基于EWB的测温电路设计

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摘要:本文将EWB软件应用于实际项目中,设计了一款测温电路,所设计的测温电路没有采用专用的温度传感器和高精度的A/D转换器,而是利用三极管温度特性和RC积分特性,通过EWB的温度扫描分析和瞬态分析得到三极管温度和RC充电时间的对应关系,将温度的测量变成了时间的测量,从而得到温度数据,因此,本电路具有低成本、高精度、简单可靠的特点,适用于测量速度不高的场合。同时采用单片机完成温度数据的采集、处理、显示等任务,并给出了测量程序代码。
关键词:测温;电子工作台;单片机

0 简介
    EWB(电子工作台)是模拟数字电路仿真软件,具有界面直观、操作方便、分析方法多等优点。非常适合于电子工程师和学生使用。EWB软件有绿色版,不必安装,解压后即可使用,点击wewb32.exe运行软件。在主界面中,以图形方式显示了所用的各种操作功能,包括:元件库、仪器仪表、分析方法等,关于 EWB的具体内容,请参考书籍《实用通信与电子线路的计算机仿真》。分析方法的应用往往给试验带来极大的方便,甚至比真实的实验更方便,本文将运用的 EWB的瞬态分析和温度扫描分析来设计一款价廉实用的测温电路。

1 电路原理与设计
    本文所述的测温电路针对水温的测量(可用于类似的场合),测量范围是0~100℃。通常温度测量的方法是用温度传感器将温度信号经过A/D转换器送到单片机中,从而取得温度数据。如果要求测量显示的精度高(达到10位以上),则成本大大增加。图1是本文的测温电路原理图,电路中没有采用专用的温度传感器,也不用A/Di转换的方式,而是采用三极管Q1作为测温元件,利用其pn结的温度电压特性,测得温度的变化。将温度电压信号和R2、C1积分信号送到比较器输入端,在R2、C1开始充电后,直到其电压超过温度电压时,比较器翻转,用单片机测量翻转前的充电时间,即可测量温度的电压值。下面通过对RC积分和温度测量的仿真,详细叙述测量原理。


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    图2是三极管pn结测温电路,根据三极管手册参数,pn结两端的电压随温度变化。本例测量水温,温度范围是0~100℃。在实际应用中需要知道对应的电压变化范围和起始、终止点的电压值。用EMB进行温度扫描分析,具有直观、快捷的优点。在EMB中画出图2电路,选择主菜单的分析(analysis)选项,选择其中的温度扫描(temperature sweep)功能,在打开的对话框中设置温度的起始和终止范围,其中starttemper-ature(起始温度)设置为0,end temperature(终点温度)设置为100,sweep type选择linear,output node选择要仿真的节点,其它选择默认,然后点击simulate(仿真),得到仿真结果如图3所示,单击cursors(游标),可以精确测量曲线各点坐标的x、y(温度、电压)值,实测结果是,对应x值的0~100℃范围,y值是0.642~0.442V,电压变化范围是200mV,变化规律是线性的。


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    图4是R、C积分电路,在通电的初始时刻,电容两端的电压为0V,以后随着对电容的充电,电容两端的电压将增加,其电压的变化规律是:
 

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    由式(1)可知,Uc不是线性的,但是如果R、C的数值很大,则Uc接近于线性,这个过程可以用数学方法求出Uc的曲率来判断线性,最终确定R、C的大小,但是过程比较麻烦而且不直观。如果用EWB仿真,则方便、快捷、直观,针对图4电路,选择主菜单的analysis下的transient(瞬态)仿真,在打开的对话框中修改start time(开始时间)为0,endtime(结束时间)为0.02s,将测量的节点添加到nodes for analysis对话框中,然后点击simulate,得到图5的结果。打开游标测得x、y的数据是:当电压变化范围是0.442~0.642V时,对应的时间范围是4ms。


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