电子电路设计实验(热电阻温度测量系统的设计与实现)

北京邮电大学

电子电路综合设计实验

课题名称：热电阻温度测量系统的设计与实现

索引

一、概要 (2)

二、设计任务要求 (3)

三、设计思路与总体结构图 (4)

四、分块电路和总体电路的设计.................................. 错误！未定义书签。

1、温度传感器电路设计 (4)

2、集成三运放差分设计 (5)

3、滤波器电路设计 (6)

4、A/D转换与显示电路设计 (7)

五、功能说明 (9)

六、实际测试数据 (9)

七、所用元器件及测试仪表清单 (11)

八、故障及问题分析 (11)

九、实验总结与结论 (11)

十、原理图及PCB板图 (12)

十一、参考文献 (13)

一、概要

1.1、课题名称

热电阻温度测量系统的设计与实现

1.2、报告摘要

为了实现利用热敏电阻测量系统温度，设计实验电路。利用热电阻Pt100为温度测量单元，系统主要包括传感电路、放大电路、滤波电路、A/D转换电路和显示电路五个单元构成。通过包含热敏电阻的电桥电路实现温度信号向电信号的转换，利用三运放差分电路实现放大差模信号抑制共模信号并通过二极管显示二进制数来显示温度值。此电路可以定量的显示出温度的与A/D转换器输入电压的关系，再通过量化就可以实现温度测量的功能。报告中首先给出设计目标和电路功能分析，然后讨论各级电路具体设计和原理图，最后总结本次实验并给出了电路图。

1.3、关键字

测量温度热敏电阻差分放大低通滤波 A/D转换

二、设计任务要求

（1）了解掌握热电阻的特性和使用方法。

（2）了解数模转换电路的设计和实现方法。

（3）了解电子系统设计的方法和基本步骤。

（4）设计一个利用热电阻Pt100 为温度测量元件设计一个电子测温系统，

用发光二极管显示A/D的输出状态，并模拟测温（实际上实验室给的是

Pt300），用Altium Designer软件绘制完整的电路原理图（SCH）。

三、设计思路与总体结构图

图1：热电阻温度测量的系统原理框图

如图将系统划分为传感器电路、放大电路、滤波电路、A/D转换电路显示器和电源电路共六个单元。传感器是由Pt100及若干精密电阻和电位器构成的电桥电路组成；放大器是有运放LM324构成仪表放大器，具有较高的共模抑制比和输入

阻抗；滤波电路采用高精度OP07二阶低通有源滤波器；模数转换电路是用ADC0804进行设计，并利用NE555N产生频率为1KHz到1.3KHz的时钟信号来使数模转换电路实现实时同步；显示电路由发光二极管构成；电源电路采用变压器、稳压模块和整流桥等器件进行设计。

四、分块电路和总体电路的设计

4.1、温度传感器电路设计

4.1.1铂热电阻

热电阻是利用温度变化是自身阻值随之变化的特性来测量温度的，工业上广泛的用于测量中低温区（-200℃—500℃）的温度。

铂热电阻在氧化性介质中，甚至在高温下，物理、化学性质都比较稳定，因此具有较好的稳定性和测量精度，主要用于高精度温度测量和标准测温装置中。

铂热电阻Pt100与温度的关系，在0—630.74℃以内为

R t=C(1+At+Bt2)

在-190-0以内为：

R t=R0[1+At+Bt2+C(t?100)t3]

式中Rt为t时的电阻值；R0是0时的电阻值；t为任意温度值；A、B、

C为分度系数，/o C，。

但是实际实验中的使用的是Pt300，而且根据在实验室的实际测量Pt300在20℃时是325Ω，而且其阻值随着温度的升高而降低。

4.1.2热电阻温度传感器的接入方式

热电阻由于精度高、性能稳定等优点在工业测试中得到广泛应用。流过热电阻的电流一般为4-5mA，不能过大，否则产生热量过多而导致影响测量精度。

因为热电阻的阻值很小，所以其测量误差与接线电阻有关。为了降低导线电阻的影响，实际温度测量中常用电桥作为热电阻的测量电路，电桥接线法能精确地测量温度。

热敏电阻测量电路：

图2：电桥接线法

电阻电桥输出的电压信号反映了两个输出端之间的信号变化。根据电路的基

，只要满足

本结构以及电路定理推导可得U o=U o2?U o1≈V cc R2?R5

(R2+R5)2

?R5?R2+R5，电桥的输出电压与热电阻的变化量成正比，并且输出电压与?R5之间是线性关系。

调试过程中，要求在零度的时候输出为0mV，在100-138.5时输出为25.67mV，所以取。

4.2集成三运放差分放大电路设计

LM324N的三个运算放大器组合设计成一个仪表放大器。这样就可以拥有较高的输入阻抗和共模抑制比，二级放大信号失真小，噪声和温漂的影响也被降到

最低。以下（图3）是用LM324N构成仪表运算放大器的电路图：

图3：三运放差分放大器

由电子电路基础中运放的分析方法，虚短、虚断理论可以推得：

V o=R2

1

1+

2R

w

(V I1?V I2)

U2ALM324N和U2BLM324N构成放大电路的输入部分，而U2CLM324N为差分放大部分。从整个电路来看，该电路具有输入阻抗高、共模抑制比高、温漂影响小和二级放大信号失真小等优点。由于有Rw1是变阻器，故放大倍数可以调节，方便实验的进行，理论计算得到的放大倍数：88—224

对上式进行分析讨论如下：

(1)如果输入信号由差模信号和共模信号叠加组成，则在理想条件下（即理想的运放和放大器中对称的电阻元件），电路的共模抑制比可以达到无穷大；

(2)如果输入是完全的共模信号，即令V I1=V I2=V COM，可以得到

，这说明在差分U2ALM324N和U2BLM324N所构成的输入放大部分对共模信号没有任何的放大作用。

电路的调试与校准基本上与原理图一致，实际的放大倍数在调节中得到的放大倍数为90-200倍，与理论值的88-224基本相同，满足系统对于这一级放大倍数的要求。

4.3滤波器电路设计

本系统中为了去掉50Hz信号和其他随机噪声的干扰，在对信号进行A/D 转换和显示之前对信号进行滤波。从滤波效果和电路的实际应用来考虑，本滤波系统采用OP07设计了一个二阶压控电压源低通滤波电路，如图4所示：

图4:二阶压控电压源低通滤波电路

4.3.1通带电压放大倍数

LPF的通带电压放大倍数就是在f=0时的输出电压与输入电压之比。而对于直流信号而言，电路中的电容相当于开路，因此它的通带电压放大倍数就是同相比例电路的电压放大倍数即：A up=1+R f

R1

，进过简单的计算可以得出图4所示的滤波电路的传递函数为：

A u S=

A up

1+3?A up sCR+(sCR)2

上式表明电路的通带放大倍数应小于3，否则将有极点位于S的有半平面或虚轴上，导致电路不能稳定工作。

4.3.2频率特性

令s=jω，并令，w0=2πf0=1

RC

，f=fo,可得

Q=

1

3?A up

由二阶压控LPF的幅频特性可知，当Q=0.7时滤波效果最好，此时放大倍数为A up=1.57。此二阶压控LPF的上截止频率为f0=7.96Hz。

4.4、A/D转换与显示电路设计

模数转换电路采用ADC0804进行设计，显示电路采用发光二极管进行设计。而NE555N振荡电路产生1KHz的脉冲信号触发ADC0804的WR完成模数转换操作。

ADC0804是分辨率为8位的逐次逼近型模数转换器，完成一次转换大约需要100us,输入电压是0-5V，引出端U REF是芯片内部电阻所用的基准电源电压，

芯片电源电压是1/2，即2.5V。如果要求基准电源电压的稳定度较高时，U REF也可由外部稳定度较高的电源提供。CS为片选端，低电平有效。RD、WR为读写控制端，低电平有效，在WR上升沿后约100us转换完成。中断请求信号INTR输出自动变为低电平，RD=0，送出数字信号。在RD的上升沿出现后INTR又自动变为高电平。

整个系统的显示电路就是由ADC0804的8为数字输出端各接一个发光二极管，通过发光二极管的亮灭就可以读出ADC0804输出的二进制数据，从而显示出测量结果。

图5：A/D转换器与NE555N

4.5 Altium Designer绘制的全电路原理图：

五、功能说明

电桥电路将温度信号转化为电信号即电势差，设计电桥电路是为了减小导线电阻的影响，提高电路的灵敏度及精确度，设置合适的参数使得电桥的输出电压和热电阻的变化两成正比。三运放差分放大器实现电压信号的放大（在此电路中实现反向放大），实验中我们小组统一设定放大倍数为130倍左右。三运放差分放大器能很好的放大差模信号、抑制共模信号，减小电路本身产生的误差。二阶压控电压源低通滤波电路能滤除干扰信号，防止电源等的干扰信号，并有一定的放大功能，实验中我们小组统一设定放大倍数为1.1左右。NE555N震荡电路产生1kHz的脉冲信号触发ADC0804的WR完成A、D转换操作。ADC0804用于将模拟信号转化为数字信号，并驱动二极管显示二进制数。

最终温度是用二极管的亮灭显示的，二极管亮表示“1”，灭表示“0”，8个二极管构成8位二进制数,实现0-100℃温度的测量。

六、实际测试数据

由于存在多级电路，且参数要求严格，本实验实际搭建电路测试时，需要先分别调试A/D数模转换模块，差分放大模块，惠斯登电桥模块和滤波模块等各个模块，确认各模块都能实现各自功能后再接上进行最终的测试。

其中较难的是数模转换模块和电桥模块，其要求安装和调试精度高的同时对于加载的电流有严格要求，一般电流要在1mA左右，达到5mA时就有过热的危险。

数据记录与调试（测试条件为室温下经测量为15）：

6.1、电压总体放大倍数

正确显示室内的温度时，传感器电桥电路输出的差模电压大约在10mV左右，由于系统从传感器输出端到模数转换芯片输入端的放大倍数为140倍，故A/D

模块输入端的电压大约在1.4V左右。

6.2、三运放差分放大电路

差分放大器的放大倍数可由20k的可变电阻进行调节，符合系统要求的放大倍数约为130倍，以下是经过调试后的测试数据：

输入直流时：输入电压Vi=10mV

输出电压V o=1.30V

放大倍数A=V o/Vi=130

输入1kHz正弦波：Vi=60mV

输出电压：V o=5.4V

放大倍数：A=90

6.3、滤波器电路

滤波器：滤波电路的设计指标应为直流电压放大倍数 1.1，上截止频率

7.96Hz，以下是测试数据：

①输入信号频率fo=0Hz（直流）：

输入电压Vi=1.3V

输出电压V o=1.42V

放大倍数Ao=V o/Vi= 1.10

②输入信号频率fh=8Hz:

Vi=0.6V V o=0.605V Ah=1.008

③截止频率处衰减：Ah/Ao=1.008/1.35=0.67<0.707

测试数据满足设计要求

6.4、ADC0804电路

温度为0℃时，ADC0804输入电压为0V，输出“00000000”；

温度为100℃时，ADC0804输入电压为3.75V，输出“11000000”

在ADC0804输入端直接加直流电压进行调试得一下结果：

显示输入电压（V）显示输入电压显示输入电压显示输入电压

显示对应的二进制数加“1”或减“1”

6.5、热敏电阻以及整个测量电路的精度计算

由于实验实际使用的是Pt300，又查不到热度值，我们小组成员只能在实验室用温度计、万能表和热水实际测量热敏电阻的阻值，测量结果如下：

15℃时：R=338.5Ω；

25℃时：R=334.1Ω；

35℃时：R=329.3Ω。

计算大约温度每增加10℃，热敏电阻阻值降低4.5Ω，输入电压增加2.745mV，经过放大电压增大0.407V，经计算可知实际中0℃时，输入为0V，显示为00000000；100℃时，输入为4.07V，显示为11010000。一共可以把0-100℃分成224份，二进制显示的数值每增加1，实际温度增加0.45℃。即该热敏电阻温度测量仪的测量精度为0.45℃。

七、所用元器件及测试仪表清单

八、故障及问题分析

（1）本次实验中我在电路，即电桥电路的调试中花费了大量时间。在接入5V直流电压后，通过调节电位器的阻值，理应在输出端输出10mV的电压差，但我无论怎样调节电位器阻值，其输出电压都为180mV左右，明显超出实验要求的范围。我更换了电路原件、检查面包板是否短路、试探导线是否接触不良均无效果。最后发现，原来书本P112的总电路里，第一级的电路连接错误。改正错误接法后才把问题解决。

（2）第一级输出电压对正负是有要求的。一开始我只关注输出的绝对值为10mV，而没有关注哪个输出端的电势高，哪个低，事实证明这对后一级的电路有重大影响。经过调试最终确定了第一级输出信号的大小和正负。

（3）教材中所给的NE555电路的8号端口没有加直流电源。如果按这种接法连接电路，用示波器观察其输出波形发现，得不到想要的1kHz的矩形波，这将导致ADC0804无法正常工作。后来在8号端口加上了+5V的直流电源，才产生实验所需要的脉冲信号。

（4）在后面电路的组装调试过程中，测量结果与预想不一致的情况时有发生，经过检查后却会发现都是由很小的问题造成，而不是电路本身设计有缺陷。例如：①电路元件损坏，导致调试数据时得不到理想结果。解决方法：组装电路前检

查一遍元件，发现损坏马上更换。

②导线、电阻、电容等元件在面包板上放置比较混乱，出现了导线接触不良、

元件金属脚互相接触进而短路等状况。解决方法：尽量合理布局，在保持美观的同时有利于消除各元件之间的影响。

③测量工具（如示波器、万用表）损坏，即使电路输出正常也无法显示出来。

解决方法：正式测量前先检查电表是否正常。

九、实验总结与结论

本次实验中，我不但了解了热电阻的特性，掌握了电子系统设计的基本方法和步骤，同时对过去电子电路课程里学到的内容有了更深入的认识，而且在仿真电路、安装电路板等的动手实践中，体会到电路设计与调试的艰难，明白了这门课程需要我们更多的关注与学习。在本次实验中，我的体会如下：

（1）实验前要充分理解本实验各级电路的工作原理和相关知识，对于某些数据的推导可以亲自尝试，避免盲目迷信书本。前面我已经提到，在第一级电

路中，我花费了大量的时间来调试，结果却发现是书本的电路图出问题。

这是完全能够通过充分的预习来避免的。

（2）在电路调试的过程中，如果出现了问题一定要冷静分析，从各个方面找出问题所在。首先可以检查导线、电阻等元件是否损坏，接触是否良好；其

次仔细对照书本的电路图，确认自己连接无误。若以上问题都不存在，需

要检查面包板插口之间是否存在短路。通过这种由小到大逐层检查的方式，找出最终问题的症结所在。

（3）电路不要一口气全部在面包板上接好，这样一旦某个部分出现问题，有可能导致整个电路短路烧坏，而且也不利于各级电路的分别调试。正确做法

是将各级电路分开，一级电路连接完成后马上调试，工作正常再连接下一

级电路。将庞大的电路细化到每一级、每一个元件，可以减少调试的时间，

提高精度。

（4）在实验中要做到“大事不糊涂，小事糊涂”。在宏观上把握整个实验的原理和布局，在一些细节上则不必过分执着。比如书本电路中有些元件要求

的参数在试验室中根本找不到，这时可以利用参数相似的元件代替，只要

不影响最终的输出即可。

十、实验原理图

本实验中原理图使用Altium DXP2004 绘制

图7：实验原理图

十一、参考文献

[1] 电子电路综合设计实验教程（上）（下），北京：北京邮电大学电路中心，2010

[2] 陈怀琛等.Matlab及在电子信息课程中的应用（第三版），北京：电子工业出版社，2006

[3] 刘宝玲等.电子电路基础，北京：高等教育出版社，2008