采用ICL7107的小型数字温控表
天津商学院计算机信息工程系 王金长
摘要 本文介绍了一种可以广泛应用的、廉价的小型数字温控表,它采用ICL710731/2位A/D转换器和集成温度传感器AD590。文中
叙述了设计思想,简介了ICL7107和AD590的外接元件参数的计算,给出了整机电原理图。关键词 A/D转换器 温度传感器 数字温控表
一、引,温度也是主要的被控参数之一。传统的测量方法是:采用各种各样的温度传感器将温度参数转换为电量,再将模拟信号转换为数字信号,再显示。如需控制被测温度,那末还要将反馈信号与设置信号进行比较、运算以控制制冷设备。由于一般温度传感器输出的信号比较小,信号必须放大。加之传感器的非线性,现场的干扰等问题,使得一般温度测量和控制系统线路复杂、体积大、造价高,而且难于实现远距离传输和控制。研制廉价的带有温控功能的大众化的温控表,将具有现实意义。
随着微电子技术的日新月异,从温度传感器、运算放大器到A/D转换器、显示技术都有了长足的进步,各种各样的(线性的、数字的)大规模集成电路和集成温度传感器的出现,使得研制高可靠的小型的数字化的廉价的温控表成为可能。现在把笔者设计的在实际冷库工程中应用的一个温控表介绍给大家。
二、设计思想和指标
11适应范围大的通用型。调查结果表明:
另外控制精度±0・5℃已能满足一般要求。根
据以上的情况,确定温控表的指标为:
①测温范围———-50℃～+150℃;②分辨率———011℃;——-;——52,以简化电路设,、稳定性。
31低成本、易安装、易调试、易校准,使用简单,方便灵活。
根据以上原则,采用AD590单片集成两端式感温电流源温度传感器和ICL710731/2位A/D转换器。
三、AD590和ICL7107简介及外接元件参数的计算
AD590是半导体结效应式温度传感器,它所流过的电流数值(微安级)等于绝对温度(开
尔文)的度数;激励电压可以从+4V到+40V;温度范围-55℃～+150℃;标准的输出:μ1A/°C线性关系。因为是电流输出,易于远距离传输,且不会因电压降或感应噪声电压影响产生误差。
AD590有两种封装TO-52(金属)和TO-92(塑料),一般使用金属封装。AD590的输出电流为:
μμA/°A+t×Ci(t)=io+t×K=273.21μ)式中:K———AD590比例因子(K=1A/℃
t———摄氏温度
在本温控表中AD590应用于电压输入系统中,如图1所示。
系统具有偏置(EOS)和增益调节装置。在量程的最低温度附近可作偏置校正,在所测的最高温度附近可调节增益。根据电压量程,RT
35
在一般工业系统和日常生活中,温度的测量和控制在-50℃～+150℃范围内占80%以上;
图 1
取不同的值,在本系统中取RT=10kΩ EOS=2・73V,则VO=10mV/C°。
ICL7107是CMOS构造的自动稳零二重积分型,内含时钟振荡器(外附R、C),差分输入,,耗,LEDD组成:,工作原理如下。
转换周期分为三个阶段:自动稳零(AZ)阶段、信号积分(INT)阶段、反积分(DE)阶段,其时间分别为:
11自动稳零(AZ)阶段
图
2
这时自动稳零期的时间增长值ΔTAZ为ΔTAZ=2000×TCL-1000×TCL・VIN/VREF
(5)
综上:A/D转换的三个阶段共需4000个TCL时钟周期,因为振荡周期4分频TCL,所以
TAZ=1000×TCL+(2000×TCL
-1000×TCL×VIN/VREF)
21信号积分(INT)阶段
(1)
对输入模拟信号进行积分,时间是固定的,为
TINT=1000×TCL
31反积分(DE)阶段
(2)
整个转换时间为16000个TOSC(振荡周期)。
根据A/D转换原理知道:D的最大读数为2000,在前面已设计AD590的取样电阻RT=10kΩ,则有10mV/C°,设满量程VFS=2.000V(即2000℃),根据(4)式,就可算出参考电压VREF的值,即VREF=1/2×2V=1V。当然,也
可以固定VREF,用调整放大器的放大倍数来满足读数的要求。在本温控表中,就是固定VREF的值,调整放大器的系数实现量程调节。
ICL7107采用塑料或陶瓷封装,双列直插式,共40个引脚,引脚排列和功能如图2所示。
下面介绍ICL7107外围器件参数的计算:(1)振荡频率fOSC
(6)fOSC=0.45/RC
一般取C=100pF,由于双积分型A/D转换器第一次积分阶段的时间TINI为电网工频周
期20ms(f=50Hz)的整数倍时具有无穷大的抑制串模干扰的能力。因此输入脉冲的频率必须满足下式
这个阶段是实现对与输入信号极性相反的参考电压VREF进行积分,反相积分的最大时间为
(TDE)MAX=2000×TCL
(3)
从反积分开始到积分器输出回到模拟公共电压VCOM的时间正比于输入模拟电压的大小,其数字读数为
D=1000×VIN/VREF
(4)
在反积分期的输入时钟脉冲数最大值是2000,当等于或超过2000时溢出;当不足2000
时,只要反相积分期结束,即转入自动稳零期,
36
1000×TOSC×4=20ms×N
(7)
自动稳零电容CAZ大小的选择依系统允许引入的噪声为依据。一般在A/D转换器具有较高分辨率时,要求引入小的噪声,这时就要选用较大的自动稳零电容。因此,在满度输入VFS
=2V(分辨率为1字/1mV)时,CAZ一般为μF。01047
(5)参考电容CREF
取N=5时,可求出TOSC=0・025ms,故频率fOSC=40kHz,采样速率SR为
SR=40kHz/4000×4=2.5/s
(8)
由(6)式可求得在40kHz时外接电阻R值
为11215kΩ。
(2)积分电阻RINT
外接积分电阻要选择得足够大,以保证在输入电压范围内的线性工作。积分电流取μ4A,积分电阻大小可用下式计算μA=2V/4μA=500kΩRINT=VFS/4
(3)积分电容CINT
(9)
参考电容CREF的选取以保证A/D转换器的翻转误差限制在1个字以内为度,一般选为
μF。011
四、3(10V)作
积分电容取值用下式估算
CINT=4000×IIN/fVVIS—)
,R21上产生电压,经跟随器U2:ALM324分两路输出:一路给A/D转换器
μA,s,4
μF。,则CINT为011
(4)自动稳零电容CAZ
的输入INL0(ICL7107的31脚),一路给温控比较器。信号采用浮空输入,在输出的另一端通
过U2:BLM324加入偏置电压(-2127V),使
图3 温控表电原理图
37
其0℃对应-2127V,偏置电压是用正输出可变型三端稳压器LM317L来实现的。
在本电路中,ICL7107的参考电压VREF是固定的,其值是VREF=10k/30k×218V=01933V,根据公式VFS=2VREF,则有VFS=11867V,这与采样电阻RT=10kΩ上产生的0101V/℃不一致,为此在U2:A的输出端用W1来调整输出的大小,使其放大系数
温度控制由比较器U2:CLM324,U2:DLM324,带复位(R)和置位(S)功能的双D触发器CD4013B,固态继电器、K1(工作状态开关)、K2(温度上下限设置开关)来完成。首先要设定上下限温度:K1置设置位置,2位置。调W3,K1变,2,。,K1,就可以进入温。如果此时,温度在上下限之间变化则继电器不工作,处于保持温度状态。一旦温度升高到上限温度,则比较器U2:C输出变为高电平,使触发器置位,固态继电器工(上接第26页
)
作,制冷机开动,开始降温,直到温度低于下限时,比较器U2:D输出变高,使触发器复位,固态继电器关闭,制冷机停止,进入下一个循环。五、温度校准
温度表要进行温度校准,校准采用比较法。校准的过程是这样的:将温度传感器和标准温度计放入衡温槽中,首先使衡温槽处于0℃(看标准表),调W2,使温控表读数为零;然后降温至-50℃(看标准表),调W1,使温控表读数为-50℃,再升温至+150℃,调W1进行几次,。
、,成本,在一个冷库工程中,无。具有广泛推广价值。
参 考 文 献
1 沈雷主编1CMOS集成电路原理及应用1光明日报出
版社,19861
2 苑惠娟等1智能温湿度测控仪1电测与仪表,19951
收稿日期:1998-01-03
(孔家鼎 编发)
可不考虑B、B′本身的误差。
四、结束语
我们用011级三相三线电能表现场校验仪对其进行测试,取得预期的效果(数据见表1)。
线路
测量结果%ε+0103
计算结果%
ε0
εr
εb
运行功率φ因数cos017(感)
图 2
被试,对B、B′通以同一电流。电压先加至B,(如图2所示)。再用专用导线将B接引至B′
名称35kV
ε1+1.18
东农线35kV
+0.063-1.104-1.137
若不考虑B、B′本身的误差,那么当通以额定电压、额定电流时,在各种功率因数下测出的误差ε便是。若要考虑B、B′本身误差,可将B作为0′
ε标准,B′作为被试,进行比对得出误差为B,用εB对上述测出的误差进行更正,令上述测出的ε误差为,则有′
ε=0′
ε-ε′1+εB
芝华线
+0.48+0.95+0.49-0.46-0.470.97(感)
εε 从上表中计算结果可知γ,故均b均小于为过补偿,过补偿值分别为01033%和
0100995%。由于过补偿值不大,故不必调整补偿器。这不但解决了规程中规定的检定要求,而且省去了添置新设备的资金,具有一定的推广价值。
收稿日期:1998-01-08
由于B、B′均为准确度较高的设备,故一般
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(刘家新 编发)
采用ICL7107的小型数字温控表
天津商学院计算机信息工程系 王金长
摘要 本文介绍了一种可以广泛应用的、廉价的小型数字温控表,它采用ICL710731/2位A/D转换器和集成温度传感器AD590。文中
叙述了设计思想,简介了ICL7107和AD590的外接元件参数的计算,给出了整机电原理图。关键词 A/D转换器 温度传感器 数字温控表
一、引,温度也是主要的被控参数之一。传统的测量方法是:采用各种各样的温度传感器将温度参数转换为电量,再将模拟信号转换为数字信号,再显示。如需控制被测温度,那末还要将反馈信号与设置信号进行比较、运算以控制制冷设备。由于一般温度传感器输出的信号比较小,信号必须放大。加之传感器的非线性,现场的干扰等问题,使得一般温度测量和控制系统线路复杂、体积大、造价高,而且难于实现远距离传输和控制。研制廉价的带有温控功能的大众化的温控表,将具有现实意义。
随着微电子技术的日新月异,从温度传感器、运算放大器到A/D转换器、显示技术都有了长足的进步,各种各样的(线性的、数字的)大规模集成电路和集成温度传感器的出现,使得研制高可靠的小型的数字化的廉价的温控表成为可能。现在把笔者设计的在实际冷库工程中应用的一个温控表介绍给大家。
二、设计思想和指标
11适应范围大的通用型。调查结果表明:
另外控制精度±0・5℃已能满足一般要求。根
据以上的情况,确定温控表的指标为:
①测温范围———-50℃～+150℃;②分辨率———011℃;——-;——52,以简化电路设,、稳定性。
31低成本、易安装、易调试、易校准,使用简单,方便灵活。
根据以上原则,采用AD590单片集成两端式感温电流源温度传感器和ICL710731/2位A/D转换器。
三、AD590和ICL7107简介及外接元件参数的计算
AD590是半导体结效应式温度传感器,它所流过的电流数值(微安级)等于绝对温度(开
尔文)的度数;激励电压可以从+4V到+40V;温度范围-55℃～+150℃;标准的输出:μ1A/°C线性关系。因为是电流输出,易于远距离传输,且不会因电压降或感应噪声电压影响产生误差。
AD590有两种封装TO-52(金属)和TO-92(塑料),一般使用金属封装。AD590的输出电流为:
μμA/°A+t×Ci(t)=io+t×K=273.21μ)式中:K———AD590比例因子(K=1A/℃
t———摄氏温度
在本温控表中AD590应用于电压输入系统中,如图1所示。
系统具有偏置(EOS)和增益调节装置。在量程的最低温度附近可作偏置校正,在所测的最高温度附近可调节增益。根据电压量程,RT
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在一般工业系统和日常生活中,温度的测量和控制在-50℃～+150℃范围内占80%以上;
图 1
取不同的值,在本系统中取RT=10kΩ EOS=2・73V,则VO=10mV/C°。
ICL7107是CMOS构造的自动稳零二重积分型,内含时钟振荡器(外附R、C),差分输入,,耗,LEDD组成:,工作原理如下。
转换周期分为三个阶段:自动稳零(AZ)阶段、信号积分(INT)阶段、反积分(DE)阶段,其时间分别为:
11自动稳零(AZ)阶段
图
2
这时自动稳零期的时间增长值ΔTAZ为ΔTAZ=2000×TCL-1000×TCL・VIN/VREF
(5)
综上:A/D转换的三个阶段共需4000个TCL时钟周期,因为振荡周期4分频TCL,所以
TAZ=1000×TCL+(2000×TCL
-1000×TCL×VIN/VREF)
21信号积分(INT)阶段
(1)
对输入模拟信号进行积分,时间是固定的,为
TINT=1000×TCL
31反积分(DE)阶段
(2)
整个转换时间为16000个TOSC(振荡周期)。
根据A/D转换原理知道:D的最大读数为2000,在前面已设计AD590的取样电阻RT=10kΩ,则有10mV/C°,设满量程VFS=2.000V(即2000℃),根据(4)式,就可算出参考电压VREF的值,即VREF=1/2×2V=1V。当然,也
可以固定VREF,用调整放大器的放大倍数来满足读数的要求。在本温控表中,就是固定VREF的值,调整放大器的系数实现量程调节。
ICL7107采用塑料或陶瓷封装,双列直插式,共40个引脚,引脚排列和功能如图2所示。
下面介绍ICL7107外围器件参数的计算:(1)振荡频率fOSC
(6)fOSC=0.45/RC
一般取C=100pF,由于双积分型A/D转换器第一次积分阶段的时间TINI为电网工频周
期20ms(f=50Hz)的整数倍时具有无穷大的抑制串模干扰的能力。因此输入脉冲的频率必须满足下式
这个阶段是实现对与输入信号极性相反的参考电压VREF进行积分,反相积分的最大时间为
(TDE)MAX=2000×TCL
(3)
从反积分开始到积分器输出回到模拟公共电压VCOM的时间正比于输入模拟电压的大小,其数字读数为
D=1000×VIN/VREF
(4)
在反积分期的输入时钟脉冲数最大值是2000,当等于或超过2000时溢出;当不足2000
时,只要反相积分期结束,即转入自动稳零期,
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1000×TOSC×4=20ms×N
(7)
自动稳零电容CAZ大小的选择依系统允许引入的噪声为依据。一般在A/D转换器具有较高分辨率时,要求引入小的噪声,这时就要选用较大的自动稳零电容。因此,在满度输入VFS
=2V(分辨率为1字/1mV)时,CAZ一般为μF。01047
(5)参考电容CREF
取N=5时,可求出TOSC=0・025ms,故频率fOSC=40kHz,采样速率SR为
SR=40kHz/4000×4=2.5/s
(8)
由(6)式可求得在40kHz时外接电阻R值
为11215kΩ。
(2)积分电阻RINT
外接积分电阻要选择得足够大,以保证在输入电压范围内的线性工作。积分电流取μ4A,积分电阻大小可用下式计算μA=2V/4μA=500kΩRINT=VFS/4
(3)积分电容CINT
(9)
参考电容CREF的选取以保证A/D转换器的翻转误差限制在1个字以内为度,一般选为
μF。011
四、3(10V)作
积分电容取值用下式估算
CINT=4000×IIN/fVVIS—)
,R21上产生电压,经跟随器U2:ALM324分两路输出:一路给A/D转换器
μA,s,4
μF。,则CINT为011
(4)自动稳零电容CAZ
的输入INL0(ICL7107的31脚),一路给温控比较器。信号采用浮空输入,在输出的另一端通
过U2:BLM324加入偏置电压(-2127V),使
图3 温控表电原理图
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其0℃对应-2127V,偏置电压是用正输出可变型三端稳压器LM317L来实现的。
在本电路中,ICL7107的参考电压VREF是固定的,其值是VREF=10k/30k×218V=01933V,根据公式VFS=2VREF,则有VFS=11867V,这与采样电阻RT=10kΩ上产生的0101V/℃不一致,为此在U2:A的输出端用W1来调整输出的大小,使其放大系数
温度控制由比较器U2:CLM324,U2:DLM324,带复位(R)和置位(S)功能的双D触发器CD4013B,固态继电器、K1(工作状态开关)、K2(温度上下限设置开关)来完成。首先要设定上下限温度:K1置设置位置,2位置。调W3,K1变,2,。,K1,就可以进入温。如果此时,温度在上下限之间变化则继电器不工作,处于保持温度状态。一旦温度升高到上限温度,则比较器U2:C输出变为高电平,使触发器置位,固态继电器工(上接第26页
)
作,制冷机开动,开始降温,直到温度低于下限时,比较器U2:D输出变高,使触发器复位,固态继电器关闭,制冷机停止,进入下一个循环。五、温度校准
温度表要进行温度校准,校准采用比较法。校准的过程是这样的:将温度传感器和标准温度计放入衡温槽中,首先使衡温槽处于0℃(看标准表),调W2,使温控表读数为零;然后降温至-50℃(看标准表),调W1,使温控表读数为-50℃,再升温至+150℃,调W1进行几次,。
、,成本,在一个冷库工程中,无。具有广泛推广价值。
参 考 文 献
1 沈雷主编1CMOS集成电路原理及应用1光明日报出
版社,19861
2 苑惠娟等1智能温湿度测控仪1电测与仪表,19951
收稿日期:1998-01-03
(孔家鼎 编发)
可不考虑B、B′本身的误差。
四、结束语
我们用011级三相三线电能表现场校验仪对其进行测试,取得预期的效果(数据见表1)。
线路
测量结果%ε+0103
计算结果%
ε0
εr
εb
运行功率φ因数cos017(感)
图 2
被试,对B、B′通以同一电流。电压先加至B,(如图2所示)。再用专用导线将B接引至B′
名称35kV
ε1+1.18
东农线35kV
+0.063-1.104-1.137
若不考虑B、B′本身的误差,那么当通以额定电压、额定电流时,在各种功率因数下测出的误差ε便是。若要考虑B、B′本身误差,可将B作为0′
ε标准,B′作为被试,进行比对得出误差为B,用εB对上述测出的误差进行更正,令上述测出的ε误差为,则有′
ε=0′
ε-ε′1+εB
芝华线
+0.48+0.95+0.49-0.46-0.470.97(感)
εε 从上表中计算结果可知γ,故均b均小于为过补偿,过补偿值分别为01033%和
0100995%。由于过补偿值不大,故不必调整补偿器。这不但解决了规程中规定的检定要求,而且省去了添置新设备的资金,具有一定的推广价值。
收稿日期:1998-01-08
由于B、B′均为准确度较高的设备,故一般
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(刘家新 编发)