【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 料，在放大器電路精選中，一般在首級(jí)放大器有低噪聲、低輸入偏置電流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，如下圖23所示，三運(yùn)放中由AA2構(gòu)成前級(jí)對(duì)稱的同相、反相輸入放大器，后級(jí)為差動(dòng)放大器，在這個(gè)結(jié)構(gòu)圖中，要保證放大器高的性能，參數(shù)的對(duì)稱性與一致性顯得尤為重要，不僅包括外圍的電阻元件R1與RR3與RR5與R6，還包括A1與A2放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器對(duì)器件要求相當(dāng)高。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了專用的高性能的儀用放大器，它的內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)還是三運(yùn)放，但是，采用微電子來(lái)解決剛才的參數(shù)匹配問(wèn)題已不是什么復(fù)雜的問(wèn)題。+A1+A2+A3R2R1R7R6R3R5R4VINVOUT圖 23 三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的高性能放大器原理圖基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng)14隨著近年來(lái)微電子技術(shù)的發(fā)展，市面上出現(xiàn)了不少專用的高性能的芯片，AD6AD623 就是具有上述描述的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，在本設(shè)計(jì)中我們根據(jù)手中的元器件材料最終選擇了 AD620 作為放大器電路的首級(jí)放大。AD620 是低價(jià)格、低功耗儀用放大器，它只需要一只外部電阻就可設(shè)置1～1000 倍的放大增益，它具有較低的輸入偏置電流、較快的建立時(shí)間和較高的精度，特別適合于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如稱重和傳感器接口，也非常適合醫(yī)療儀器的應(yīng)用系統(tǒng)（如 ECG 檢測(cè)和血壓監(jiān)視） 、多路轉(zhuǎn)換器及干電池供電的前置放大器使用。AD620 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由 OP07 組成的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，性能大大優(yōu)于自制的三運(yùn)放 IC 電路設(shè)計(jì)，其基本接法是在 1 腳與 8 腳之間外接一 RG 電阻，增益由式G=1+，由于它的外圍電路十分簡(jiǎn)單，所以它在本系統(tǒng)中的應(yīng)用見(jiàn)下圖 24 所示。由于我們的溫度測(cè)量范圍是 0～100℃，而此時(shí)的溫度傳感器的電阻值根據(jù)分度表為 100 歐姆～ 歐姆，由于我們?cè)O(shè)計(jì)的恒流源為 5/3 毫安，因此AD620 的輸入端為 毫伏，假設(shè)考慮我們的 TLC2543 的最大輸入為，我們?cè)O(shè)計(jì)的放大器的增益在盡量保證分辨率的條件下，則為 20 倍，假設(shè)我們只用一個(gè) AD620，則 AD620 的輸出為 2V～5V(TLC 只能轉(zhuǎn)換 5V)，這樣12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率則大于題目的要求 ℃，因此，我們必須將 100歐姆以下的值通過(guò)偏置的方法將其減掉，然后通過(guò)增加放大倍數(shù)來(lái)盡量提高分辨率，這里我們?cè)O(shè)計(jì)的偏置電路同樣見(jiàn)下圖 5 所示。這里設(shè)計(jì)的首級(jí)放大器的倍數(shù)是 20 倍，而后級(jí)放大則為 4 倍，合計(jì)的放大倍數(shù)為 80 倍，這樣就完全滿足設(shè)計(jì)分辨率的要求。基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng)15R910kR740k85326741U3AD62085326741U2op07VR12kR82kVR24kVCC+12V12V+12V12VR1010kA023傳傳傳傳傳傳傳1 傳傳傳2傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳圖 24 放大電路 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 TLC2543 簡(jiǎn)介在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，為了將模擬量溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，采用德州儀器公司生產(chǎn)的 12 位開(kāi)關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器 TLC2543，它具有三個(gè)控制輸入端，采用簡(jiǎn)單的 3 線 SPI 串行接口可方便地與微機(jī)進(jìn)行連接，是 12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。TLC2543 與外圍電路的連線簡(jiǎn)單，三個(gè)控制輸入端為 CS(片選)、輸入/輸出時(shí)鐘(I/O CLOCK)以及串行數(shù)據(jù)輸入端(DATA INPUT)。片內(nèi)的 14 通道多路器可以選擇 11 個(gè)輸入中的任何一個(gè)或 3 個(gè)內(nèi)部自測(cè)試電壓中的一個(gè)，采樣－保持是自動(dòng)的，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC 輸出變高。基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng)16 TLC2543 的主要特性 (1) 11 個(gè)模擬輸入通道； (2) 66ksps 的采樣速率； (3) 最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 10μs； (4) SPI 串行接口； (5) 線性度誤差最大為177。1LSB； (6) 低供電電流(1mA 典型值)； (7) 掉電模式電流為 4μA。 TLC2543 引腳簡(jiǎn)介 TLC2543 的引腳排列如圖 25 所示。 A01A12A23A34A45A56A67A78A89GND10 A9 11A10 12R 13R+ 14/CS 15DO 16DI 17CLOK 18EOC 19VCC 20TLC2543 圖 25 TLC2543 的引腳AIN0～AIN10：模擬輸入端，由內(nèi)部多路器選擇。對(duì) 的I/O CLOCK，驅(qū)動(dòng)源阻抗必須小于或等于 50Ω?！　S：片選端，CS 由高到低變化將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器，并控制和使能DATA OUT、DATA INPUT 和 I/O CLOCK。CS 由低到高的變化將在一個(gè)設(shè)置時(shí)間內(nèi)禁止 DATA INPUT 和 I/O CLOCK。基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng)17　　DATA INPUT：串行數(shù)據(jù)輸入端，串行數(shù)據(jù)以 MSB 為前導(dǎo)并在 I/O CLOCK 的前 4 個(gè)上升沿移入 4 位地址，用來(lái)選擇下一個(gè)要轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)或測(cè)試電壓，之后 I/O CLOCK 將余下的幾位依次輸入?！　ATA OUT：A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果三態(tài)輸出端，在 CS 為高時(shí)，該引腳處于高阻狀態(tài)；當(dāng) CS 為低時(shí)，該引腳由前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的 MSB 值置成相應(yīng)的邏輯電平。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的 I/O CLOCK 下降沿之后，EOC 由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸。 　　VCC、GND：電源正端、地。　　REF＋、REF－：正、負(fù)基準(zhǔn)電壓端。通常 REF＋接 VCC，REF－接 GND。最大輸入電壓范圍取決于兩端電壓差。　　I/O CLOCK：時(shí)鐘輸入/輸出端。TLC2543 每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送使用 16 個(gè)時(shí)鐘周期，且在每次傳送周期之間插入 CS 的時(shí)序。根據(jù) TLC2543 時(shí)序圖可以看出，在 TLC2543 的 CS 變低時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換和傳送過(guò)程，I/O CLOCK 的前 8 個(gè)上升沿將 8 個(gè)輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時(shí)它將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余 11 位移出 DATA OUT 端，在I/O CLOCK 下降沿時(shí)數(shù)據(jù)變化。當(dāng) CS 為高時(shí)， I/O CLOCK 和 DATA INPUT 被禁止，DATA OUT 為高阻態(tài)。TLC2543 與單片機(jī)的連接如圖所示?；?Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng)18A01A12A23A34A45A56A67A78A89GND10 A9 11A10 12R 13R+ 14/CS 15DO 16DI 17CLOK 18EOC 19VCC 20TLC2543VCC5VCLOKD1D0/CSA0圖 26 TLC2543 與單片機(jī)連接圖 單片機(jī)控制電路本設(shè)計(jì)是采用 STC89C52RC 單片機(jī)作為主控電路，其中 P1 口為 A/D 轉(zhuǎn)換器，, 為按鍵控制，P0 為液晶數(shù)據(jù)端口，P2 為液晶控制端口，用于對(duì)液晶進(jìn)行控制。如圖 8 所示。 圖 2 7 STC89C52RC 單片機(jī)控制電路基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng)19 顯示模塊本設(shè)計(jì)采用液晶12864來(lái)顯示溫度及溫度曲線。其連線圖如下： 圖28 液晶顯示第三章 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總流程的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，然后PT100進(jìn)行溫度采集，然后經(jīng)過(guò)放大，A/D采集后由單片機(jī)處理讀到的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)液晶顯示溫度及溫度曲線。流程圖如下：基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng)20 開(kāi)始系統(tǒng)初始化PT100 溫度數(shù)據(jù)采集處理讀到的數(shù)據(jù)顯示溫度及溫度曲線結(jié)束圖 31 系統(tǒng)總流程圖 主函數(shù)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化，調(diào)用溫度子程序，調(diào)用顯示子程序，調(diào)用掃描按鍵程序，然后循環(huán)。流程圖如下：開(kāi)始系統(tǒng)初始化調(diào)用溫度子程序調(diào)用顯示子程序調(diào)用掃描按鍵程序 圖 32 主函數(shù)流程圖基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng)21 溫度轉(zhuǎn)換流程圖的設(shè)計(jì) 溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)先行初始化，A/D 轉(zhuǎn)換開(kāi)始工作，單片機(jī)將轉(zhuǎn)換后的電壓轉(zhuǎn)換成溫度。流程圖如下：開(kāi)始初始化函數(shù)A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)換后的電壓轉(zhuǎn)換為溫度返回 圖 33 溫度轉(zhuǎn)換流程圖 顯示流程圖主函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入12864，讀取溫度值。并顯示溫度及溫度曲線。流程圖如基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng)22下：開(kāi)始將溫度數(shù)據(jù)寫入12864 液晶 讀取溫度值 顯示溫度值及溫度曲線返回 圖34 顯示流程圖 按鍵流程的設(shè)計(jì) 圖35 按鍵流程圖 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng)23第四章 數(shù)據(jù)處理與性能分析 采集的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理表41采集的數(shù)據(jù)溫度℃ 39 49 55 69 74 80 93電壓V 通過(guò)最小二乘法擬合的直線： Y=X* （公式3） 性能測(cè)試分析做實(shí)際的電路板時(shí)為了調(diào)零的需要先將Pt100 用100Ω的電阻來(lái)代替，模擬出一個(gè)外界溫度為0℃的環(huán)境，以便于通過(guò)對(duì)電位器的調(diào)節(jié)使其輸出電壓為0V。先檢查電路各個(gè)模塊是否能正常工作，如T431 的參考極的電壓是否為，代替Pt100 的 ，通過(guò)對(duì)信號(hào)放大模塊中的電位器的調(diào)節(jié)是否能正常影響信號(hào)放大模塊和運(yùn)放加減模塊的輸出電壓。將電路板調(diào)試正常后，調(diào)節(jié)電位器使電路最終輸出端的電壓降到0V，但是在實(shí) 時(shí)就沒(méi)有辦法繼續(xù)下調(diào)了，由于輸出電壓是隨電位器的電壓上升而下降的，故可能是和電位器串聯(lián)的電阻R8 設(shè)置得太小了。將100Ω電阻拆下?lián)Q上Pt100 熱敏電阻進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,，測(cè)得的溫度為21℃，而這時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)的溫度傳感器測(cè)得的溫度也為21℃，在用Pt100 測(cè)體溫，為36℃，誤差很小，電路設(shè)計(jì)成功。 的誤差可能是其他原因照成的，但是由于沒(méi)有嘗試其他標(biāo)準(zhǔn)溫度的測(cè)量還不能對(duì)產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)一步分析?；?Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng)24第五章 結(jié)論與心得1 結(jié)論根據(jù)電路板的測(cè)試結(jié)果表明電路工作正常，能實(shí)現(xiàn)設(shè)定的功能，達(dá)到指標(biāo)要求，但是對(duì)低溫的測(cè)量可能存在著較大的誤差。2 心得通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)我掌握了一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)過(guò)程和調(diào)試方法。在設(shè)計(jì)一個(gè)電路時(shí)可以先查閱相關(guān)資料，然后先確定電路中各個(gè)模