模电课程设计水温测量与控制电路设计

PAGEPAGE62013~2014学年第2学期《模拟电子技术》课程设计报告题目：温度监测及控制电路设计专业：电气工程及其自动化班级：电气工程及其自动化2班姓名：指导教师：电气工程学院201任务书课题名称温度监测及控制电路设计指导教师（职称）倪琳执行时间2013~2014学年第二学期第13周学生姓名学号承担任务仿真测试温度传感器“温度—电压转换”设计差动放大电路的设计滤波电路的设计滞回比较器电路的设计控制报警电路设计设计目的1、学习由双臂电桥和差动输入集成运放组成的桥式放大电路；2、掌握滞回比较器的性能和调试方法。设计要求1、技术指标：要求设计一个温度测量器件，其主要技术指标如下：（1）测温范围：室温～60（2）被测温度达到60℃时，指示灯亮。2、设计要求（1）设计电路；（2）要求绘出原理图；（3）拟定设计步骤；（4）撰写设计报告。3、设计扩展要求（1）能显示输出温度；目录摘要 4第一章温度监测及控制电路的设计 51.1、设计方案 51.1.1、温度监测及控制电路设计思路 51.2温度监测及控制电路流程框图 5第二章电路设计 62.1温度——电压变换 62.22.732V电压产生电路 72.3稳压调整 82.4差分放大电路 82.5比较电路—滞回比较器 92.5控制报警系统电路 102.6报警原理图 11第三章全图设计与仿真测试 113.1总电路图 113.2加减运算电路正常工作时仿真结果 123.3电平变换仿真结果 13结论 13参考文献： 14温度监测与控制电路设计摘要随着数字化时代的到来，用传统的水银或酒精温度计来测量温度,不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一,已经不能满足人们的要求，于是使用温度传感器监测外界温度变化，通过差分放大电路将温度传感器的阻值变化转换的电压信号变化放大，然后利用A/D转换实现模拟信号到数字信号的转换，根据模拟电路部分电路原理计算得出最后输出电压与温度值的关系，并通过数码管显示当前值，使其与温度数值上相等，从而实现温度的测量再者还加载了报警装置，当被测温度超出设定温度范围时，LED报警装置工作。本设计是采用了温度的测量、温度的显示和报警装置三部分实现上述目的的。关键字：温度传感器；桥式放大电路；滞回比较器；A/D转换器第一章温度监测及控制电路的设计1.1、设计方案1.1.1、温度监测及控制电路设计思路（1）择被测对象，经过温度传感器AD590将温度转换为电流，然后经过温度－电压变化，转化为电压；（2）转化的电压再经过K—℃变换电路转化为绝对℃；（3）再经过反相比例放大电路，将电压值放大；（4）利用差分放大电路，将电压进行比较，通过驱动电路进行报警，超过设定温度，发光二极管将会变亮。1.2温度监测及控制电路流程框图被测温度被测温度K—℃变换电路放大电压表比较器LED报警其中，每个框图作用如下：K—℃变换电路：将开尔文温度转变为绝对温度℃；放大电路：经过运算放大器实现电压的放大作用;电压比较器：运用差分放大电路原理将电压进行比较，得到摄氏温度与输出电压的关系。第二章电路设计2.1温度——电压变换图2-1温度电压变换电路AD590的主要特性如下：·流过器件的电流等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。·AD590的测温范围为-55℃～+150℃·AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。·精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3AD590最重要的特性是：温度每增加1℃，它会增加1μA输出电流。在图中，U的值为I乘上10K，以T℃而言，输出值为10K×（273.2+T）μA=（2.732+0.01T）V经过实验测得AD590输出电流I与摄氏温度T与输出电压U及开尔文温度K的关系如下：表2-1K/开尔文T/℃Io/μAU/V237.20273.2+02.732+0.00×0274.21273.2+12.732+0.01×1275.22273.2+22.732+0.01×2276.23273.2+32.732+0.01×3277.24273.2+42.732+0.01×4…………283.210…2.732+0.01×10由该图表分析可得AD590的输出电流值说明如下：其输出电流是以绝对温度零度（-273.2℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在T℃时，其输出电流Io=（273.2+T）2.22.732V电压产生电路利用AD590的基本应用电路（图3）可得到电压U=（2.732+0.01T）V，即AD590的温控电流值是对应热力学温度K，而在温控中需要采用摄氏温度℃，需要设计电路消去关系式中的2.732V，消去2.732V后，就得到了输出电压U与摄氏温度T的关系。需要设计一个得到恒压2.732V的电路。设计出如下电路：图2-22．3稳压调整调整变阻器的值使Uo=2.732V。但该电路存在缺点。由于一般电源供应较多器件之后，电源是带噪声的，使得Uo不稳定。因此可使用稳压管利用可变电阻分压调整，调整后电路图如下：图2-3稳压电路2.4差分放大电路图2-4差分放大电路差分放大电路（上图）的作用是消去关系式U=（2.732+0.01T）V中的2.732V，并对信号进行放大。利用差分法大电路得到输出Uo=10(Uo2-Uo1)=T/10V。这样就得到了摄氏温度与输出电压的关系。利用数字电压表就可以测量出当前的温度了。如果当前的温度为28℃LM358内部包括有两个独立的、增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的使用运算放高大器的场合。LM358引脚如下图所示。图2-5LM358引脚图2.5比较电路—滞回比较器差动放大器的输出电压U01输入由A2组成的滞回比较器。滞回比较器的单元电路如图2-6所示，设比较器输出高电平为U0H，输出低电平为UOL，参考电压UR加在反相输入端。当输出为高电平U0H时，运放同相输入端电位当ui减小到使u+H＝UR，即此后，ui稍有减小，输出就从高电平跳变为低电平。图2-6同相滞回比较器当输出为低电平U0L时，运放同相输入端电位当ui增大到使u+L=UR，即此后，ui稍有增加，输出又从低电平跳变为高电平。图2-7电压传输特性因此UTL和UTH为输出电平跳变时对应的输入电平，常称UTL为下门限电平，UTH为上门限电平，而两者的差值△称为门限宽度，它们的大小可通过调节R2/RF的比值来调节。图2-7为滞回比较器的电压传输特性。由上述分析可见差动放器输出电压u01经分压后A2组成的滞回比较器，与反相输入端的参考电压UR相比较。当同相输入端的电压信号大于反相输入端的电压时，A2输出正饱和电压，三极管T饱和导通。通过发光二极管LED的发光情况，可见负载的工作状态为加热。反之，为同相输入信号小于反相输入端电压时，A2输出负饱和电压，三极管T截止，LED熄灭，负载的工作状态为停止。调节RW4可改变参考电平，也同时调节了上下门限电平，从而达到设定温度的目的。2.5控制报警系统电路控制报警系统电路设计如下图图2-6报警控制电路将显示温度的输出电压作为此图的输入电压，与可调的额定电压比较，来输出一个控制报警系统的电压。假如设额定电压为4.3V，则当输入为5V时，它的输出为0.7V（原理与上面的差分放大电路一样，这里就不重复了），可以作为三级管的开关控制电压。2.6报警原理图图2-7报警显示图出入电压为三极管的控制电压，当电压大于0.7V时，三极管CE极为导通状态，及发光二级管的电压为VCC，这是就可知道，温度超过了60°C，此电路处于报警状态。第三章全图设计与仿真测试3.1总电路图根据前面的设计，绘制出的电路图如图（不包括温度传感器部分）：图3-1温度测量控制系统总体电路图3.2加减运算电路正常工作时仿真结果图3-2电平变换仿真结果3.3电平变换仿真结果图3-3电平变换仿真结果3.4温度仿真结果图3-4温度仿真结果图图3-5电路仿真结果结论温度测量控制系统的设计与制作要完成和实现的电路其稳定性和准确度的要求都很高，虽然用multisim仿真软件实现了其全部功能，但模拟电路与实际电路的差距还是很大的。实际电路中用到的基本的元器件相较模拟器件性能有一定的差距，同时受到外界环境的影响，电路中的连接导线对电路的精确度和稳定性也有一定的影响。根据前面的单元电路的设计的分析，可以知道，系统的整体的精确度与所使用的传感器是密切相关的，而一般的AD590的数度都比较高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。所以系统的非线性误差比较小，达到题目的误差±1℃的要求。本次温度测量与控制电路的设计主要内容如上所述，在此次设计中运用到的知识大多数为课本所学。

本次设计中有如下几个难点：

一是对整体测温方案的选择，阅读大量资料后进行比较，最后选择了线性化很强，而且测温范围广，灵敏度高的温度传感器AD590；

二是运算方法，最终选择了利用电偶的电压与温度的关系函数的反函数构成运算电路，这样等于是温度通过一次函数运算（热电偶的测温）得到电压，电压再经一次函数运算（运算电路）得到新的电压值，第一次与第二次的运算函数互为反函数。这样最终得到的电压值和温度是1:1的关系，可以说是把温度的单位由摄氏度“换成”了毫伏。

不足：系统的设计只是完整地实现了设计题目的设计要求，没有其他的扩展功能，这是本系统的一个比较大的遗憾，从实际应用方面来说，所能实现的功能还有待提高，有较大的发展空间，用途较广泛。参考文献：华成英，童诗白《模拟电子技术基础》高等教育出版社阎石《数字电子技术基础》高等教育出版社王艳春《电子技术实验与multisim仿真》合肥工业大学出版社马建国《电子系统设计》高等教育出版社周群，杨刚《电子系统设计与实践》电子工业出版社熊幸明《电工电子技能训练》电子工业出版社王秀杰，张畴先《模拟集成电路应用》西北工业大学出版社答辩记录及评分表课题名称温度监测及控制电路设计答辩教师（职称）倪琳答辩时间2013~2014学年第二学期第13周答辩记录问题一：如果放大器不进行调零，将会引起什么结果？：如果放大器不进行调零，随着电压和温度等环境的变化，会产生零点漂移。从而使运放工作不稳定,输出也不稳定。同时，输入端低于门限电压，会使电路无法进行正常工作。问题二：如何设定温度检测控制点？范：先将电路工作设置在ToC温度下，记录其在A2运算放大器的3端的电压值。然后，再通过调节Rw4使A2运算放大器2端电压值与3端相同，即使电路的温度检测控制点为ToC。问题三：如何进行温度—电压变换？黄：AD590的输出电流会随着温度的变化而变化，变化量为1uA/K,ad590与10k电阻连接，把电流转化为电压，取出电压后经过一个电压跟随器。接稳压管的那一路则是要使50k变阻器的输出电压为2.732v,与跟随器的输出在经过一个差动放大器，求得温度变化值所对应的电压变化值。问题四：该设计中差分放大电路的作用是什么？张：差分放大电路的作用是消去关系式U=（2.732+0.01T）V中的2.732V，并对信号进