第二章 水温测量仪的设计
2.1总体结构框图设计
制作水温测量仪，首先利用温度传感器获取被测量对象的温度，将温度转换为电压表示。然而上述表示的为绝对温度与电压的转换关系，因此还需将绝对温度与电压的关系转换为摄氏度与电压的关系，这样就完成电压与摄氏度之间的直接转换关系。之后将电压放大，即可直接用电压表读出被测对象的温度值。此外将放大后的电压接至一电压比较器，比较器输出端接报警设备，如指示灯。在设置比较电压（即比较温度）后，由比较器输出端的电压决定指示灯的状态，进而起到报警的作用。基本原理如图 2.1.1所示：
图 2.1.1基本原理图
2.2温度检测电路设计
图2.2.1 集成温度传感器AD590
2.2．1 AD590简介:
AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器，如图 2.2.1所示。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的 特性。即使电源在5～15V之间变化，其电流只是在1μA以下作微小变化。其主要参数如表2.2.1所示：
工作电压 4～30V 反向电压 －20V
工作温度 －55～＋150℃ 焊接温度（10秒） 300℃
保存温度 －65～＋175℃ 灵敏度 1μA／K
正向电压 ＋44V
表 2.2.1 AD590参数表
2.2.2 AD590的应用
AD590输出阻抗达10MΩ，转换当量为1μA/K。温度—电压转换电路如图 2.2.2所示：
图 2.2.2 温度—电压转换电路
温度—电压转换分析：如图 2.2.2所示，当将AD590置于水中时，根据水温多少将提供恒流，方向如图所示。由于在Uo输出端接一电压跟随器从而增大输入阻抗，电流几乎全部流经电阻R。
由AD590转换当量可知：
U01= UR=1μA/K×R=R×10-6/K (2 .2. 1)
在实际应用中可取R=10KΩ，则:
U01=10mV/K (2.2.2)
这样可以实现温度—电压的转换，取的所需电压。
2．3 K—℃变换
2.3．1 K—℃变换减法电路
实现温度—电压转换后，不能直接测量，仍需将绝对温度转换为摄氏度，即实现K—℃变换。绝对温度（T）与摄氏度（t）之间的关系为：
T=t+273k （2.3.1）
由式 （2.2.2）与式 2.3.1可知要实现K—℃变换，必有：
Uo2=10mV/℃―2.73V (2.3.2)
该变换可用一个求和式加法器实现，如图1.3.1所示：
图 2.3.1 求和式加法器
求和式加法器分析：在理想运放的情况下，利用虚短与虚断。有如下关系：
-UR/R2+U01/R1=U02/Rf1 (2.3.2)
设R2=R1=Rf1（2.3.3）
解式（2.3.2与式（2.3.3 ）得：
(1.3.5)
U02= （U01-UR） (2.3.4)
2.3.2 电压的放大
放大器
设计一个反相比例放大器，使其输出u03满足100mV/℃。用数字电压表可实现温度显示。
图2.3.2
放大器的关系式：
U03/R4=U02/R3 ；
由R4/R3=10得
U03=10U02
2.4 比较器
2.4.1 电压比较器原理：
由电压比较器组成，如图3所示。UREF为报警时温度设定电压，Rf2用于改善比较器的迟滞特性，决定了系统的精度。
由上式可知温度与电压之间的关系：
U=0.1V/ ℃
将放大后的电压接直流电压表，即可直接读的温度值,如:将AD590放入20℃的水中，可读得电压表的值为2V。
图2.4.1(a)所示为一最简单的电压比较器，UR为参考电压，加在运放的同相的输入端，输入电压ui加在反相的输入端。
(a) （b）
图 2.4.1 电压比较器原理原理图
图2.4.1 (b)所示为其传输特性。当Ui＜UR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压UZ，即Uo＝UZ。当ui＞UR时，运放输出低电平，DZ正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD，即 Uo＝－UD。因此，以UR为界，当输入电压ui变化时，输出端反映出两种状态，高电位和低电位。
2.4.2 运算放大器比较器
以上介绍的是最简单的电压比较器原理。比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。图2.4.2 由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压Va经分压器R2、R3分压后接在同相端，Vb通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与Va、Vb及4个电阻的关系式为：
Vout=(1+RFR1 )( R3R2+R3 )Va- RFR1 Vb (2.4.1)
若R1=R2，R3=RF，则:
Vout= RFR1 (Va-Vb)， (2.4.2)
RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2短 路)，R3=RF=∞(相当于R3、RF开路)时，Vout=∞。增益成为无穷大，其电路图就形成图 2.4.3 的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。
因此为了实现报警功能，可在输出电压端接一个电压比较器，利用电压的大小关系起到报警作用。
2.4.3图
2.4.3 比较器实例
在本实例中采用图2.4.4比较器。其中电阻参数取：R3=R4=10KΩ，Rf2=1000KΩ，在图 2.4.4所示VCC3为报警时的温度设定电压。R3，R4用于稳定输入电压，决定了系统的精度。而 Rf2用于报警设备的输入电阻，用于控制输入电流的大小。
图2.4.4 水温测试仪电压比较器电路
2.5报警设备
LED发光二极管：
报警设备可用一个发光二极管来充当，发光二极管LED，它是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写。发光二极管发热量小，耗电少。
发光二极管有很多优势：
1. 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
3. 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境
4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50%
5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级
6. 对环境污染：无有害金属汞
报警分析：
当加与U2端的电压大于设定温度Uref时，U3有了正向输出，二极管LED导通，发光，报警完成。
水温测量仪运作过程总析
将上述器件加以组合得到图2.6.1所示：
水温测量过程及报警分析：将AD590放入水中，将会产生相应大小的电流，电流经过Ro，在Ro两端产生电压，进而由一个运放组成的电压跟随器输出。然而经过绝对温度与电压的转换后还需要变换为摄氏度与电压的关系。于是在电压跟随器后接一个求和加法器以达目的，即加上一个-2.73V的电压。可以利用稳压管和运放电路来提供所需要的-2.73V电压。
之后可将电压跟随器的输出电压与上式所求得的电压接至求和加法器的两端。在加法器（放大器）作用之后，我们获得电压与温度的直接关系。在U03端接一电压表，即可读的温度值。比如水的温度为12℃，则电压表的示数为1.2V。
完成了电压的读取，还需进行电压比较以达到报警的目的。在1.5节中已经讨论了比较器的原理。设计所要求的报警温度为50℃，即比较电压为5V。所以应该在比较器比较端VCC3接5V的恒压源。
当输出电压U03<5V时，U04<0。此时二极管截止。当输出电压>5V时，U04>0。此时二极管导通, LED发光。报警过程完成。在实际应用中，我们取VCC1=12V。
第三章 水温测量仪的仿真与制作
3.1 仿真软件简介
EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为Electronics Workbench。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于1988年开发的，自发布以来，已经有35个国家、10种语言的人在使用。EWB以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1972年使用以来，已经成为模拟集成电路设计的标准软件。EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：
（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；
（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。
（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。
（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。
（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。
3.2 仿真电路的建立
我们用EWB建立电路模型，由于没有AD590，我们可以利用一个恒流源代替AD590提供电流，比拟温度的采样。被减电压2.73V我用了一个2.73V的电池来代替。电路模型如图3.1.1，图3.1.2所示：
3.3仿真效果分析
设置好电路以后，我们开始仿真。由于我们用了一个恒流源代替了AD590，即用电流源比作电压的获得。
1，取电流源电流值为200uA，即绝对温度200K，转换为摄氏度为-73℃。电压表读值为-7.3。可见与理论值相同，此时温度比50度小。比较器输出为负值。二极管不导通。图中二极管未发光（双箭头所示）。
2，取电流源电流值为333uA，即绝对温度333K，转换为摄氏度为60℃.电压表为6V。与理论相同，由于温度比50度大，电压U2>VCC3.比较器输出正值，由于理想运放的缘故。图中电压表读出值为19.8V是一个不确定正值。二极管在U3的作用下导通，发光（双箭头）.
由此可见理论值与实际值符合得很好。温度能够测得。
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