【文章內(nèi)容簡介】 首先在把微弱的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號同時將信號放大，其次在于進行換能器阻抗匹配。又因為光電二極輸出的電流信號特別小，所以就需要前置放大電路部分保持很高的放大倍數(shù)的同時，還要保持良好的信噪比，這樣就不僅需要在器件擺放時注意使光電二極管和前置放大器擺放的近一些，減少因為傳輸距離過長產(chǎn)生的干擾和不必要的損耗；也需要前置放大器在滿足帶寬的條件下?lián)碛辛己镁€性度和抗干擾能力，噪聲低，漂移低。在衡量以上條件后，選擇AD829作為本次課題前置放大模塊的前置放大器。AD829是一款具有自定義補償特性的低噪、高速視頻運算放大器。在保持50以上帶寬條件下，用戶可以自行設(shè)置177。1到177。20范圍內(nèi)的增益。，176。%，可以驅(qū)動反轉(zhuǎn)端接的50或75電纜，因此特別適合專業(yè)視頻應(yīng)用。AD829僅需5電源電流便可實現(xiàn)230無補償壓擺率和120增益帶寬積。AD829的外部補償引腳使它擁有異常豐富的功能。例如，針對指定負(fù)載和電源電壓，可以選擇補償來優(yōu)化帶寬。用作增益為2的線路驅(qū)動器時，以1峰值的代價就可以將3帶寬提高至95 。此外，AD829具有出色的直流性能，能夠為低至500 的負(fù)載提供最小30 開環(huán)增益，輸入電壓噪聲低至，最大輸入失調(diào)電壓僅1 。共模抑制比和電源抑制比均為120。%精度為90特別重要的多通道、高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由于理論上滿足要求，且在實際應(yīng)用中效果良好，最終選定AD829作為前置放大模塊的放大器。最終設(shè)計的前置放大電路圖如下圖38所示。由于電路仿真軟件Multisim中缺少光電二極管的器件，暫時用可變電流源代替進行模擬。圖中光電二極管工作于零偏置模式下，AD829正向輸入連接一個15的電容接地進行濾波處理以減少正向輸入對光電二級電流信號的干擾，并提高輸入輸出信噪比。放大器供電端添加正負(fù)12直流穩(wěn)壓電源，并在電源和供電端之間添加一組并聯(lián)的小電容起濾波作用，減小電源噪聲對放大器的影響。圖中、和共同組成反饋電容，和的大小均為10，為0~200大小可調(diào)節(jié)的電容，通過改變可實現(xiàn)改變反饋電容。同時由于一般情況下選擇反饋電阻阻值在500左右，但實驗室中缺少500電阻，在此用510替代。圖38 前置放大電路設(shè)計圖圖中反饋電阻和放大器的連接方法為負(fù)反饋，放大倍數(shù)由電阻阻值控制，在普通的負(fù)反饋電路中添加反饋電容，有效的做到對輸入信號濾波消噪的作用，且和反饋電阻共同決定了前置放大模塊的通帶寬度。 (315) (316) (317)其中，為光電二極管輸出的電流；為前置放大模塊的截止頻率；為前置放大模塊輸出的電壓信號。 幅度放大模塊為了使最終輸出的電壓信號能被AD轉(zhuǎn)換器有效采集，在前置放大模塊后添加幅度放大模塊將前一模塊輸出的電壓信號再次放大以滿足AD轉(zhuǎn)換器對輸入電壓的需求。同樣，對幅度放大模塊中的放大器仍需擁有良好線性度和抗干擾能力，噪聲低，漂移低等。最終，選擇TL072作為幅度放大電路的放大器。TL072是一款JEET型低噪聲運算放大器，帶寬達(dá)到3，具有失真低、輸入噪聲電壓低、反向偏置電流低、輸入阻抗高、恢復(fù)率高、增益帶寬大和供電所要求的電流低等優(yōu)點。在單個單片硅積體電路中，TL072JFET型低噪音運算放大器包括了兩種最高水準(zhǔn)的模擬技術(shù)。每一個內(nèi)部償還運算放大器有搭配高伏JFET輸入設(shè)備為了低輸入偏移電壓（補償電壓）。BIFET技術(shù)給低輸入偏置電流，輸入補償電流（輸入偏移電流）和電源電流，提供了寬闊的頻帶寬度和高度轉(zhuǎn)換速度（速率）。進一步而言，這些設(shè)備表現(xiàn)出低噪音低和低諧波失真，讓他們能夠用于高保真精確音頻放大設(shè)計。對于幅度放大電路部分的設(shè)計，最初給出了兩種設(shè)計方案，分別如下圖39和圖310所示：圖39 幅度放大電路設(shè)計方案1示意圖圖310 幅度放大電路設(shè)計方案2示意圖在方案（1）中，經(jīng)前置放大電路處理過得信號從放大器反向端輸入，放大倍數(shù)由和共同決定，輸出電壓的表達(dá)式如下： （318）在方案（2）中，精油放大器正向端進行放大最后輸出，放大倍數(shù)同樣由和一起決定，輸出電壓表示為： （319）經(jīng)過在Multisim上的模擬仿真，和在實際中應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，方案（2）較方案（1）更加穩(wěn)定，也能進行較大倍數(shù)的放大。同時，由于所選AD轉(zhuǎn)換器為單片機STM8的片內(nèi)AD，其能檢測到的電壓范圍在0~3伏特，要求為正。方案（2）中輸出電壓為正向，方案（1）中輸出電壓為反向，因此方案（2）更能滿足本課題的設(shè)計要求，最終選擇方案（2）作為本次設(shè)計幅度放大模塊所用方案。綜合上述，所設(shè)計的輻射溫度測量光電轉(zhuǎn)換模塊和放大部分總的電路原理圖如下: 圖311 光電轉(zhuǎn)換模塊和放大模塊部分電路原理圖 溫度保持模塊因為溫度變化不僅會對光電管與放大器的性能造成一定影響，同時由于工作溫度不同，光電管接收到的熱輻射量也會受到影響，從而對整個輻射測溫的測量結(jié)果產(chǎn)生影響，因此如果能使避免由于溫度變化而引起的測量結(jié)果誤差便再好不過。為此，本課題設(shè)計了溫度保持模塊，將光電轉(zhuǎn)換和放大電路模塊保持在一個恒定的溫度，又升溫加熱較冷卻降溫容易實現(xiàn)并且更加穩(wěn)定，所以本論文將進行用電路模塊實現(xiàn)將系統(tǒng)保持在一個高于室溫和工作環(huán)境溫度的設(shè)計。溫度保持模塊中用到的主要器件有鉑電阻PT100，電壓比較器LM393和功率三極管TIP41。下面首先對這三個器件做簡單介紹。PT100是鉑熱電阻，簡稱作：PT100鉑電阻，有陶瓷、玻璃、云母元件等多個品種，憑借其良好的溫度特性，廣泛應(yīng)用于溫度計、工業(yè)、電子、氣象、醫(yī)療等高精溫度設(shè)備中。它的工作原理是：PT100的阻值會隨溫度變化，當(dāng)他在0℃時阻值為100歐姆，溫度升高，阻值會變大，當(dāng)溫度達(dá)到100℃，阻值隨溫度上升近似勻速增加，二者曲線關(guān)系近似于一條拋物線。LM393是比較器集成電路，在一片芯片中集成了兩個獨立高精度的比較器。LM393專門用于單電源供電時獲得寬電壓范圍，同時也可在兩電源供電時使用，且具有精度高、能減少由于溫度漂移引發(fā)的失調(diào)電壓、輸入共模電壓范圍接近地電平、兼容邏輯電路等優(yōu)點。由以上優(yōu)點，LM393用途廣泛，適用于脈沖發(fā)生器、多頻振蕩器、方波發(fā)生器、寬頻壓控振蕩器、MOS時鐘計時器和高電平數(shù)字邏輯門電路等。當(dāng)適用兩個電源進行供電時，LM393不僅功耗低，還能兼容MOS邏輯電路，這是它比起其他比較器的優(yōu)點所在。同時在使用時應(yīng)注意LM393是高增益,寬頻帶器件，像大多數(shù)比較器一樣，如果輸出端到輸入端有寄生電容而產(chǎn)生耦合則很容易產(chǎn)生振蕩。這種現(xiàn)象僅僅出現(xiàn)在當(dāng)比較器改變狀態(tài)時，輸出電壓過渡的間隙。電源加旁路濾波并不能解決這個問題，標(biāo)準(zhǔn)PC板的設(shè)計對減小輸入—輸出寄生電容耦合是有助的。減小輸入電阻至小于10K將減小反饋信號，而且增加甚至很小的正反饋量(~10mV)能導(dǎo)致快速轉(zhuǎn)換，使得不可能產(chǎn)生由于寄生電容引起的振蕩。除非利用滯后，否則直接插入IC并在引腳上加上電阻將引起輸入—輸出在很短的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)振蕩，如果輸入信號是脈沖波形，并且上升和下降時間相當(dāng)快，則滯回將不需要。LM393的功能框圖如下。圖312 LM393的功能框圖TIP41是NPN型功率三極管，廣泛應(yīng)用于信號放大及音頻功放，可與TIP42 PNP做互補對稱管使用。TIP41的電流增益帶寬積最小為3，放大倍數(shù)在30~75倍之間。TIP41的引腳圖如下。1. 基極2. 集電極321圖313 TIP41的引腳圖運用以上三個器件作為核心進行電路設(shè)計，做出的溫度保持模塊電路圖如下所示。圖314 溫度保持模塊電路設(shè)計圖在此恒溫模塊中，以PT100為傳感器（由于Multisim中沒有PT100電阻，用可變電阻代替進行模擬），以功率三極管TIP41為加熱器件，通過比較器LM393構(gòu)成溫度保持電路。為將系統(tǒng)保持在高于室溫，且高于工作環(huán)境的溫度，選定為40攝氏度，，使得比較器LM393正向輸入端和反向輸入端點位相同。當(dāng)溫度小于40℃，LM393反向輸入端的電壓也就小于正向，此時比較器輸出高電平，功率三極管TIP41處于導(dǎo)通狀態(tài)，開始發(fā)熱；當(dāng)溫度高于40攝氏度時，反相輸入端電壓也就小于同相輸入端電壓，致使比較器輸出低電平，功率三極管TIP41成關(guān)閉狀態(tài)，停止加熱，由于所恒定的溫度高于室溫，溫度會逐漸下降，最終使模塊保持在40℃上下浮動。運用這種方法能精確控制溫度保持在40℃，且容易設(shè)置所恒定的溫度。 單片機顯示輸出部分光電二極管接收熱輻射后所發(fā)出的微弱的電流信號，在經(jīng)過前置放大模塊和幅度放大模塊的放大后，得到的是一個電壓信號，并不能直接從中讀出所測量的溫度值，最終需要通過AD轉(zhuǎn)換器將電壓信號的模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給單片機進行顯示輸出。顯示輸出部分主要以單片機STM8為核心構(gòu)成。STM8是由意法半導(dǎo)體公司所生產(chǎn)的位單片機。該系列單片機可分三個子系列，分別是一般用途的STM8S系列；汽車用途的STM8SA系列和低功耗用途的STM8L系列。本課題所采用的STM8SDISCOVERY開發(fā)板是ST公司針對STM8S系列設(shè)計的一款開發(fā)板。該單片機具有如下特點：高性能的8位結(jié)構(gòu)、模塊化外設(shè)和引腳兼容封裝、具有高性價比且為你現(xiàn)有的8位和16位應(yīng)用提高性能。芯片抗干擾能力強，性能高度可靠，并且系統(tǒng)成本低，簡單靈活，容易入門。顯示所用的模塊為TM1638芯片和DS1302驅(qū)動的共陰數(shù)碼管。TM1638是帶鍵盤掃描接口的LED（發(fā)光二極管顯示器）驅(qū)動控制專用電路，內(nèi)部集成有MCU 數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED 高壓驅(qū)動、鍵盤掃描等電路。主要應(yīng)用于冰箱、空調(diào) 、家庭影院等產(chǎn)品的高段位顯示屏驅(qū)動。最終的顯示輸出模塊由STM8和TM1638驅(qū)動的共陰數(shù)碼管組成。采用STM8片內(nèi)自帶的AD轉(zhuǎn)換器，其檢測電壓的范圍在0到3伏特，將轉(zhuǎn)化成數(shù)字量的電壓值輸送到STM8中，通過溫度標(biāo)定實驗得到溫度和電壓的關(guān)系，在單片機中進行轉(zhuǎn)換，最終通過TM1638模塊將結(jié)果顯示輸出。其中溫度顯示程序的流程圖如下圖所示：顯示初始化開始AD轉(zhuǎn)換中斷讀AD值，出中斷電壓溫度數(shù)值轉(zhuǎn)換圖315 溫度顯示程序流程圖 本章小結(jié)本章主要對課題中的硬件設(shè)計進行了詳細(xì)講解。首先闡述光纖探頭部分的結(jié)構(gòu)和具體參數(shù)；其次概述光電式輻射溫度測量儀的核心器件，也就是光電二極管，對光電二極管的選型要求和具體參數(shù)，給出詳細(xì)的說明；然后講解前置放大電路和幅度放大電路，對具體器件的選型，參數(shù)的選擇，和最后所得的電壓數(shù)值，都給出了詳細(xì)的描述；然后講解了使光電轉(zhuǎn)換電路和電壓放大電路保持溫度恒定的溫度保持模塊，溫度保持模塊的具體工作原理，器件選型，和器件介紹，都作出詳細(xì)表述；最后論述顯示輸出模塊，詳細(xì)介紹了顯示輸出模塊所用的STM8單片機、TM1638共陰極數(shù)碼管，給出了單片機內(nèi)運行程序的程序流程圖。第4章 溫度標(biāo)定實驗和函數(shù)關(guān)系擬合每一個測溫系統(tǒng)的生成都要經(jīng)過溫度標(biāo)定實驗，通過溫度標(biāo)定實驗才能將所測得的其他類型物理變化，例如體積、形狀、電壓等轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)值進行計量。而溫度標(biāo)定實驗的結(jié)果，也會對最終溫度測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生重要影響。在本課題所研究的輻射溫度測量系統(tǒng)中，需要將幅度放大模塊所輸出的電壓值進行測量，每個電壓數(shù)值對應(yīng)測得該數(shù)值時被測物體的溫度，完成溫度標(biāo)定實驗。在溫度標(biāo)定實驗中測得幾個溫度節(jié)點下的電壓值，為通過測量放大電路輸出的電壓得到不是這幾個溫度節(jié)點下的溫度值，也就是將離散的溫度和電壓的對應(yīng)關(guān)系，變?yōu)檫B續(xù)的溫度和電壓的對應(yīng)關(guān)系，就需要進行電壓和溫度關(guān)系的函數(shù)擬合。函數(shù)擬合，就是將由實驗等方法得到的一組一一對應(yīng)的離散數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)方法，得出二者之間的關(guān)系或近似關(guān)系，使二者在坐標(biāo)軸上近似滿足一條平滑的曲線。函數(shù)擬合，分為線性擬合、二次函數(shù)擬合、數(shù)據(jù)的n次多項式擬合、指數(shù)函數(shù)的數(shù)據(jù)擬合、多元線性函數(shù)的數(shù)據(jù)擬合等。而不同的系統(tǒng)，由于選擇方案、使用器件、器件連接辦法和測量時測量辦法實驗人員等原因，得到的擬合函數(shù)也會各不相同，而在實驗過程中，由測量辦法和測量人員產(chǎn)生的誤差也會對整個函數(shù)擬合結(jié)果產(chǎn)生影響，稱為擬合誤差，一般把擬合誤差算作系統(tǒng)誤差。 溫度標(biāo)定實驗流程設(shè)計首先按照如下圖所示，將實驗儀器按順序擺放。萬用表放大電路光電管多模光纖光纖探頭標(biāo)準(zhǔn)溫度溫度保持 圖41 溫度標(biāo)定實驗儀器擺放示意圖首先，將光纖探頭擺放在標(biāo)準(zhǔn)溫度儀前，并用多模玻璃光纖連接，將多模玻璃光纖對轉(zhuǎn)光電管有效面，并使光電二極管和放大電路有效連接，同時將溫度保持模塊和放大電路一同放置于金屬罩中避免外界電磁干擾，將萬用第4章 溫度標(biāo)定和函數(shù)關(guān)系擬合表連接放大電路輸出端。調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)溫度儀致合適溫度后，靜候10分鐘至溫度穩(wěn)定，光纖探頭有效接收熱輻射，待輻射能通過光纖傳導(dǎo)至光電二極管，光電二極管中產(chǎn)生的電流信號經(jīng)由放大電路變?yōu)榉糯蠛蟮碾妷盒盘柡?，用萬用表檢測電壓信號記錄下來。然后換下一溫度測量。本次試驗溫度測量范圍設(shè)定在800攝氏度到1200攝氏度，每隔100攝氏度進行一次測量。因測量點數(shù)較少，重復(fù)多次測量以期得到穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)。 實驗儀器準(zhǔn)備本次溫度標(biāo)定實驗用到的儀器有實驗室提供的鎢絲燈式標(biāo)準(zhǔn)溫度儀、VICTOR牌VC9807型萬用表、WY8型抗干擾微機電源。實驗室提供的鎢絲燈式標(biāo)準(zhǔn)溫度儀的有效發(fā)熱部分是一盞大型鎢絲燈，通過調(diào)節(jié)流過鎢絲燈的電流大小，改變其溫度。由實驗室提供的數(shù)據(jù)可知，該設(shè)備共有6個溫度節(jié)點，從800攝氏度到1400攝氏度每隔100攝氏度