模二极管测温电路的设计电实验

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专业：所属学院：年级：姓名：学号：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。(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3V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。