温度测量与显示电路[样例]

一、研究目的

1．学习和掌握“非电信号”和“电信号”之间转换及其意义。

2．根据理想运算放大器的功能和原理，结合实际应用情况，充分体会和掌握实际集成运算放大器的工作特性与理想运算放大器之间的区别。 3．掌握运算放大器作为比较器的应用电路设计和调试。 4．高精度运算放大电路的设计与应用。

5．掌握“参考电压”的选择以及其在比较器中的重要作用。 6．掌握LED的使用方法，应用LED为器件，构成温度显示电路。

7．在学习掌握本研究性实验提示内容的基础上，设计满足任务要求的电路，并实现电路的仿真、制作和调试。 二、预备知识

1. 熟练掌握非线性电路的分析方法与应用。 2. 学习含运算放大器的电桥测量电路的工作原理。 3. 掌握铂电阻的特性和应用。 4. 学习光电二极管的特性和应用。 三、研究背景

温度是实际应用中经常需要测量和控制的一个参数，从农业生产到工程控制，很多场合要对温度进行控制，对温度的正确监测和控制，可以为工程应用提供一个相对稳定的环境。

电冰箱在正常工作时，必须随时监测和控箱储藏室的温度，以确保食品的冷藏和冷冻；生产工艺需要温度控制，以确保生产环境符合生产工艺要求，能生产出合格的产品；有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要监控CPU的温度，以确保计算机安全、可靠地运行；人工暖棚的温度也要进行适当的控制，以确保该温度最适合于暖棚内植物的生长。

为了便于利用电路对温度进行测量和控制，必须将非电参数的温度转换为电参数。这可以利用温度传感器来实现。常用的温度传感器包括热电阻、热敏电阻、热电偶等。铂电阻就是由金属铂丝制成的热电阻，它的电阻会随着温度的变化而发生变化，通过测量铂

电阻的电阻值，也就可以知道温度的大小。

温度的测量是通过采用传感器将“非电信号”转变成电信号的，是非电类测量中的一个重要应用，其他类似的非电类信号如压力、气体浓度、转速和频率等都可以转化为电信号，然后进行处理、分析和应用。通过各种传感器将不同的“非电信号”转变成电信号，是检测技术中的重要内容，同时也大大地丰富了电气信息技术的应用范围和应用前景。 温度的显示目前常用的有液晶显示和数码管显示等数字显示方式，当然也可以通过声、光等形式，显示和提示测试温度的范围和超出规定范围的报警。 四、实验仪器及元器件

双踪示波器 1台 双路可调直流稳压电源 1台 多波形信号发生器 1台 万用表 1只 集成运算放大器芯片 2只 铂电阻 1只 电阻 若干 电容器 若干 开关 若干 LED灯（红、黄、绿） 各若干 电吹风 （公用） 1只五、研究提示

常用的温度测量电桥形式如图6.5.1所示，电路是温度测量与简单的控制电路。为了简化分析，设集成运算放大器为理想元件，采用+5～15V电源作为工作电源，其电压输入输出特性如图6.5.2所示，其中ud为理想运算放大器同相输入与反相输入端电压之差，uo为理想运算放大器输出电压。

+UCCR2R4󰀔∞uHuREFH󰀔∞N2u+Rtu1+UccRH1kΩ󰀔∞uREFL+Ucc1kΩu−N1R5uL+UCCOR1R3uoudN3RL

−UCC

图6.5.1 温度测量与控制电路 图6.5.2 理想运放电压输入输出特性

图6.5.1中测量温度的电阻为铂电阻Rt，铂电阻值随温度T（℃）变化的关系式为

Rt=(100+0.39T)Ω

当温度变化时，铂电阻的阻值会发生相应的变化，从表达式可以知道铂电阻随温度变化是一个非线性关系。通过采用如图中的电桥形式，可以将温度变化所引起的铂电阻Rt阻值的变化转化成电压信号的变化，然后通过运算放大器电路将此变化量放大输出，实现了非电量信号“温度”的电测量。

当测试温度电路N1具有输出信号u1时，利用其电压值随温度变化的结果，采用含运算放大器N2和N3的电路，通过调节RH和RL选择合适的参考电压uREFH和uREFL，可以获得控制或显示用的电压信号uH和uL。

当温度很低时，Rt很小，由电阻串联分压公式可知，u+很小。由于u+接入N1的同相输入端，因此N1的输出电压u1很小。当u1< uREFL时，N3的输出电压uL约为+UCC，该电压信号用于控制加热器的开关，使加热器开始工作，从而温度上升。随着温度的升高，u1变大，当u1> uREFH时，N2的输出电压uH约为+UCC，该电压信号用于控制加热器的开关，使加热器停止工作，从而温度不再上升。当uREFL作。

根据输出电压uH和uL的变化情况与温度之间的关系，也可以由输出电压uH和uL 构成温度显示控制信号，通过控制声、光信号，起到显示温度范围和预警的作用。 ui1󰀔AR2RR3R1󰀔A󰀔Aui2RR2uoR3图6.5.3 高精度仪用放大电路 对于微小信号的放大，可以采用由通用集成运算放大器构成的高精度仪用放大电路获得，如图6.5.3所示。当然，也可以采用专用高精度仪用运算放大器替代图6.5.1中的通用运算放大器N1。 六、研究内容或设计目标

1． 基本命题

设计一个温度测量与显示电路 任务要求：

（1） 设计一个温度测量与显示电路的电路图。 （2） 电路设计中包括一个温度测试电路。

（3） 电路设计中包含一个用LED等指示温度的显示电路；其中，当温度小于20ºC时

红灯点亮；当温度大于35ºC时，黄灯点亮。

（4） 温度在25-30ºC之间时，绿灯点亮，表示温度在控制区域内； （5） 对电路设计进行Multisim软件仿真。 （6） 整体电路制作与调试实现。

（7） 对输出结果的进行数据处理及误差分析。

2． 扩展命题

设计一个高精度温度测量与显示电路 任务要求：

（1） 设计一个高精度温度测量与显示电路的拓扑结构图。 （2） 电路设计中包括一个高精度温度测试电路。

（3） 电路设计中包含一个用LED等指示温度的显示电路网络；其中，以温度25ºC为

恒温目标，用绿灯表示；以3ºC为误差间隔，用不同的灯光个数表示与目标温度的差距；温度高于目标温度时，黄灯点亮；温度低于目标温度时，红灯点亮。 （4） 整体电路制作与调试实现。 （5） 进行实验温度实测与误差分析。 七、注意事项

1. 使用铂电阻时，应注意铂电阻的温度特性是一个非线性特性的，测量电压与温度

的对应关系也是非线性的。

2. 采用LED进行光显示时，注意LED灯的使用方法。

3. 采用高精度仪用放大电路时，注意三个运算放大器的接法。 八、研究报告要求

1．通过阅读相关应用实例和背景资料，学习电路理论中有关非线性电阻的相关知识，以及用电测量获得“非电量”信号的方法和工程应用。

2．采用非线性电阻分析方法，分析电桥的工作原理与电路参数选择依据。 3．设计过程的详细记录。 4．设计电路的仿真结果。

5．整理原始记录数据，对记录数据进行计算、分析和处理，并与理论计算结果进行比较，分析试验数据的误差，分析误差产生的原因。 6．撰写研究心得和体会。

实验报告（包括）

1. 应用背景 2. 电路 3. 实验结果 4. 结果分析 5. 仿真分析 6. （PCB设计） 7. 电路实物制作 8. 研究拓展