實(shí)際電路中,，從熱電偶輸出的信號*多不過幾十毫伏（<30mV），且其中包含工頻,、靜電和磁偶合等共模干擾,，對這種電路放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗,，因此宜采用測量放大電路,。測量放大器又稱數(shù)據(jù)放大器、儀表放大器和橋路放大器,，它的輸入阻抗高,，易于與各種信號源匹配，而它的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流及輸入偏置電流小,，并且溫漂較小,。由于時(shí)間溫漂小，因而測量放大器的穩(wěn)定性好,。由三運(yùn)放組成測量放大器,，差動輸入端R₁和R₂分別接到A₁和A₂的同相端。輸入阻抗很高,，采用對稱電路結(jié)構(gòu),，而且被測信號直接加到輸入端，從而保證了較強(qiáng)的抑制共模信號的能力,。A₃實(shí)際上是一差動跟隨器,，其增益近似為1。測量放大器的放大倍數(shù)為：A_V=V₀/（V₂-V₁）,，A_V=R_f/R[1+(R_f1+R_f2)/R_W],。在此電路中，只要運(yùn)放A₁和A₂性能對稱(主要指輸入阻抗和電壓增益),，其漂移將大大減小,，具有高輸入阻抗和共模抑制比，對微小的差模電壓很敏感,，適宜于測量遠(yuǎn)距離傳輸過來的信號,，因而十分易于與微小輸出的傳感器配合使用,。R_W是用來調(diào)整放大倍數(shù)的外接電阻，在此用多圈電位器,。

實(shí)際電路中A₁,、A₂采用低漂移高精度運(yùn)放OP-07芯片，其輸入失調(diào)電壓溫漂αV_IOS和輸入失調(diào)電流溫漂αI_IOS都很小,，OP-07采用超高工藝和“齊納微調(diào)”技術(shù),，使其V_IOS、I_IOS,、αV_IOS和αI_IOS都很小,，廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定積分、精密加法,、比校檢波和微弱信號的精密放大等,。OP-07要求雙電源供電，使用溫度范圍0～70℃,，一般不需調(diào)零,，如果需要調(diào)零可采用R_W進(jìn)行調(diào)整。A₃也采用OP-07芯片,，它要求雙電源供電,，供電范圍為±(3～18)V，典型供電為±15V,，一般應(yīng)大于或等于±5V,，其內(nèi)部含有補(bǔ)償電容，不需外接補(bǔ)償電容,。

經(jīng)過測量放大器放大后的電壓信號,，其電壓范圍為0～5V，此信號為模擬信號,，計(jì)算機(jī)無法接受,，故必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。實(shí)際電路中,，選用ICL7109芯片,。ICL7109是一種高精度、低噪聲,、低漂移,、價(jià)格低廉的雙積分型12位A/D轉(zhuǎn)換器。由于目前12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)格較高,，因此在要求速度不太高的場合,，如用于稱重測壓力、測溫度等各種傳感器信號的高精度測量系統(tǒng)中時(shí),，可采用廉價(jià)的雙積分式12位A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109,。ICL7109主要有如下特性：(1)高精度(**到1/2¹²=1/4096),；(2)低噪聲(典型值為15μV_P-P)；(3)低漂移(<1μV/℃),；(4)高輸入阻抗(典型值10¹²Ω),；(5)低功耗(<20mW)；(6)轉(zhuǎn)換速度*快達(dá)30次/秒,，當(dāng)采用3.58MHz晶振作振源時(shí),，速度為7.5次/秒；(7)片內(nèi)帶有振蕩器,，外部可接晶振或RC電路以組成不同頻率的時(shí)鐘電路；(8)12位二進(jìn)制輸出,，同時(shí)還有一位極性位和一位溢出位輸出,；(9)輸出與TTL兼容，以字節(jié)方式(分高低字節(jié))三態(tài)輸出,，并且具有VART掛鉤方式,，可以用簡單的并行或串行口接到微處理系統(tǒng)；(10)可用R_VNHOLD(運(yùn)行/保持)和STATUS(狀態(tài))信號監(jiān)視和控制轉(zhuǎn)換定時(shí),；(11)所有輸入端都有抗靜電保護(hù)電路,。

ICL7109內(nèi)部有一個(gè)14位(12位數(shù)據(jù)和一位極性、一位溢出)的鎖存器和一個(gè)14位的三態(tài)輸出寄存器,，同時(shí)可以很方便地與各種微處理器直接連接,，而無需外部加額外的鎖存器。ICL7109有兩種接口方式,，一種是直接接口,，另一種是掛鉤接口。在直接接口方式中,，當(dāng)ICL7109轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),，由STATUS發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束指令到單片機(jī)，單片機(jī)對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)分高位字節(jié)和低位字節(jié)進(jìn)行讀數(shù),。在掛鉤接口方式時(shí),，ICL7109提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換模式，適用于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。ICL7109為40線雙列直插式封裝,，各引腳功能參考相關(guān)文獻(xiàn)。

此處采用直接接口方式,，7109的MODE端接地,，使7109工作于直接輸出方式。振蕩器選擇端(即OS端,，24腳)接地,，則7109的時(shí)鐘振蕩器以晶體振蕩器工作,，內(nèi)部時(shí)鐘等于58分頻后的振蕩器頻率，外接晶體為6MHz,，則時(shí)鐘頻率=6MHz/58=103kHz,。積分時(shí)間=2048×時(shí)間周期=20ms，與50Hz電源周期相同,。積分時(shí)間為電源周期的整數(shù)倍,，可抑制50Hz的串模干擾。

在模擬輸入信號較小時(shí),，如0～0.5伏時(shí),，自動調(diào)零電容可選比積分電容C_INT大一倍，以減小噪聲,，C_AZ的值越大,，噪聲越小，如果C_INT選為0.15μF,，則C_AZ=2C_INT=0.33μF,。

由傳感器傳來的微弱信號經(jīng)放大器放大后為0～5V，這時(shí)噪聲的影響不是主要的,，可把積分電容C_INT選大一些,，使C_INT=2C_AZ，選C_INT=0.33μF,，C_AZ=0.15μF,，通常C_INT和C_AZ可在0.1μF至1μF間選擇。積分電阻R_INT等于滿度電壓時(shí)對應(yīng)的電阻值(當(dāng)電流為20μA,、輸入電壓=4.096V時(shí),，R_INT=200kΩ)，此時(shí)基準(zhǔn)電壓V⁺_RI和V^-_RI之間為2V,，由電阻R₁,、R₃和電位器R₂分壓取得。

本電路中,，CE/LOAD引腳接地,，使芯片一直處于有效狀態(tài)。RUN/HOLD(運(yùn)行/保持)引腳接+5V,，使A/D轉(zhuǎn)換連續(xù)進(jìn)行,。

A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行時(shí)，STATUS引腳輸出高電平,，STATUS引腳降為低電平時(shí),，由P2.6輸出低電平信號到ICL7109的HBEN，讀高4位數(shù)據(jù)、極性和溢出位,；由P2.7輸出低電平信號到LBEN,，讀低8位數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中盡管CE/LOAD接地,，RUN/HOLD接+5V,，A/D轉(zhuǎn)換連續(xù)進(jìn)行，然而如果89C51不查詢P1.0引腳,，那么就不會給出HBEN,、LBEN信號，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果不會出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線D₀～D₇上,。不需要采集數(shù)據(jù)時(shí),，不會影響89C51的工作，因此這種方法可簡化設(shè)計(jì),，節(jié)省硬件和軟件,。

采用3位半LED數(shù)碼管顯示器，數(shù)碼管的段控用P₁口輸出,，位控由P3.0,、P3.1,、P3.2控制,。7407是6位的驅(qū)動門，它是一個(gè)集電極開路門,，當(dāng)輸入為“0”時(shí)輸出為“0”,；輸入為“1”時(shí)輸出斷開，須接上位電路,。共用兩片7407,，分別作為段控和位控的驅(qū)動。數(shù)碼管選共陽極接法,，當(dāng)位控為“1”時(shí),，該數(shù)碼管選通，動態(tài)顯示用軟件完成,，節(jié)省硬件開銷,。

硬件原理電路如圖1和2所示，圖1為熱電偶信號的采集及基本放大電路,，圖2為單片機(jī)控制的A/D轉(zhuǎn)換及顯示電路部分,。
圖1 熱電偶信號的采集及基本放大電路



圖2 單片機(jī)控制的A/D轉(zhuǎn)換及顯示電路部分原理圖

1.6 所用元器件清單
本設(shè)計(jì)所采用的主要元器件見下表1所示，型號也可用替代的,，只要性能相近就行

序號	名稱	型號規(guī)格	數(shù)量	序號	名稱	型號規(guī)格	數(shù)量
1	熱電偶傳感器	SJ-106	1	13	碳膜電阻	15kΩ	2
2	單片機(jī)	89C51	1	14		20kΩ	1
3	液晶顯示屏	EDS803	1	15		30kΩ	1
4	儀表放大芯片	OP-07	3	16		200kΩ	1
5	A/D轉(zhuǎn)換芯片	ICL7109	1	17	電位器	22kΩ	3
6	晶振	SMD6*3.5	1	18		5.1kΩ	1
7	液晶驅(qū)動芯片	7407TTL	2	19	陶瓷電容	0.33	3
8	時(shí)鐘芯片	NE555	1	20		0.1	1
9	碳膜電阻	200Ω	12	21		22	1
10		1kΩ	6	22		33pF	2
11		2kΩ	1	23	電解電容	10	2
12		10kΩ	4

 

溫度表的軟件設(shè)計(jì)這一塊將在下一篇文章里介紹公開,。