模二极管测温电路的设计电实验.doc

模拟电子技术课程实践报告

实验项目：二极管测温电路的设计
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报告时间：2013年1月

一. 实验目的
设计二极管测温电路，实现在低温和高温条件下的报警。
二．设计原理
利用二极管的节温特性，将温度变化转化为电信号，经放大、比较等环节，最终通过发光二极管或音响的方式输出指示。
三．整体设计方案
(一) 四个模块：
1. 精密稳压电源模块：由TL431和电阻、电容等组成精密稳压电路给二极管节温转换模块供电。
2. 传感器和前级放大模块：由三极管、二极管、电阻、电位器组成的差分放大电路。将二极管的节温电压放大并转换为差分电压输出。
3. 差分电压转换模块：由运放和电阻组成差分放大电路，将二极管节温转换模块的差分小电压进一步放大，并转换为单端输出。
4. 比较报警模块：由电阻和运放组成比较器，利用发光二极管指示温度的超限来达到报警。
传感器和前级放大器
(二极管和差分放大电路路)
差分电压转换
(集成运放)
比较、报警
(比较器、发光二极管)
精密稳压电源
(3.6V)
稳压源提供+5V直流稳定电压

(二) 整体设计思路：
利用二极管的节温特性，将二极管的温度变化转化为差分电路的电压变化，再转化发光二极管灯亮与否的直观感觉。前级放大电路需要稳定的3.6V电压，而集成运放和电压比较器需要5V左右的电压，故在最前端要将有一个非精密的5V电压转变为精密的3.6V电压的稳压电路。然后再利用差分放大电路进行放大并转换为电压的变化，并转化为单端输出。最后在比较器的输出末端接入发光二极管，利用电压比较器来控制灯亮的变化，以此进行判断。
总的来说，该实验共需以下四个模块：精密稳压电源模块、传感器和前级放大模块、差分电压转换模块、比较报警模块。对二极管上的节温特性进行一系列的转化，从而达到实验目的。
(三) 元件清单：
1. 精密稳压电源模块：100欧姆、1千欧姆、2.2千欧姆电阻各一个，TL431稳压二极管一个；
2. 传感器和前级放大模块： 1千欧姆、1.5千欧姆电阻各两个，10千欧姆、4.7千欧姆电阻各一个，200欧姆、5千欧姆电位器各一个，1N4148二极管六个，9012塑封晶体管两个；
3. 差分电压转换模块： LM324通用集成运放一个，20千欧姆、200千欧姆电阻各两个；
4. 比较报警模块：LM324通用集成运放一个，1千欧姆电阻三个，2、3、4千欧姆电阻各一个，黄色、绿色LED各一个。
5. 通用电路板一块，焊锡0.8米，导线1米。
四．模块原理图
(一) 精密稳压电源模块：
电路图如图所示：

由TL431的元件参数表可知：V阴阳=(1+R14/R9)Vref；
由于Vref常温下的典型值为2.495V，最大值为2.55V。为减小电路功耗并确保电路能长时间安全工作，可取R1为1千欧姆，R2为2.2千欧姆。在输入端需串联100欧姆的电阻，可以防止出现短路导致的电流过大的情况，其分压作用可忽略不计。
综上，VDD=(1+1/2.2)×2.5=3.6V。
(二) 传感器和前级放大模块：
电路图如图所示：

差分电路中，二极管的正向导通压降UBE=0.7V。电位器R1可用来调整Q1和Q2(粗调)，R2用来调整Q2(微调)。电路左侧使用两个二极管的原因在于R1的分压作用，为保持平衡，需要再增加一个二极管。而右侧则因为测温二极管D6的存在，需要在左侧的基础上再增加一个二极管，故总需三个二极管才能保证UBE≥0.7V。R4和R5上的压降由于iB很小可以忽略。
下面分析该电路的原理：二极管在温度升高时其正向导通电流增大，即IB2增大，从而IC2和IE2增大，故IR1增大，UR1增大，从而UCE1减小，使得IE1和IC1减小，最终UR6减小，所以差分输出UO=UR6―UR7产生变化。因此，二极管的温度变化电流转化为差分输出电压的变化。
差分输出的作用：采用差分输出可以抑制温漂，同时也可以抑制共模量的输出。
(三) 差分电压转换模块：
电路图如图所示：

由LM324的元件参数表可知：UO=(U2―U1)×(1+Rf1/R1)；
为充分发挥共模抑制比大、抑制温漂能力强的作用，图中R2及Rf2均与另一端对称，使差分放大的两端输入阻抗相等。从上一级的输出进行考虑，电流在几十毫安的级别，电阻的阻值选择20千欧姆及200千欧姆，该模块的放大倍数约为11。
(四) 比较报警模块：
电路图如图所示：

该模块利用电压比较器对前级所给的电压进行判断选择。根据之前的测试数据，单端输出的电压值范围大约为：0~4V。从实验室提供的实际出发，故最终选取了1千欧姆电阻三个、2,3,4千欧姆电阻各一个。下限电压为：5×1/(1+4)=1V，上限电压为：5×3/(2+3)=3V，当UO 小于1V时，黄色LED灯亮，绿色LED灯灭；当UO 大于1V，小于3V时，两灯都熄灭；当UO 大于3 V时，黄色LED灯灭，绿色LED灯亮。此外，为防止电流过大烧毁二极管，串联一个1千欧姆电阻。
五、实验调试故障分析
1. 焊完传感器和前级放大模块时，对其输出值，即(U2―U1)进行测试，发现其值的大小并不随着电位器的变化而变化，而是始终保持一个定值（1.93V），分析应该是电路中的某个位置断路造成的，电位器上阻值的变化在差分输出上没有得到体现，在后面检查中发现在该模块的下面部分发生了断路。
2. 在焊接完整个电路之后，对U0进行测试，却发现始终不能得到一个正确和预想中的值，想着这是在哪出现了问题，让同学帮忙检查电路都没有发现什么问题，想着是不是元件出现了什么问题，三极管烧坏了？电阻虚焊了？之后用万用表对电板上每一个元器件进行测量，始终都没有发现问题。在窘迫时突然想起上周三在实验室时我和老师换过一块芯片，是不是这个有问题……于是拿同学的芯片测试了一下数据，完全合乎预料。再细比对两个芯片，初步发现他们是不一样的，我的芯片上有型号信息，而其他人的并没有
3. 在最后一部分的电路中，测试的比较顺利，在接通电源之后，黄灯亮了，改变二极管的温度， 黄灯熄灭，绿灯过了一会也亮了起来。
六、心得感悟
首先在这次的电路实验中，对集成电路有了一个更完全的认识在这样一块小电路板上把大量的电路都焊上去了，这是之前的物理实验等所不具备的。其次，对于电路在电板上的分布情况及怎么焊接，第一部分在焊接之前有一个计划过程，做到心中有数，因此电路焊接的比较美观，而在第二部分中，没有太多的计划，导致电路板后面有几处交叉的现象。
在经验方面，这次试验最大的感受就是做事必须要细致，把每一部分都做好做对。 其实总的来说，这个试验也不是想象的那么难，但是在做的过程中却耗费了将近十个小时的时间在调试，如果在之前焊接的时候把每一步做到位，调试方面相信是水到渠成的事。
第三，在电路调试方面也有一些感悟。在电路出现了问题后，需要分模块的去检查，看它是否达到了预期效果，然后再针对问题模块进行元器件的检查。当局者迷旁观者清，有时候自己发现不了的问题，在别人看来就是很简单的事，因此多与老师和同学交流也是一件很重要的事情。