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温度监测及控制电路实验--模拟电路实验箱

一、实验目的
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。
3、学会系统测量和调试。
二、实验原理
1、实验电路如图26-1所示，它是由负温度系数电阻特性的热敏电阻（NTC元件）R_t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U_R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26－1　温度监测及控制实验电路
(1)测温电桥
由R₁、R₂、R₃、R_W1及R_t组成测温电桥，其中R_t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R_t的工作电流，达到稳定其温度系数的目的，设置了稳压管D₂。R_W1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

当R₄＝R₅，（R₇+R_W2）=R₆时

R_W3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26-2所示，设比较器输出高电平为U_0H，输出低电平为U_OL，参考电压U_R加在反相输入端。

图26-2　同相滞回比较器
当输出为高电平U_0H时，运放同相输入端电位

　　　　　
当u_i减小到使u_+H＝U_R，即

此后，u_i稍有减小，输出就从高电平跳变为低电平。
当输出为低电平U_0L时，运放同相输入端电位

当u_i增大到使u_+L=U_R，即

此后，u_i稍有增加，输出又从低电平跳变为高电平。　　　　　　　　　　　
因此U_TL和U_TH为输出电平跳变时对应的输入电平，常称U_TL为下门限电平，U_TH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/R_F的比值来调节。
图26-3为滞回比较器的电压传输特性。

图26-3　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U_R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R_W4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。
三、实验设备
1、±12V直流电源
2、函数信号发生器
3、双踪示波器
4、热敏电阻（NTC）
5、运算放大器μA741×2、晶体三极管3DG12、稳压管2CW231、发光管LED
6、面包板
四、预习要求
1、阅读教材中有关集成运算放大器应用部分的章节。了解集成运算放大器构成的差动放大器等电路的性能和特点。
2、根据实验任务，拟出实验步骤及测试内容，画出数据记录表格。
3、依照实验线路板上集成运放插座的位置，从左到右安排前后各级电路。画出元件排列及布线图。元件排列既要紧凑，又不能相碰，以便缩短连线，防止引入干扰。同时又要便于实验中测试方便。
4、思考并回答下列问题：
1）如果放大器不进行调零，将会引起什么结果？
2）如何设定温度检测控制点?
五、实验内容
按图26-2，连接实验电路，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26-4所示。它可实现差动比例运算。

图26-4　差动放大电路
1）运放调零。将A、B两端对地短路，调节R_W3使U_O＝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+R_W2=R₆，R₄＝R₅时，其输出电压

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u_i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

、

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R_W1，使差动放大器输出U₀₁＝0（注意：前面实验中调好的R_W3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26-1

温度　　 T（℃）	室温　　 ℃
输出电压U₀₁（V）	0

从表26-1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26-5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U_S。
4）重调R_W1，使测温放大器在当前室温下输出U_S。即调R_W1，使U₀₁＝U_S。
3、滞回比较器
滞回比较器电路如图26-5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U_R值。调R_W4，使U_R＝2V。然后将可变的直流电压U_i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U_i的大小，从示波器屏幕上观察到当u₀跳变时所对应的U_i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到完整的电压传输特性曲线。

图26-5　温度－电压关系曲线　　　　图26-6　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26-1连接各级电路。（注意：可调元件R_W1、R_W2、R_W3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R_W4使参考电压

_R＝U_R＝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26-2。
根据t₁和t₂值，可得到检测灵敏度t₀=(t₂-t₁)
注：实验中的加热装置可用一个100Ω/2W的电阻R_T模拟，将此电阻靠近R_t即可。
表26-2

设定温度T（℃）
设定电压	从曲线上查得U_O1
设定电压	U_R
动作温度	T₁（℃）
动作温度	T₂（℃）
动作电压	U₀₁₁（V）
动作电压	U₀₁₂（V）

六、实验总结
1、整理实数据，画出有关曲线、数据表格以及实验线路。
2、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。
3、实验中的故障排除情况及体会。

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