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溫度監測及控制電路實驗--模擬電路實驗箱

一、實驗目的
1、學習由雙臂電橋和差動輸入集成運放組成的橋式放大電路。
2、掌握滯回比較器的性能和調試方法。
3、學會系統測量和調試。
二、實驗原理
1、實驗電路如圖26-1所示，它是由負溫度系數電阻特性的熱敏電阻（NTC元件）R_t為一臂組成測溫電橋，其輸出經測量放大器放大后由滯回比較器輸出“加熱”與“停止”信號，經三極管放大后控制加熱器“加熱”與“停止”。改變滯回比較器的比較電壓U_R即改變控溫的范圍，而控溫的精度則由滯回比較器的滯回寬度確定。

圖26－1　溫度監測及控制實驗電路
(1)測溫電橋
由R₁、R₂、R₃、R_W1及R_t組成測溫電橋，其中R_t是溫度傳感器。其呈現出的阻值與溫度成線性變化關系且具有負溫度系數，而溫度系數又與流過它的工作電流有關。為了穩定R_t的工作電流，達到穩定其溫度系數的目的，設置了穩壓管D₂。R_W1可決定測溫電橋的平衡。
(2)差動放大電路
由A₁及外圍電路組成的差動放大電路，將測溫電橋輸出電壓△U按比例放大。其輸出電壓

當R₄＝R₅，（R₇+R_W2）=R₆時

R_W3用于差動放大器調零。
可見差動放大電路的輸出電壓U₀₁僅取決于二個輸入電壓之差和外部電阻的比值。
（3）滯回比較器
差動放大器的輸出電壓U₀₁輸入由A₂組成的滯回比較器。
滯回比較器的單元電路如圖26-2所示，設比較器輸出高電平為U_0H，輸出低電平為U_OL，參考電壓U_R加在反相輸入端。

圖26-2　同相滯回比較器
當輸出為高電平U_0H時，運放同相輸入端電位

　　　　　
當u_i減小到使u_+H＝U_R，即

此后，u_i稍有減小，輸出就從高電平跳變為低電平。
當輸出為低電平U_0L時，運放同相輸入端電位

當u_i增大到使u_+L=U_R，即

此后，u_i稍有增加，輸出又從低電平跳變為高電平?！　　　　　　　　　　?nbsp;
因此U_TL和U_TH為輸出電平跳變時對應的輸入電平，常稱U_TL為下門限電平，U_TH為上門限電平，而兩者的差值
△

稱為門限寬度，它們的大小可通過調節R₂/R_F的比值來調節。
圖26-3為滯回比較器的電壓傳輸特性。

圖26-3　電壓傳輸特性
由上述分析可見差動放器輸出電壓u₀₁經分壓后A₂組成的滯回比較器，與反相輸入端的參考電壓U_R相比較。當同相輸入端的電壓信號大于反相輸入端的電壓時，A₂輸出正飽和電壓，三極管T飽和導通。通過發光二極管LED的發光情況，可見負載的工作狀態為加熱。反之，為同相輸入信號小于反相輸入端電壓時，A₂輸出負飽和電壓，三極管T截止，LED熄滅，負載的工作狀態為停止。調節R_W4可改變參考電平，也同時調節了上下門限電平，從而達到設定溫度的目的。
三、實驗設備
1、±12V直流電源
2、函數信號發生器
3、雙蹤示波器
4、熱敏電阻（NTC）
5、運算放大器μA741×2、晶體三極管3DG12、穩壓管2CW231、發光管LED
6、面包板
四、預習要求
1、閱讀教材中有關集成運算放大器應用部分的章節。了解集成運算放大器構成的差動放大器等電路的性能和特點。
2、根據實驗任務，擬出實驗步驟及測試內容，畫出數據記錄表格。
3、依照實驗線路板上集成運放插座的位置，從左到右安排前后各級電路。畫出元件排列及布線圖。元件排列既要緊湊，又不能相碰，以便縮短連線，防止引入干擾。同時又要便于實驗中測試方便。
4、思考并回答下列問題：
1）如果放大器不進行調零，將會引起什么結果？
2）如何設定溫度檢測控制點?
五、實驗內容
按圖26-2，連接實驗電路，各級之間暫不連通，形成各級單元電路，以便各單元分別進行調試。
1、差動放大器
差動放大電路如圖26-4所示。它可實現差動比例運算。

圖26-4　差動放大電路
1）運放調零。將A、B兩端對地短路，調節R_W3使U_O＝0。
2）去掉A、B端對地短路線。從A、B端分別加入不同的二個直流電平。當電路中R₇+R_W2=R₆，R₄＝R₅時，其輸出電壓

在測試時，要注意加入的輸入電壓不能太大，以免放大器輸出進入飽和區。
3）將B點對地短路，把頻率為100Hz、有效值為10mV的正弦波加入A點。用示波器觀察輸出波形。在輸出波形不失真的情況下，用交流毫伏表測出u_i和u₀的電壓。算得此差動放大電路的電壓放大倍數A。
2、橋式測溫放大電路
將差動放大電路的A、B端與測溫電橋的

、

端相連，構成一個橋式測溫放大電路。
1）在室溫下使電橋平衡
在實驗室室溫條件下，調節R_W1，使差動放大器輸出U₀₁＝0（注意：前面實驗中調好的R_W3不能再動）。
2）溫度系數K（V/C）
由于測溫需升溫槽，為使實驗簡易，可虛設室溫T及輸出電壓u₀₁，溫度系數K也定為一個常數，具體參數由讀者自行填入表格內
表26-1

溫度　　 T（℃）	室溫　　 ℃
輸出電壓U₀₁（V）	0

從表26-1中可得到K＝△U/△T。
3）橋式測溫放大器的溫度－電壓關系曲線
根據前面測溫放大器的溫度系數K，可畫出測溫放大器的溫度－電壓關系曲線，實驗時要標注相關的溫度和電壓的值，如圖26-5所示。從圖中可求得在其它溫度時，放大器實際應輸出的電壓值。也可得到在當前室溫時，U₀₁實際對應值U_S。
4）重調R_W1，使測溫放大器在當前室溫下輸出U_S。即調R_W1，使U₀₁＝U_S。
3、滯回比較器
滯回比較器電路如圖26-5所示。
1）直流法測試比較器的上下門限電平
首先確定參考電平U_R值。調R_W4，使U_R＝2V。然后將可變的直流電壓U_i加入比較器的輸入端。比較器的輸出電壓U₀送入示波器Y輸入端（將示波器的“輸入耦合方式開關”置于“DC”，X軸“掃描觸發方式開關”置于“自動”）。改變直流輸入電壓U_i的大小，從示波器屏幕上觀察到當u₀跳變時所對應的U_i值，即為上、下門限電平。
2）交流法測試電壓傳輸特性曲線
將頻率為100Hz，幅度3V的正弦信號加入比較器輸入端，同時送入示波器的X軸輸入端，作為X軸掃描信號。比較器的輸出信號送入示波器的Y軸輸入端。微調正弦信號的大小，可從示波器顯示屏上到完整的電壓傳輸特性曲線。

圖26-5　溫度－電壓關系曲線　　　　圖26-6　滯回比較器電路
4、溫度檢測控制電路整機工作狀況
1）按圖26-1連接各級電路。（注意：可調元件R_W1、R_W2、R_W3不能隨意變動。如有變動，必須重新進行前面內容。）
2）根據所需檢測報警或控制的溫度T，從測溫放大器溫度－電壓關系曲線中確定對應的u₀₁值。
3）調節R_W4使參考電壓

_R＝U_R＝U₀₁
4）用加熱器升溫，觀察溫升情況，直至報警電路動作報警（在實驗電路中當LED發光時作為報警），記下動作時對應的溫度值t₁和U₀₁₁的值。
5）用自然降溫法使熱敏電阻降溫，記下電路解除時所對應的溫度值t₂和U₀₁₂的值。
6）改變控制溫度T，重做2）、3）、4）、5）內容。把測試結果記入表26-2。
根據t₁和t₂值，可得到檢測靈敏度t₀=(t₂-t₁)
注：實驗中的加熱裝置可用一個100Ω/2W的電阻R_T模擬，將此電阻靠近R_t即可。
表26-2

設定溫度T（℃）
設定電壓	從曲線上查得U_O1
設定電壓	U_R
動作溫度	T₁（℃）
動作溫度	T₂（℃）
動作電壓	U₀₁₁（V）
動作電壓	U₀₁₂（V）

六、實驗總結
1、整理實數據，畫出有關曲線、數據表格以及實驗線路。
2、用方格紙畫出測溫放大電路溫度系數曲線及比較器電壓傳輸特性曲線。
3、實驗中的故障排除情況及體會。

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