采用ICL7107的小型數(shù)字溫控表

　　在工業(yè)系統(tǒng)和日常生活中溫度測量是最常見的非電量測量之一，溫度也是主要的被控參數(shù)之一。傳統(tǒng)的測量方法是：采用各種各樣的溫度傳感器將溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換為電量，再將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再顯示。如需控制被測溫度，那末還要將反饋信號與設(shè)置信號進行比較、運算以控制制冷設(shè)備。由于一般溫度傳感器輸出的信號比較小，信號必須放大。加之傳感器的非線性，現(xiàn)場的干擾等問題，使得一般溫度測量和控制系統(tǒng)線路復(fù)雜、體積大、造價高，而且難于實現(xiàn)遠距離傳輸和控制。研制廉價的帶有溫控功能的大眾化的溫控表，將具有現(xiàn)實意義。

　　隨著微電子技術(shù)的日新月異，從溫度傳感器、運算放大器到A/D轉(zhuǎn)換器、顯示技術(shù)都有了長足的進步，各種各樣的（線性的、數(shù)字的）大規(guī)模集成電路和集成溫度傳感器的出現(xiàn)，使得研制高可靠的小型的數(shù)字化的廉價的溫控表成為可能?，F(xiàn)在把筆者設(shè)計的在實際冷庫工程中應(yīng)用的一個溫控表介紹給大家。

　　一、設(shè)計思想和指標

　　1、適應(yīng)范圍大的通用型。調(diào)查結(jié)果表明：在一般工業(yè)系統(tǒng)和日常生活中，溫度的測量和控制在-50e~+150e范圍內(nèi)占80%以上另外控制精度？0#5e已能滿足一般要求。根據(jù)以上的情況，確定溫控表的指標為：

　　2、采用大規(guī)模集成電路，以簡化電路設(shè)計，提高系統(tǒng)工作可靠性、穩(wěn)定性。

　　3、低成本、易安裝、易調(diào)試、易校準，使用簡單，方便靈活。

　　根據(jù)以上原則，采用AD590單片集成兩端式感溫電流源溫度傳感器和ICL710731/2位A/D轉(zhuǎn)換器。

　　二、AD590和ICL7107簡介及外接元件參數(shù)的計算

　　AD590是半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)式溫度傳感器，它所流過的電流數(shù)值（微安級）等于絕對溫度（開爾文）的度數(shù);激勵電壓可以從+4V到+40V;溫度范圍-55e~+150e;標準的輸出：1LA/bC線性關(guān)系。因為是電流輸出，易于遠距離傳輸，且不會因電壓降或感應(yīng)噪聲電壓影響產(chǎn)生誤差。

　　AD590有兩種封裝TO-52（金屬）和TO-92（塑料），一般使用金屬封裝。AD590的輸出電流為：

　　i（t）=io+t@K=273.2LA+t@1LA/bC式中：K）））AD590比例因子（K=1LA/e）t）））攝氏溫度

　　在本溫控表中AD590應(yīng)用于電壓輸入系統(tǒng)中，如圖1所示。

　　系統(tǒng)具有偏置（EOS）和增益調(diào)節(jié)裝置。在量程的最低溫度附近可作偏置校正，在所測的最高溫度附近可調(diào)節(jié)增益。根據(jù)電壓量程，RT取不同的值，在本系統(tǒng)中取RT=10k8 EOS=2#73V，則VO=10mV/Cb。ICL7107是CMOS構(gòu)造的自動穩(wěn)零二重積分型，內(nèi)含時鐘振蕩器（外附R、C），差分輸入，高共模抑制比，低功耗，LED顯示及具有大規(guī)模集成電路的優(yōu)點的單片A/D轉(zhuǎn)換器。電路主要由兩部分組成：模擬部分和數(shù)字部分，工作原理如下。

　　轉(zhuǎn)換周期分為三個階段：自動穩(wěn)零（AZ）階段、信號積分（INT）階段、反積分（DE）階段，其時間分別為

　　在反積分期的輸入時鐘脈沖數(shù)最大值是2000，當?shù)扔诨虺^2000時溢出;當不足2000時，只要反相積分期結(jié)束，即轉(zhuǎn)入自動穩(wěn)零期，這時自動穩(wěn)零期的時間增長值$TAZ為

　　綜上：A/D轉(zhuǎn)換的三個階段共需4000個TCL時鐘周期，因為振蕩周期4分頻TCL，所以整個轉(zhuǎn)換時間為16000個TOSC（振蕩周期）。

　　根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換原理知道：D的最大讀數(shù)為2000，在前面已設(shè)計AD590的取樣電阻RT=10k8，則有10mV/Cb，設(shè)滿量程VFS=2.000V（即2000e），根據(jù)（4）式，就可算出參考電壓VREF的值，即VREF=1/2@2V=1V。當然，也

　　可以固定VREF，用調(diào)整放大器的放大倍數(shù)來滿足讀數(shù)的要求。在本溫控表中，就是固定VREF的值，調(diào)整放大器的系數(shù)實現(xiàn)量程調(diào)節(jié)。ICL7107采用塑料或陶瓷封裝，雙列直插式，共40個引腳，引腳排列和功能如圖2所示。

　　下面介紹ICL7107外圍器件參數(shù)的計算：

　　（1）振蕩頻率fosc

　　一般取C=100pF，由于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器第一次積分階段的時間TINI為電網(wǎng)工頻周期20ms（f=50Hz）的整數(shù)倍時具有無窮大的抑制串模干擾的能力。因此輸入脈沖的頻率必須滿足下式

　　自動穩(wěn)零電容Caz大小的選擇依系統(tǒng)允許引入的噪聲為依據(jù)。一般在A/D轉(zhuǎn)換器具有較高分辨率時，要求引入小的噪聲，這時就要選用較大的自動穩(wěn)零電容。因此，在滿度輸入Vfs=2V（分辨率為1字/1mV）時，Caz一般為01047LF。

　　（5）參考電容Cref

　　參考電容CREF的選取以保證A/D轉(zhuǎn)換器的翻轉(zhuǎn)誤差限制在1個字以內(nèi)為度，一般選為011LF。

　　三、整機電原理圖及工作原理

? ? ? ? 整機電原理圖如圖3所示。

　　溫度傳感器AD590在激勵電壓（10V）作用下，在采樣電阻R21上產(chǎn)生電壓，經(jīng)跟隨器U2:ALM324分兩路輸出：一路給A/D轉(zhuǎn)換器的輸入INL0（ICL7107的31腳），一路給溫控比較器。信號采用浮空輸入，在輸出的另一端通過U2:BLM324加入偏置電壓（-2127V），使其0e對應(yīng)-2127V，偏置電壓是用正輸出可變型三端穩(wěn)壓器LM317L來實現(xiàn)的。

　　在本電路中，ICL7107的參考電壓Vref是固定的，其值是Vref=10k/30k@218V=01933V，根據(jù)公式VFS=2Vref，則有VFS=11867V，這與采樣電阻RT=10k8上產(chǎn)生的0101V/e不一致，為此在U2:A的輸出端用W1來調(diào)整輸出的大小，使其放大系數(shù)《1，偏置電壓用W2來調(diào)整。

　　溫度控制由比較器U2:CLM324，U2:DLM324，帶復(fù)位（R）和置位（S）功能的雙D觸發(fā)器CD4013B，固態(tài)繼電器、K1（工作狀態(tài)開關(guān)）、K2（溫度上下限設(shè)置開關(guān)）來完成。首先要設(shè)定上下限溫度：K1置設(shè)置位置，K2置上限溫度位置。調(diào)W3，顯示上限設(shè)定溫度;K1位置不變，K2置下限位置，調(diào)W4，顯示下限設(shè)定溫度。溫度調(diào)整好后，K1置工作狀態(tài)，就可以進入溫度顯示和溫控狀態(tài)。如果此時，溫度在上下限之間變化則繼電器不工作，處于保持溫度狀態(tài)。一旦溫度升高到上限溫度，則比較器U2:C輸出變?yōu)楦唠娖剑褂|發(fā)器置位，固態(tài)繼電器工作，制冷機開動，開始降溫，直到溫度低于下限時，比較器U2:D輸出變高，使觸發(fā)器復(fù)位，固態(tài)繼電器關(guān)閉，制冷機停止，進入下一個循環(huán)。

　　四、溫度校準

　　溫度表要進行溫度校準，校準采用比較法。校準的過程是這樣的：將溫度傳感器和標準溫度計放入衡溫槽中，首先使衡溫槽處于0e（看標準表），調(diào)W2，使溫控表讀數(shù)為零;然后降溫至-50e（看標準表），調(diào)W1，使溫控表讀數(shù)為-50e，再升溫至+150e，調(diào)W1。這樣反復(fù)進行幾次，校準就完成了。