课程授课教案
一、实验目的和要求
1.掌握集成运算放大器的工作原理及其应用。

2.掌握温度传感器工作原理及其应用电路。

3. 了解双积分式A/D转换器的工作原理。

4. 熟悉213位A/D转换器MC14433的性能及其引脚功能。

5. 熟悉模拟信号采集和输出数据显示的综合设计与调试方法。

6. 进一步练习较复杂电路系统的综合布线和读图能力。

设计要求如下：
1. 设计一个数字式温度计，即用数字显示被测温度。

数字式温度计具体要求为：
①测量范围为0～100℃
②用4位LED数码管显示。

二、主要仪器和设备
1.数字示波器
2.数字万用表
3.电路元器件：
温度传感器 LM35 1片
集成运算放大器LM741 1片
集成稳压器 MC1403 1片
A/D转换器 MC14433 1片
七路达林顿晶体管列阵 MC1413 1片
BCD七段译码／驱动器 CC4511 1片
电阻、电容、电位器若干
三、实验内容、原理及步骤
1.总体方案设计
图1为数字温度计的原理框图。

其工作原理是将被测的温度信号通过传感器转换成随温度变化的电压信号，此电压信号经过放大电路后，通过模数转换器把模拟量转变成数字量，最后将数字量送显示电路，用4位LED数码管显示。

图1 数字温度计原理框图
2. 温度传感器及其应用电路
温度传感器LM35将温度变化转换为电信号，温度每升高一度，大约输出电压升高10mV。

在25摄氏度时，输出约250mV。

图2（a）、(b)图为LM35测温电路。

（a）基本的测温电路(+2°C to +150°C) （b）全量程的测温电路（−55°C to +150°C）
图2（a）、(b)图为LM35测温电路
LM35系列封装及引脚参见下图 3。

图 3 LM35系列封装及引脚图
3.放大电路
放大器使用LM 741普通运放,作为实验用数字温度计，可以满足要求；如果作为长期使用的定型产品，可以选用性能更好、温度漂移更小的OP07等型号的产品，引脚与LM741兼容,可以直接替换使用。

此放大器的目的是通过提供合适的放大倍数及使用一定的参考电压，将线性输出变化的温度信号电压对应的LED数字变化与实际温度变化基本一致。

它实际上是一个增益和偏置可调的线性放大电路，调整可变电阻器R,可以改变增益，使温度显示变化和实际变化取得一致。

输入端所接的调零电阻，是调节偏置的，用来使显示温度数字和实际温度一致。

（参考227页）
4. A/D转换器
A/D转换器，采用MOTOROLA公司的产品MC14433。

A/D转换器MC14433的内部结构及其引脚图如下图4所示。

该芯片为本系统的核心电路，将模拟电压信号转换为数字信号，并分别输出数据信号和选通脉冲等。

该芯片具有外围电路简单，不需要使用昂贵的石英晶体振荡器提供时钟信号，片内可以自己产生显示所需的选通脉冲和刷新信号等特色，仅需少量外围电路配合，就能实现LED的数字显示功能。

图4 MC14433的内部结构及其引脚图
5.显示电路
为了节省资源，使用LED的动态显示方式。

被测直流电压VX经A / D转换后以动态扫描形式输出，数字量输出端Q0 Q1 Q2 Q3 上的数字信号(8421码)按照时间先后顺序输出。

位选信号DS1, DS2，DS3，DS4通过位选开关MC1413分别控制着千位、百位、十位和个位上的四只LED数码管的公共阴极。

数字信号经七段译码器CC4511译码后，驱动四只LED数码管的各段阳极。

这样就把A / D转换器按时间顺序输出的数据以扫描形式在四只数码管上依次显示出来，由于选通重复频率较高，工作时从高位到低位以每位每次约300μS的速率循环显示。

即一个4位数的显示周期是1.2ms，所以人的肉眼就能清晰地看到四位数码管同时显示三位半十进制数字量。

位选信号DS1的真值表如下表1所示。

最高位（千位）显示时只有b、c二根线与LED数码管的b、c脚相接，所以千位只显示1或不显示，用千位的g笔段来显示模拟量的负值（正值不显示），即由MC14433的Q2 端来控制g段。

MC1413是显示驱动专用电路，内部为达林顿晶体管阵列，在步进电机驱动、发光LED显示等场合使用广泛，可以替代多组分离的三极管，线路简单，可靠性好。

其引脚和内部电路如图5所示。

译码器4511把MC14433输出的8421BCD码信号，转化为七段显示码，供LED显示，引脚排列如下图6所示。

其真值表如下表2所示。

表1 位选信号DS1的真值表
图5 MC1413引脚和内部电路
图6 译码器4511引脚排列
表2译码器4511真值表
6.基准电压
MC1403基准电压芯片的引脚排列如下图7所示。

图7 MC1403的引脚排列
7.内容及步骤
（1）根据设计任务，本系统由四部分组成。

按照要求设计各部分电路，确定元器件型号和参数。

（2 ）按照参考电路图（附录在后）设计制作电路，检查无误后通电，V DD=+5V，Vee=-5V，Vss=接地。

(3 )逐级安装，逐级调试。

a 用手指捏住温度传感器，观察线性输出变化的温度信号电压（即放大电路输出电压），适当调节电位器R4，使输出与真实变化大体相似。

b 测量零电压。

输入电压VI与V AG短接，仪表读数应为“0000”。

c 用示波器观测MC14433第11脚的时钟脉冲频率CLK0的波形应有时钟脉冲输出，观测第6脚C1的输出，应为具有最大摆幅且不失真的锯齿波形，否则应调整积分电阻R1的值。

(4) 改变温度，检查控制是否符合要求，LED显示是否正确。

限于实验室条件，本实验不进行仔细的标定和校准工作。

四、实验数据记录和分析
五、实验预习要求
1．预习实验，了解常用的音频集成电路的结构、类型、性能参数，并选择实验方案。

2．了解NE5532集成运算放大器的电气参数。

3．应写好设计步骤（参数计算）和实验步骤。

六、实验报告要求
1 原理电路的设计，内容包括：设计方案论证；每一级主要参数的计算过程及器件的选择。

2 整理各项实验数据，画出CC4511译码器1、2、6、7各引脚处的波形，以及LED显示驱动器MC1413的1、2、3、4引脚的波形，体验分时驱动显示的概念。

3 观察LED显示结果，是否满足设计要求。

4 对实验数据和电路工作情况进行分析，得出结论。

5 说明在整个调试过程中所遇到的问题以及解决的方法。

回答思考题。

6 论述收获体会。

作业、讨论题、思考题：
1.本设计还有哪些不完善的地方？如何改进？
2.设计报警点路：当温度低于10或者高于40时，用发光二极管示警。

参考资料（含参考书、文献等）
普利斯曼 (Abraham I.pressman)、比得斯 (Keith Billings)、莫瑞 (Taylor Morey)、王志强.开关电源设计(第3版).北京：电子工业出版社，2010.
教学反思：
条形显示的温度计的设计？
附录：设计参考电路原理图1
有兴趣可以自行设计条形显示的温度计。

附录图2。