基于EWB的測溫電路設(shè)計(jì)原理分析以及其優(yōu)勢

摘要：本文將EWB軟件應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)了一款測溫電路，所設(shè)計(jì)的測溫電路沒有采用專用的溫度傳感器和高精度的A／D轉(zhuǎn)換器，而是利用三極管溫度特性和RC積分特性，通過EWB的溫度掃描分析和瞬態(tài)分析得到三極管溫度和RC充電時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系，將溫度的測量變成了時(shí)間的測量，從而得到溫度數(shù)據(jù)，因此，本電路具有低成本、高精度、簡單可靠的特點(diǎn)，適用于測量速度不高的場合。同時(shí)采用單片機(jī)完成溫度數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示等任務(wù)，并給出了測量程序代碼。

0 簡介

??? EWB(電子工作臺(tái))是模擬數(shù)字電路仿真軟件，具有界面直觀、操作方便、分析方法多等優(yōu)點(diǎn)。非常適合于電子工程師和學(xué)生使用。EWB軟件有綠色版，不必安裝，解壓后即可使用，點(diǎn)擊wewb32．exe運(yùn)行軟件。在主界面中，以圖形方式顯示了所用的各種操作功能，包括：元件庫、儀器儀表、分析方法等，關(guān)于 EWB的具體內(nèi)容，請參考書籍《實(shí)用通信與電子線路的計(jì)算機(jī)仿真》。分析方法的應(yīng)用往往給試驗(yàn)帶來極大的方便，甚至比真實(shí)的實(shí)驗(yàn)更方便，本文將運(yùn)用的 EWB的瞬態(tài)分析和溫度掃描分析來設(shè)計(jì)一款價(jià)廉實(shí)用的測溫電路。

1 電路原理與設(shè)計(jì)

??? 本文所述的測溫電路針對水溫的測量(可用于類似的場合)，測量范圍是0～100℃。通常溫度測量的方法是用溫度傳感器將溫度信號(hào)經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器送到單片機(jī)中，從而取得溫度數(shù)據(jù)。如果要求測量顯示的精度高(達(dá)到10位以上)，則成本大大增加。圖1是本文的測溫電路原理圖，電路中沒有采用專用的溫度傳感器，也不用A／Di轉(zhuǎn)換的方式，而是采用三極管Q1作為測溫元件，利用其pn結(jié)的溫度電壓特性，測得溫度的變化。將溫度電壓信號(hào)和R2、C1積分信號(hào)送到比較器輸入端，在R2、C1開始充電后，直到其電壓超過溫度電壓時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，用單片機(jī)測量翻轉(zhuǎn)前的充電時(shí)間，即可測量溫度的電壓值。下面通過對RC積分和溫度測量的仿真，詳細(xì)敘述測量原理。

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圖2是三極管pn結(jié)測溫電路，根據(jù)三極管手冊參數(shù)，pn結(jié)兩端的電壓隨溫度變化。本例測量水溫，溫度范圍是0～100℃。在實(shí)際應(yīng)用中需要知道對應(yīng)的電壓變化范圍和起始、終止點(diǎn)的電壓值。用EMB進(jìn)行溫度掃描分析，具有直觀、快捷的優(yōu)點(diǎn)。在EMB中畫出圖2電路，選擇主菜單的分析(analysis)選項(xiàng)，選擇其中的溫度掃描(temperature sweep)功能，在打開的對話框中設(shè)置溫度的起始和終止范圍，其中starttemper-ature(起始溫度)設(shè)置為0，end temperature(終點(diǎn)溫度)設(shè)置為100，sweep type選擇linear，output node選擇要仿真的節(jié)點(diǎn)，其它選擇默認(rèn)，然后點(diǎn)擊simulate(仿真)，得到仿真結(jié)果如圖3所示，單擊cursors(游標(biāo))，可以精確測量曲線各點(diǎn)坐標(biāo)的x、y(溫度、電壓)值，實(shí)測結(jié)果是，對應(yīng)x值的0～100℃范圍，y值是0．642～0．442V，電壓變化范圍是200mV，變化規(guī)律是線性的。

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??? 圖4是R、C積分電路，在通電的初始時(shí)刻，電容兩端的電壓為0V，以后隨著對電容的充電，電容兩端的電壓將增加，其電壓的變化規(guī)律是：
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??? 由式(1)可知，Uc不是線性的，但是如果R、C的數(shù)值很大，則Uc接近于線性，這個(gè)過程可以用數(shù)學(xué)方法求出Uc的曲率來判斷線性，最終確定R、C的大小，但是過程比較麻煩而且不直觀。如果用EWB仿真，則方便、快捷、直觀，針對圖4電路，選擇主菜單的analysis下的transient(瞬態(tài))仿真，在打開的對話框中修改start time(開始時(shí)間)為0，endtime(結(jié)束時(shí)間)為0．02s，將測量的節(jié)點(diǎn)添加到nodes for analysis對話框中，然后點(diǎn)擊simulate，得到圖5的結(jié)果。打開游標(biāo)測得x、y的數(shù)據(jù)是：當(dāng)電壓變化范圍是0．442～0．642V時(shí)，對應(yīng)的時(shí)間范圍是4ms。

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