课程设计二 温度监测及控制电路
一、课程设计的目的
学习运用双臂电桥、差动集成运放、滞回比较器设计温度监测及控制电路的方法，学会电子电路的组装、调试和测量方法。
二、设计任务及要求
1、检测电路采用热敏电阻Rt（NTC）作为测温元件。 2、用100Ω/2W的电阻元件作为加热装置。 3、设计温度检测电路和温度控制电路。 4、具有自动指示“加热”与“停止”功能。 5、安装调试测量实验结果。
6、写出完整的设计及实验调试总结报告。
三、提供的主要元器件
热敏电阻（NTC），运算放大器μA741×2，晶体三极管3DG12，稳压管2CN231， 发光二极管LED，继电器、电阻器等
四、原理描述
1、 参考电路如图4.2.1所示，它是由负温度系数电阻特性的热敏电阻（NTC元件）Rt
为一臂组成测温电桥， 其输出经测量放大器放大后由滞回比较器输出“加热”与“停止”信号，经三极管放大后控制加热器“加热”与“停止”。改变滞回比较器的比较电压UR即改变控温的范围，而控温的精度则由滞回比较器的滞回宽度确定。
图4.2.1 温度监测及控制实验电路
(1)、测温电桥
由R1、R2、R3、RW1及Rt组成测温电桥，其中Rt是温度传感器。其呈现出的阻值与温度成线性变化关系且具有负温度系数，而温度系数又与流过它的工作电流有关。为了稳定Rt的工作电流，达到稳定其温度系数的目的，设置了稳压管D2。RW1可决定测温电桥的平衡。
(2)、差动放大电路
由A1及外围电路组成的差动放大电路，将测温电桥输出电压△U按比例放大。其输出电压
U01??(R7?RW2R4)UA?(R4?R7?RW2R4)(R6R5?R6)UB
当R4＝R5，（R7+RW2）=R6时
U01?R7?RW2R4(UB?UA)
RW3用于差动放大器调零。
可见差动放大电路的输出电压U01仅取决于二个输入电压之差和外部电阻的比值。 (3)、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4.2.2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
u?H?RFR2?RFui?R2R2?RFU0H
当ui减小到使u+H＝UR，即 ui?uTL?R2?RFRFUR?R2RFUOH
此后，ui稍有减小，输出就从高电
平跳变为低电平。 图4.2.2 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
u?L?RFR2?RFui?R2R2?RFUOL
当ui增大到使u+L=UR，即 ui?UTH?R2?RFRFUR?R2RFUOL
此后，ui稍有增加，输出又从低电平
跳变为高电平。 图4.2.3 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
△UT＝U－UTR＝TLR2RF(UOH?UOL)
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4.2.3为滞回比较器的电压传输特性。
由上述分析可见差动放大器输出电压u01经分压后，在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。
五、安装调试内容与步骤
按图4.2.1，连接电路，各级之间暂不连通，形成各级单元电路，以便各单元分别进行调试。
1、 差动放大器
差动放大电路如图4.2.4所示。它可实现差动比例运算。
图4.2.4 差动放大电路
(1)、运放调零。将A、B两端对地短路，调节RW3使UO＝0。
(2)、去掉A、B端对地短路线。从A、B端分别加入不同的二个直流电平。 当电路中R7+RW2=R6，R4＝R5时，其输出电压 u0?R7?RW2R4(UB?UA)
在测试时，要注意加入的输入电压不能太大，以免放大器输出进入饱和区。
(3)、将B点对地短路，把频率为100Hz、有效值为10mV的正弦波加入A点。用示波器观察输出波形。在输出波形不失真的情况下，用交流毫伏表测出ui和u0的电压。算得此差动放大电路的电压放大倍数A。
2、 桥式测温放大电路
将差动放大电路的A、B端与测温电桥的A?、B?端相连，构成一个桥式测温放大电路。 (1)、在室温下使电桥平衡
在实验室室温条件下，调节RW1，使差动放大器输出U01＝0（注意：前面实验中调好的RW3不能再动）。
(2)、温度系数K（V/C）
由于测温需升温槽，为使实验简易，可虚设室温T及输出电压u01，温度系数K也定为一个常数，具体参数由读者自行填入表格内
表4.2.1
温度 T（℃） 输出电压U01（V） 室温 ℃ 0 从表4.2.1 中可得到K＝△U/△T。
(3)、桥式测温放大器的温度－电压关系曲线 根据前面测温放大器的温度系数K，可画出测温放大器的温度－电压关系曲线，实验时要标注相关的温度和电压的值，如图4.2.5所示。从图中可求得在其它温度时，放大器实际应输出的电压值。也可得到在当前室温时，U01实际对应值US。
(4)、重调RW1，使测温放大器在当前室温下输出US。即调RW1，使U01＝US。 3、 滞回比较器
滞回比较器电路如图4.2.5所示。 (1)、直流法测试比较器的上下门限电平
首先确定参考电平UR值。调RW4，使UR＝2V。然后将可变的直流电压Ui加入比较器的输入端。比较器的输出电压U0送入示波器Y输入端（将示波器的“输入耦合方式开关”置于“DC”，X轴“扫描触发方式开关”置于“自动”）。改变直流输入电压Ui的大小，从示波器屏幕上观察到当u0跳变时所对应的Ui值，即为上、下门限电平。
(2)、交流法测试电压传输特性曲线
将频率为100Hz，幅度3V的正弦信号加入比较器输入端，同时送入示波器的X轴输入端，作为X轴扫描信号。比较器的输出信号送入示波器的Y轴输入端。微调正弦信号的大小，可从示波器显示屏上看到完整的电压传输特性曲线。
图4.2.5 温度－电压关系曲线 图4.2.6 滞回比较器电路
4、 温度检测控制电路整机工作状况 (1)、按图4.2.1连接各级电路。（注意：可调元件RW1、RW2、RW3不能随意变 动。如有变动，必须重新进行前面内容。）
(2)、根据所需检测报警或控制的温度T，从测温放大器温度－电压关系曲 线中确定对应的u01值。
(3)、调节RW4使参考电压U?R＝UR＝U01
(4)、用加热器升温，观察温升情况，直至报警电路动作报警（在实验 电路中当LED发光时作为报警），记下动作时对应的温度值t1和U011的值。
(5)、 用自然降温法使热敏电阻降温，记下电路解除时所对应的温度值t2和U012的值。 (6)、改变控制温度T，重做(2)、(3)、(4)、(5)、内容。把测试结果记入表4.2.2。 根据t1和t2值，可得到检测灵敏度t0=(t2-t1)
注：设计中的加热装置可用一个100Ω/2W的电阻RT模拟，将此电阻靠近Rt即可。
表4.2.2
设定温度 T（℃） 设定电压 动作温度 动作电压 U012（V） U011（V） T2（℃） 从曲线上查得 UO1 UR T1（℃） 六、设计报告总结 1、 分析任务，确定设计方案。
2、 单元电路设计、参数计算、元器件选择。 3、 电路工作原理描述。
4、 调试步骤及故障处理说明。
5、 整理实验数据，画出有关曲线、数据表格以及实验线路。
6、 用方格纸画出测温放大电路温度系数曲线及比较器电压传输特性曲线。 7、 课程设计的收获及体会。