590的主要特性如下：
（1）流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（K），即：
2．5V
2
附录2：参考文献
《模拟电子技术第四版》
《LM324指导书》
《AD590指导书》
四、系统框图及简要说明
（一）系统框图的简要说明
1．温度传感器AD590作用是将温度信号转化为电流信号。
2．一个10K的电阻，将电流信号转化为电压信号。
3．电压跟随器1是为了隔离10K电阻对后续电路的影响。
4．加减运算电路是为了将电压信号调整到0～5V。
5．电压跟随器2、电压跟随器3，均是为了防止前面的电路对后续电路的影响。
3．参数计算：
假设加减公式：
（1）
可简化为： (2)
因为输入电压Ui的范围是2.73～3.23V，输出Uo1的电压范围是0～5V。
所以，当Ui=2.73V时Uo1=0，
当Ui=3.23V时Uo1=5V。
将上述两组数据带入（1）式，得：
（3）
（1）式（3）式联立计算，并将Rf的值设为10 K。
得：R1=1 K、R2=1.83 K,而 ，由此可得R3=2.83 K。
（2）AD590的使用电路
图4 AD590使用电路
（二）电流信号转化为电压信号部分
1、原理：如图4。
2、参数计算：由欧姆定律：I=U/R，U=IR
得：
（三）加减运算电路部分
1．原理：因为要实现输出电压Uo1在0～5V变化，所以必须通过加减运算电路将输入电压2.73～3.23V转化为0～5V。连接电路如图所示:
结果分析：
在误差允许的范围内，实验结果符合要求。此系统的精确度符合一般的测量要求。
九、设计感想
模电课程设计是培养我们学生综合运用所学的知识,学会发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,回想此次课程设计，让我感慨颇深，因为，从选择课题到定稿，从理论到实践，在短短的两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是我学到了很多很多的的东西，不仅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。通过这次模电课程设计使我懂得了理论和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和实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
（2）当输出端1电压大于3V时，输出端2为低电平；当输出端1小于2V时，输出端2为高电平。当输出端1电压小于3V并大于2V时，输出端2保持不变。
三、总体设计思想
图1 温度控制系统的基本组成
使用温度传感器，将温度信号转化为电流信号；
使用一个接地的10K电阻使此电流信号在传输过程中转化为电压信号；
接受温度要求范围为：0～50℃，转化电压为：2．73～ 3．23 V。使用集成运放构成电压跟随器、加减运算电路，来实现电压范围转化为：0～ 5 V；
总之，这次模电课程设计让我学到了很多东西，尤其让我明白了理论和实践相结合的重要性。只有自己亲自动手操作才会对所学的理论知识有深刻的了解。
附录1：元器件清单
芯片名称
型号
数量
温度传感器
AD590
1
集成运放
LM324N
4
555定时器
LM555CM
1
电位器
0-10K
4
定值电阻
1K
1
定值电阻
10K
2
发光二极管（红光）
（二）要求
（1）通过查阅手册和有关文献资料培养学生独立分析和解决实际问题的能力。
（2）通过实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、安装调试等环节，掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。
（3）掌握常用仪器设备的使用方法，学会简单的实验调试，提高动手能力。
（4）综合使用课程中学到的理论知识去独立完成一个设计任务。
二、课程设计名称及设计要求
（一）课程设计名称
设计题目：温度测量控制系统的设计和制作
（二）课程设计要求
1．设计要求：
要求设计制作一个可以测量温度的测量控制系统，测量温度范围：室温0～50℃，测量精度±1℃。
2．系统控制要求：
（1）当温度在室温0℃～50℃之间变化时，系统输出端1相应在0～5V之间变化。
式中：Ir为器件AD590的电流，单位为：μA。T为所处环境的热力学温度，单位为：K。
（2）AD590的测温范围为-55℃～+150℃。
（3）AD590的电源电压范围为4V～30V。AD590可承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
（4）精度高。AD590 共有I、J、K、L、M 五档，其中M 档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃
图5 加减运算电路电路图
2．所用芯片：四运放LM324CM。
图6 LM324CM引脚图
LM324CM为带有真差动输入的四运算放大器。和单电源使用场合的标准运算放大器相比，它有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多使用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号和该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号和该输入端的相位相同。