传感器与检测技术课设
要自制高性能的放大器对器件要求相当高。随着微电子技术的发展，市场上出现了专用的高性能的仪用放大器，它的内部核心结构还是三运放，但是，采用微电子来解决刚才的参数匹配问题已不是什么复杂的问题。
+A1-R1R2R3R4+A3-VOUTVINR5+A2-R6R7
图表 4
图2-3 三运放结构的高性能放大器原理图
随着近年来微电子技术的发展，市面上出现了不少专用的高性能的芯片，AD620、AD623就是具有上述描述的三运放结构，在本设计中我们根据手中的元器件材料最终选择了AD620作为放大器电路的首级放大。
AD620是低价格、低功耗仪用放大器，它只需要一只外部电阻就可设置1～1000倍的放大增益，它具有较低的输入偏置电流、较快的建立时间和较高的精度，特别适合于精确的数据采集系统，如称重和传感器接口，也非常适合医疗仪器的应用系统（如ECG检测和血压监视）、多路转换器及干电池供电的前置放大器使用。
AD620的内部结构是由OP-07组成的三运放结构，性能大大优于自制的三运放IC电路设计，其基本接法是在1脚与8脚之间外接一RG电阻，增益由式G=1+49.4KΩ/RG确定，由于它的外围电路十分简单，所以它在本系统中的应用见下图2-4所示。
由于我们的温度测量范围是0～100℃，而此时的温度传感器的电阻值根据分度表为100欧姆～138.51欧姆，由于我们设计的恒流源为5/3毫安，因此AD620的输入端为166.7毫伏，假设考虑我们的TLC2543的最大输入为5.000V，我们设计的放大器的增益在尽量保证分辨率的条件下，则为20倍，假设我们只用一个AD620，则AD620的输出为2V～5V(TLC只能转换5V)，这样12位的A/D转换器的分辨率则大于题目的要求0.1℃，因此，我们必须将100欧姆以下的值通过偏置的方法将其减掉，然后通过增加放大倍数来尽量提高分辨率，这里我们设计的偏置电路同样见下图2-4所示。这里设计的首级放大器的倍数是20倍，而后级放大则为4倍，合计的放大倍数为80倍，这样就完全满足设计分辨率的要求。
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温度测量控制系统
2k+12VVR12kR886增益调整R7+12V40kU27U322357R910kR1010kVR24k86在我们所测控的信号中均是连续变化的物理量，通常需要用计算机对这些信号进行处理，则需要将其转换成数字量，A/D转换器就是为了将连续变化的模拟量转换成计算机能接受的数字量。根据A/D转换器的工作原理，常用的A/D转换器可分为两种，双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器。
1. 双积分A/D转换器工作原理
双积分A/D转换器采用间接测量的方法，它将被测电压转换成时间常数T，双积分A/D转换器由电子开关，积分器，比较器，计数器和控制逻辑等部分组成。
所谓双积分就是进行一次A/D转换需要两次积分。电路先对被测的输入电压Vx进行固定时间(T0)的正向积分，然后控制逻辑将积分器的输入端通过电子开关接参考电压Vr，由于参考电压与输入电压反向且参考电压值是恒定的，所以反向积分的斜率是固定的，从反向积分开始到结束，对参考电压进行反向积分的时间T,正比于输入电压。输入电压越大反向积分时间越长，用高频标准脉冲计数测此时间，即可得到相应于输入电压的数字量。特点：可以有效的消除干扰和电源噪声，转换精度高，但是转换速度慢。
2. 逐次逼近型A/D转换器工作原理
逐次逼近型A/D转换器由D/A转换环节，比较环节和控制逻辑等几部分组成。 其转换原理为：A/D转换器将一待转换的模拟输入电压Ui与一个预先设定的电压Ui（预定的电压由逐次逼近型A/D转换器中的D/A输出获得）电压相比较，根据预设的电压Ui是大于还是小于待转换成的模拟输入电压Uin来决定当前转换的数字量是“0” 还是“1”，据此逐位比较，以便使转换结果（相应的数字量）逐渐与模拟输入电压相对应的数字量接近。
在本设计系统中，为了将模拟量温度转换成数字量，采用德州仪器公司生产
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传感器信号的输入23A041-12VVCC3放大器1放大器2及偏置电路4-12VAD62015op-07 图表 5
图2-4 放大电路
第五节 A/D转换器的选择与设计电路
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的12位开关电容型逐次逼近模数转换器TLC2543，它具有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接，是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。
TLC2543与外围电路的连线简单，三个控制输入端为CS(片选)、输入/输出时钟(I/O CLOCK)以及串行数据输入端(DATA INPUT)。片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试电压中的一个，采样－保持是自动的，转换结束，EOC输出变高。
3、TLC2543的主要特性 (1) 11个模拟输入通道； (2) 66ksps的采样速率；
(3) 最大转换时间为10μs； (4) SPI串行接口；
(5) 线性度误差最大为±1LSB； (6) 低供电电流(1mA典型值)； (7) 掉电模式电流为4μA。 TLC2543的引脚排列如图2-5所示。
12345678910A0VCCA1EOCA2CLOKA3DIA4DOA5/CSA6R+A7R-A8A10GNDA9TLC254320191817161514131211
图2-5 TLC2543的引脚
AIN0～AIN10：模拟输入端，由内部多路器选择。对4.1MHz的I/O CLOCK，驱动源阻抗必须小于或等于50Ω。
CS：片选端，CS由高到低变化将复位内部计数器，并控制和使能DATA OUT、DATA INPUT和I/O CLOCK。CS由低到高的变化将在一个设置时间内禁止DATA INPUT和I/O CLOCK。
DATA INPUT：串行数据输入端，串行数据以MSB为前导并在I/O CLOCK的前4个上升沿移入4位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压，之后I/O CLOCK将余下的几位依次输入。
DATA OUT：A/D转换结果三态输出端，在CS为高时，该引脚处于高阻状态；当CS为低时，该引脚由前一次转换结果的MSB值置成相应的逻辑电平。
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温度测量控制系统
EOC：转换结束端。在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC由高电平变为低电平并保持到转换完成及数据准备传输。 VCC、GND：电源正端、地。
REF＋、REF－：正、负基准电压端。通常REF＋接VCC，REF－接GND。最大输入电压范围取决于两端电压差。 I/O CLOCK：时钟输入/输出端。
TLC2543每次转换和数据传送使用16个时钟周期，且在每次传送周期之间插入CS的时序。根据TLC2543时序图可以看出，在TLC2543的CS变低时开始转换和传送过程，I/O CLOCK的前8个上升沿将8个输入数据位键入输入数据寄存器，同时它将前一次转换的数据的其余11位移出DATA OUT端，在I/O CLOCK下降沿时数据变化。当CS为高时， I/O CLOCK和DATA INPUT被禁止，DATA OUT为高阻态。
TLC2543与单片机的连接如图2-6所示。
A0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A0 VCC A1 EOC A2 CLOK A3 DI A4 DO A5 /CS A6 R+ A7 R- A8 A10 GND A9 TLC2543 20 19 18 CLOK 17 D1 16 D0 15 /CS 5V 14 13 12 11 VCC
图2-6 TLC2543电路 第六节 DS1302时钟电路设计
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。本设计中采用DS1302时钟芯片产生时钟信号，通过单片机进行处理控制，并显示出实时的时间，可以用于对温度进行实时的数据采集。
1. 引脚功能及结构
DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中
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的较供当大于
1 RAM A4 /CK A3 A2 A1 A0 RD /WR 大者电。Vcc2Vcc1
＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK始终是输入端。 2. DS1302的控制字节
DS1302 的控制字如图2.8所示。控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为逻辑0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据;位5至位1指示操作单元的地址输入或输出。最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操
作，控制字节总是从最低位开始输出。
3. 数据输入输出(I/O)
在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的
下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。
4. DS1302的寄存器
DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见图2.8所示。
图2.8DS1302的控制字节
此外，DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电
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