音频锁相环精密温度控都制计电路设计说明7477339

黄河科技学院毕业设计说明书 第 22 页音频锁相环精密温度控制计电路1 绪 论在工业生产中温度、压力，流量是四种最常见的过程变量其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程温度控制不准确就可能引起生产安全，产品质量等一系列问题任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此实现对温度的控制是生产自动化的重要任务随着社会工业化程度的提高，温度这个和我们每个人生活息息相关的词汇在工业、农业中发挥着越来越大的作用，各种工矿企业，科研机构，都要用到温度控制例如：烟花爆竹工厂的仓库必须对温度的上限有严格的控制，炼钢厂的锅炉温度等等，都需要对温度的变化进行严密的监测和控制常见的温度控制系统，是先利用温度敏感元件，如热敏电阻，将温度的变化转换为热敏电阻本身阻抗的变化，继而引起其两端电压的变化，实现控制功能，虽其实现容易，但可靠性低，抗干扰能力差本篇力求解决这一问题，设计思路是将温度变化转换为频率变化加以控制，其具体原理是先借助温度传感器----热敏电阻和NE555集成芯片组成多谐振荡器，即可把温度的变化转变为振荡器输出信号频率的变化，随着温度的渐渐升高，信号频率也随之慢慢改变，当达到设定温度时，频率也将确定。

多谐振荡器后接由LM567音频译码芯片组成的锁相环路，在温度设定范围内，信号频率与锁相环路自身的振荡频率不一致，该电路输出为高电平，后续控制电路不动作，指示电路只显示绿灯，表明目前温度正常；但当温度达到控制点，信号频率就会与锁相环路的振荡频率相一致，该电路将输出低电平，从而启动后接控制器，接通报警电路，同时指示电路将点亮红灯给予人们提醒该电路设计简单，实现容易，可靠性好，实用价值高在下面的章节里我们将具体分体其工作原理2 温度控制系统简介在电子电路控制系统中，要实现温度的控制，首先要把温度的变化量转换为电量变化，才能加以分析处理和加以控制本篇也不例外，取用的温度敏感元件是具有灵敏度高，体积小，热惯性小的热敏电阻，它能把温度的变化反映为其本身阻值的变化，从而就能引起电量的变化由于我们要处理的电量为信号频率，那么我们就需要一个波形产生电路----多谐振荡器，它的振荡频率由其外接电阻和电容控制，其两个中任何一个元件参量的变化都将引起振荡器输出信号频率的改变，因此我们可以用热敏电阻代替振荡器的外接电阻，从而就能将温度的变化转为频率的变化要实现对温度的控制，必然要有控制条件，本篇的控制条件则是对温度下限的控制，即当温度下降到某一设定值时，电路加以动作，此时的温度是确定值，那么热敏电阻阻值也是确定的，则振荡器输出频率也就确定了，显然我们现在要做的将是在信号达到这一频率时，电路采取措施。

由此，我们就需要一个频率比较电路----译码电路，先将该译码电路的自身频率即参考频率加以设定，当控制信号频率与参考频率不同时，译码电路输出高电平；当控制信号频率与参考频率相同时，译码电路输出低电平利用输出的高低电平，将会很容易实现控制和指示，我们的设计思路也将由此展开下面是温度控制系统总体框图，如图2.1所示:图2.1 温度控制系统总体框图各部分简介如下：直流电源部分：为系统各部分提供稳定，可靠的直流电源它由变压，整流，滤波，稳压四个部分组成温度/频率转换电路：由温度敏感元件及波形产生电路组成利用正温度系数热敏电阻的特性----阻值随着温度的升高而增大，将温度的变化转变阻值的变化，阻值的变化引起频率的变化，从而把温度的改变转化为信号频率的改变译码电路：当输入信号频率与参考频率不同时，译码电路输出高电平，当信号频率与参考频率相同时，译码电路输出变为低电平控制及指示电路：在允许温度范围内，电路以绿灯显示，当超出温度控制点时，电路以红灯显示，同时接通报警电路，给予提示报警电路：产生音频信号，驱动扬声器，提醒人们温度已超出设置点3 电源部分直流电源的组成框图如图3.1所示其中包括四个组成部分。

本文电源部分具体电路如图3.2所示图3.1 直流电源的组成框图 图3.2 直流电源部分电路图3.1 电源变压器城市电网提供的一般为220V(或380V)/50HZ的正弦交流电，而本电路系统所需的是8V的直流电，因此要利用变压器将220V的市电先降至合适的交流电压，然后再将变换以后的变压器次级电压去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值3.2 桥式整流桥式整流电路的作用是利用具有单向导电性的整流元件二极管，将正负交替的正弦交流电压整流成为单向的脉动电压但是，这种单向电压往往包含着很大的脉动成分，距离理想的直流电压还差得很远桥式整流电路原理图如图3.3所示图3.3 桥式整流原理图由图可知，在u2正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止；u2负半周时，D2、D4导通，D1、D3截止每两只二极管串联导通正弦电压的半个周期，而负载电阻在一个周期内均有电流通过，故两只二极管中流过的电流平均值为负载电流的一半，且流过负载电阻RL的电流方向是一致的，因而使输出电压的直流成分得到提高，脉动成分得到降低桥式整流电路的波形如图3.4所示:图3.4 桥式整流电路的波形图桥式整流电路的主要参数如表3.1所示：表3.1 桥式整流电路的主要参数（忽略变压器内阻和整流管压降）主要参数电路形式UO(AV)/ U2SID(AV)/ IO(AV)URM/ U2桥式整流0.9067％50％1.41其中UO(AV)为输出直流电压平均值，S为脉动系数(整流输出电压的基波峰值与平均值之比)，ID(AV)为二极管正向平均电流，URM为二极管最大反向峰值电压。

3.3 滤波电路滤波电路由电容、电感等储能元件组成它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的交流成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压，显然，这里需要利用截止频率低于整流输出电压基波频率的低通滤波电路这时我们虽然得到了较平滑的直流电，但电压值还易受电网电压波动和负载变化的影响，这样的直流电源是不稳定的如图2.2电容C1的作用是滤去电路中的低频成分，C2、C3的作用是用来防止自激振荡，减小高频噪声，改善负载的瞬态响应3.4 稳压器稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定本篇选用固定正输出8V的三端集成稳压器W7808，它具有体积小、可靠性高以及温度特性好等优点，而且使用灵活、价格低廉，只有三个引出端子，分别接输入端、输出端和公共端，基本上不需外接元件，而且内部有限流保护、过热保护和过压保护电路，使用更加方便、安全它的封装为塑料直插式，如图3.5所示 图3.5 三端集成稳压器的外形、引脚功能及电路符号W7808是一个三端集成稳压器，它的内部结构如下图3.6所示图3.6 三端集成稳压压器的内部结构图由图可见，电路内部实际上包括了串联型直流稳压电路的各个组成部分，另外加上保护电路和启动电路。

现对各部分的作用扼要介绍一下：调整管在电网电压或负载电流波动时，调整自身的集-射压降使输出电压基本保持不变；放大电路将基准电压与从输出端得到的采样电压进行比较，然后再放大并送到调整管的基极，放大倍数越大，稳定性越好；基准电压的稳定性将直接影响稳压电路输出电压的稳定性；采样电路由两个分压电阻组成，它将输出电压变化量的一部分送到放大电路的输入端；启动电路的作用是在刚接通直流输入电压时，使调整管、放大电路和基准电源等建立起各自的工作电流，而当稳压电路正常工作时启动电路被断开，以免影响稳压电路的性能；保护电路将三种保护电路集成在芯片内部，它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路W7808的主要性能参数如表3.2所示表3.2 W7808的主要参数表 参数名称输入电压输出电压电 压调整率电流调整率（5mA≤IO≤1.5A）最小压差输出噪声输出电阻峰值电流符号UIUOSUSIUI-UOUNR0IOM单位VV%/VmVVμVmΩA参数值1480.0145210182.24温度/频率转换部分4.1 555集成芯片简介555定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路，在工业控制、定时、仿声、电子乐器用防盗报警等方面应用很广。

它主要由三个5KΩ电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器、一个基本RS触发器，一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成，其结构框图如图4.1所示图4.1 555集成定时器电路结构图1、分压器三个阻值均为5kΩ的电阻串联起来构成分压器（555也因此而得名），为比较器C1和C2提供参考电压，C1之同相输入端“+”：=2VCC/3、C2之反相输入端“-”：=VCC/3如果在电压控制端CO(5脚)另加控制电压，则可改变C1、C2的参考电压工作中不使用CO端时，一般都通过一个0.01μF的电容接地，以旁路高频干扰2、比较器C1、C2是两个电压比较器比较器有两个输入端，分别标有“＋”号和“-”号，如果用U+和U-表示相应输入端上所加的电压，则当U+>U-时其输出为高电平，U+

输出缓冲器就是接在输出端的反相器，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响它的功能如表4.1所示表4.1 555集成定时器功能表引脚2（）6（TH）4（）3（）7（D）电平<<1高电平关断电平>>1低电平接通电平><1保持原电平原状态电平**0低电平接通4.2 热敏电阻热敏电阻：热敏电阻的基本电气特性是它们随其温度变化而改变自身电阻它们不整定，也不产生信号，热敏电阻温度会随周围温度或电流通过热敏电阻而导致的自热而改变阻值随温度升高而变大的为正温度系数热敏电阻，简称PTC；阻值随温度升高而变小的称为负温度系数热敏电阻，简称NTC 热敏电阻主要参数的定义为： 1、标称阻值：指在环境温度为25时电阻的阻值，单位为Ω2、耗散常数：温度每升高或降低1℃所耗散的功率，单位是W/℃ 3、温度系数：温度变化1℃度时电阻的相对变化量，单位是％℃-14、时间常数：热敏电阻在无功耗状态下，环境温度从一个温度向另一个温度突然转变时电阻体温度变化了这两个特定温度之差的63.2%所用时间，单位为S 本电路采用正温度系数的热敏电阻，它的型号为MZ11A-10K-5%，它的主要参数如表4.2所示:表4.2 热敏电阻的主要参数表参数名称标称电阻温度系数耗散常数时间常数测定功率额定功率环境温度允许偏差单位Ω10-2/℃mw/℃smwW℃％参数值10k2～810500.10.5-55～+100±5其阻值可用公式3.1计算: R(t)=R0[1+α(T-T0)] 3.1（其中为R0标称电阻值，α为温度系数，T0为常温27℃）取α≈0.05/℃，当下限温度T取-4℃时，Rtmax=10000×[1+0.05(-4-27)]≈145kΩ4.3 多谐振荡器图4.2所示是用555定时器构成的多谐振荡器。

RP1、R1、Rt、C4是外接定时元件，定时器TH、TR端连接起来接uC，晶体三极管集电极接到RT、R1的连接点其工作原理为：起始状态：接通电源前电容C4上无电荷，所以接通电源瞬间，C4来不及充电，uc=0，故比较器C1输出为1、C2输出为0，基本RS触发器Q=1、= 0，TD截止，VO输出为高电平图4.2 由555构成的多谐振荡器原理图暂稳态Ⅰ：Q=1、=0、uO=UOH、TD 截止，是电路的一种暂稳状态，因为在这种状态下，有一个电容C4充电、uC缓慢升高的渐变过程在进行着，充电回路是VCC→RP1→ R1→Rt→C4→地，时间常数是τ1=（RP1+ R1+ Rt）·C4自动翻转Ⅰ：当电容C4充电，uC上升到2VCC/3时，比较器C1输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到0状态，Q=0、=1，uO=UOL、TD 饱和导通，VO输出为低电平暂稳态Ⅱ：Q=0、=1，uO=UOL、TD 饱和导通，是电路的另一种暂稳状态，因为在这种状态下，同样有一个电容C4放电、uC缓慢下降和渐变过程在进行着，放电因路是C4→Rt →TD→地，时间常数是τ1= Rt·C4（忽略TD饱和导通电阻RCES）自动翻转Ⅱ：当电容C4放电，下降到VCC/3时，比较器C2输出变为0，基本RS触发器立即翻转到1状态，Q=1、=0、uO=UOH、TD 截止，即暂稳态Ⅰ。

在暂稳态Ⅰ，电容C4又充电、uC再上升……，不难理解，接通电源之后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转——振荡，于是在输出端就产生了矩形脉冲4.4 温度与频率间的关系由工作原理分析知道，电路稳定工作之后，电容C4充电和放电的过渡过程总是周而复始重复进行的电容C4充电时间，即暂稳态维持时间tW1的估算：电容充电时，时间常数τ1= （RP1+R1+ Rt）·C4，起始值uC(0+) = VCC/3，终了值uC(∞) = VCC，转换值uC(tW1) = 2VCC/3，代入RC过渡过程计算公式进行计算：tW1=τ1ln=τ1ln=τ1ln2 = 0.7（RP1+R1+ Rt）·C4 3.2电容C4放电时间即暂稳态维持时间tW2的估算：电容放电时，时间常数τ2 = Rt·C4，起始值uC(0+) = 2VCC/3，终了值uC(∞) = 0，转换值uC(tW2) = VCC/3，代入RC过渡过程公式进行计算：tW2 =τ2ln=τ2ln=τ2ln2=0.7Rt·C4 3.3电路振荡周期及频率的计算：振荡周期TT = tW1+ tW2 = 0.7（Rp1+ R1+ Rt）·C4 + 0.7 Rt·C4 =0.7(Rp1+R1+2 Rt)·C4 3.4振荡频率f：f = = ≈ 3.5由式(3--5)，热敏电阻在温度达到下限设置点时，即设T=-4℃时，振荡器谐振频率的上下限值分别为：Rt＝145KΩ，RP1=0，fmax＝＝122HZRt＝145KΩ，RP1=10 KΩ，fmin＝＝118 HZ5 音频译码电路分析5.1 锁相环简介集成锁相环音频译码器LM567是美国国家半导体公司生产的56系列集成锁相环路中的一种，它设计精巧，电路简洁，良好的噪声抑制能力和中心频率稳定性，在各种译码电路中得到了广泛的应用。

下面我们先将锁相环作一简单介绍锁相环（Phase Lock Loop）是一个闭环的相位负反馈控制系统，它由相位检波器（Phase Detector，亦称鉴相器），低通滤波器（Low Pass Filter，又称环路滤波器）和压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，简称VCO）三个基本部件组成如图5.1所示图5.1 锁相环路的组成相位检波器是一个误差检测元件，它比较输入电压相位与VCO输出电压相位，并输出一个误差电压，它的大小取决于两个输入电压的相位差；然后，这个误差电压通过低通滤波器滤除高频分量，输出控制电压去控制VCO输出电压的频率，从而减小输入电压和输出电压之间的相位差当环路处于稳态时，输出和输入之间存在一定量相位误差而对输入信号频率和输出信号频率而言，二者却是相等的，这时环路处于锁定状态这是锁相环路的一个特点，用这个方法可以得到十分精确的频率控制电路的捕获带宽定义为环路能通过捕获过程而进入锁定状态所允许的最大固有频差5.2 LM567简介 锁相环音频译码器LM567采用8脚双列直插式封装，它的内部结构和管脚功能如图5.2所示图5.2 LM567引脚定义及内部结构图它的内部电路结构由正交相位探测器、锁相环、放大器等组成。

LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率可达500KHZ，静态工作电流仅8mA第3脚是信号输入端，要求输入信号大于25mV第8脚是逻辑输出端，从图中可以看出，它是一个集电极开路的晶体管输出，允许最大灌电流为100mA第5、6脚外接的电阻、电容决定了IC内部的压控振荡器中心频率，fT≈1.1/RC第1、2脚通常是分别对地接电容，形成输出滤波网络和环路低通滤波网络，其中第2脚所接电容决定了锁相环路的捕捉带宽，电容数值越大，环路带宽越窄当音频译码器LM567工作时，其锁相环内部电流控制振荡器产生一定频率的振荡信号，此信号连同引脚3输入的信号频率一起送入正交相位探测器进行比较，若连续输入的信号频率落在给定的通频带时，锁相环即将这个信号锁定，同时LM567的内部晶体管受控导通，引脚8输出端输出低电平LM567的引脚5输出内部振荡器的矩形信号，引脚6输出锯齿波脉冲，二者的频率都与内部振荡器的中心频率相同LM567的特性参数：外接电阻和电容实现20：1的频率调整范围；逻辑兼容性：输出端具有接受100mA灌电流的能力；可调带宽：10%～14%；抑制噪声的能力强；抗干扰能力强；振荡频率（中心频率fT）稳定性好；中心频率可调整从0.01HZ～500kHZ。

5.3 译码电路的工作原理图5.3所示其5、6脚外接的电阻RP2和电容C7决定了内部压控振荡器的中心频率fT，fT≈1.1/( RP2×C7)2脚所接电容C8决定锁相环路的捕捉带宽，C8的确定方法是：C8= ()1脚所接电容C9的容量应至少是2脚电容的2倍当LM567的3脚输入信号幅度≥25mV、频率在捕捉带宽范围内时，8脚由高电平变成低电平我们可利用了LM567接收到相同频率的载波信号后8脚输出低电平这一特性，来形成对控制对象的控制图5.3 音调译码锁相环电路原理图电路在工作时，要先将LM567的中心频率fT调到与温度达到控制点（本文设为-4℃）时多谐振荡器的振荡频率f0相同，即使fT=f0当热敏电阻感测温度在控制点范围内，LM567的3脚输入信号频率不在捕捉带宽范围内，8脚内部三极管截止，此时为集电极开路输出；当热敏电阻感测温度达到控制点，LM567的3脚输入信号频率便进入了捕捉范围内，这时8脚内部三集管导通，输出变为低电平即：当T > -4℃时，f0≠fT，V8=“1”（代表悬空输出）；当T = -4℃时，f0＝fT，V8=“0”在进行电路调试时，先使温度达到控制点，测出多谐振荡器输出信号频率f0，调节RP2使LM567的5脚信号频率fT=f0，这时8脚应为低电平，在温度为其它值时，8脚应为高电平，证明电路可以正常工作。

6 控制指示及报警电路 控制及指示电路原理如图6.1所示 图6.1 LM567的外部控制原理图由图6.1可知：当温度在控制范围内，3脚输入信号的频率f0≠fT，这时8脚内接晶体管截止，相当于8脚内部断路，所以继电器K不动作，常闭触点所接的绿色发光二极管导通，说明温度在正常范围内当温度下降到控制点时，3脚输入信号的频率f0＝fT，这时8脚内接晶体管导通，继电器K开始动作，常闭触点断开，常开触点闭合，绿色发光二极光截止，红色发光二极管导通，同时常开触点接通后面的报警电路，以提示人们温度超出控制范围由于继电器为感性元件，在断电的瞬间会产生很大的感应电压，可能会损坏电路中的其它元件，为此需要在其线圈两端并接一个二极管加以保护，D1叫做续流二极管，在继电器断电瞬间，线圈两端产生的感应电压，与原先所加电源电压方向相反，它使二极管导通，从而消除了对外电路的影响，起到了抑制瞬时高压的作用 前章电路，报警电路原理图如图6.2示 图6.2 电路原理图报警电路也是一个多谐振荡器，它产生的信号频率在音频范围内如图6.2示，在温度上升到控制点时，继电器K将动作，常开触点闭合，接通本报警电路电源，该电路开始工作，NE555的3脚将输出音频矩形波信号，驱动扬声器发音。

整RP3可以调整音频信号的频率，以达到自己满意的音调效果，音频信号频率范围为20HZ—20KHZ图中将NE555的4脚复位端接至温度/频率转换电路的输出端，为的也是能够改变信号频率，这样在设置不同的温度控制点时，喇叭发出的音调效果将会各不相同总 结在整个电路中所选用的元器件价格低廉，设计简单，成本较低，有利于推广，并且电路中部分元器件可自行更换，从而可适用于更多的领域如热敏电阻换为气敏电阻，可对高温蒸汽或有害气体进行监控，换为光敏电阻可对光强度进行监控电路中采用的NE555集成电路可更换为其它555电路如HA17555等，各电路的引脚基本相同另外，由于我们所用LM567译码芯片有着较宽的频率范围，因而对于热敏电阻的选择就更为灵活，只要保证其灵敏度、可靠性等一些重要参数满足我们的要求，多谐振荡器产生的信号频率在LM567锁相环捕获带宽范围内，就可以进行替换，但需要注意的是，若替换的热敏电阻阻值偏小，多谐振荡器频率将会变高，假若该频率接近或超过报警器的频率时，报警器所用555的复位端的信号所起作用将会变的微弱，音调变化将不会很明显，且声音也会变得刺耳，但其并不会影响温度控制器的正常使用这些工作不难从本文的原理中获得，其具体电路有待于进一步研究。

致 谢本次关于音频锁相环精密温度控制计电路的毕业设计在其他老师的精心指导下才得以顺利完成，通过这次毕业设计使我把大学几年来所学的理论知识转化为实际应用，提高了自己的思考能力，动手能力，增强了团队协作意识，激发了创新意识由于我们的知识水平有限，书中一定会有不当与错误之处，希望各位给予指正赐教参考文献[1]杨素行.模拟电子技术基础简明教程(第三版).北京：高等教育出版，2006.05：26-28[2]余孟尝. 数字电子技术基础简明教程(第三版).北京：高等教育出版社，2006.07：56-61 [3]赵慧等. Protel99SE原理图与PCB及仿真.北京：机械工业出版社，2008.6：78-92[4]张鑫等.单片机原理及应用.北京：电子工业出版社，2005.08：55-57 [5]吴显鼎.集成电子电子线路设计手冊.福州：福建科技出版社，2003.05：99-104[6]万心平等.锁相技术.西安：电子科技大学出版社，2009.1：101-108[7]扬素行.模拟电子技术简明教材(第二版).北京高等教育出版社，1998.10：120-131 [8]谈世哲等.电路设计与制版Protel98 .北京：人民邮电出版社，1998.11：77-84 [9]江晓安.模拟电子技术(第二版). 西安：西安电子科技大学，2002.01：21-42 [10]孙建民.传感器技术 北京：清华大学出版社，2005.10：160-172 [11] Paul Horowitz， Winfield Hill. The Art of Electronics. England: Cambridge University Press， 1989. 9：181-185[12] K.J.Astrom. Where is the intelligence in intelligent control [J]. IEEE Control. May1991：34-38。