运算放大器构成的温度控制器的设计与研究

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1、运算放大器构成的温度控制器的设计与研究一、实验目的1．设计由运算放大器构成的温度控制器，并在实验箱上实现。掌握该系统的测试及调试方法。2．初步形成闭环控制系统的概念，了解系统的主要特点。二、实验设备1．DS-型电子技术设计性实验箱；2．数字式万用表；3．MF-30型万用表；4．数字式温度计；三、设计任务和要求任务：设计一个温度控制系统，使控制对象温度基本恒定。要求：采用三个运算放大器组成的测量放大电路，一个运算放大器构成的控制电路，一个晶体管构成的驱动电路和由热敏电阻感受温度组成一个闭环控制系统。四、提示设计思路图5-1温度控制系统方框图图5-1是构成一个温度控制系统的原理方

2、框图，设计时可以分块考虑各部分电路，然后画出温度控制系统完整的电路原理图。简要说明1．控制对象与测温元件：实验箱中有一个有机玻璃制成的圆柱形小室（φ40×40mm），即模拟的控制对象——恒温室（控制室内温度可以设为某一给定值）。恒温室内有一个小灯泡，模拟电加热器。室内还有一个热敏电阻Rt，用来测定室内的温度。Rt是一个具有负温度特性的电阻元件，略有非线性特征，其特性见图5-2。观察曲线后请回答以下问题：当恒温室温度升高时，Rt阻值如何变化。1．温度测量电路：这是一个典型的电桥电路。Rt为电桥的一个臂，其余三个桥臂为固定电阻。由于Rt值随温度变化，所以B、A两点之间的电压UBA

3、间接反映出恒温室内温度的变化。这样电桥就将非电量温度转化为电量了，从而构成温度传感器—温度测量电路，见图5-3。按图5-3，利用电路原理推导出UBA的计算表达式：UBA=。再将已知数据代入表达式（其中RW1及Rt暂为未知数）。设恒温室设定控制温度为30℃（冬天实验时可设为25℃），从图5-2中可查出Rt值。R3是由RW1及R3＇组合而成。RW1称为温度设定电位器。若调整RW1使R3为不同数值，试计算UBA之值，并填入表5-1中。图5-2热敏电阻特性图5-3温度测量电路表5-1计算UBA的值恒温室温度t（℃）25℃30℃Rt值（Ω）R3值（Ω）950RW1=3801000RW1

4、=430850RW1=280900RW1=330UBA（mv）根据表5-1的工作情况，作如下分析：当恒温室温度t变化时说明UBA的变化过程与趋势。即t↑→Rt→VA→UBAt↓→Rt→VA→UBAUBA是一个直流小信号，必须加以放大才能应用。我们再来分析RW1（温度设定电位器）如何起作用。由于恒温器要跟据用户的不同需求设定不同的工作温度，RW1即完成此作用。那么，RW1的变化趋势又如何影响设定温度呢？可作出分析：设Rt固定，当RW1↑时→UBA。若想保持UBA不变，根据上边推出的电桥计算公式只有使Rt↑（即意味温度应降低才行）。由此得出结论：当RW1↑时，设定的温度t会；当R

5、W1↓时，设定的温度t会。1．由运算放大器构成的测量放大电路的设计与计算：简单的差动放大电路只有在电阻严格匹配的条件下，才有好的工作效果。但该类放大器输入电阻低，放大倍数任意调节有困难。所以要求较高的场合，可采用三运放组成的测量放大电路，其电路图如图5-4所示。电路有两级放大，第一级由A1及A2组成，均为同相输入；第二级由A3组成，因此为差动放大电路。图5-4测量放大器原理图R4由R4′与RW2组合而成，适当调节RW2会使R4的上半部与下半部的阻值相等，这样R4的中点相当于“地”电位。又由于R5=R6，于是可以认为A1、A2是两个独立的同相输入放大器。可分别写出UO1与Ui1

6、、UO2与Ui2的表达式。UO1=Ui1UO2=Ui2由此可得第一级的电压放大倍数Auf1==（Ui2–Ui1=UBA）对第二级而言，由于R7=R8、R9=R10，所以Auf2==最后得出总电压放大倍数表达式为：Auf=Auf1·Auf2=将相关数据引入公式，得出Auf=；其中R4′、RW2、R5、R6分别为。调RW2，当RW2=0时，Auf=。当RW2=1kΩ时，Auf=。这就是测量放大器放大量的变化范围。试问：当UBA>0时，UC是否会出现负值？。2．控制电路的设计与计算：控制电路可以根据恒温室温度的情况决定加热器该通电还是断电，因此具有逻辑功能。A4构成一个滞回比较器电

7、路。A4的输出只有高、低电位两种状态。由于A4输出端接有双向稳压管DZ，就确定了A4输出高电位时UE≈+6V，低电位时UE≈─6V。图5-5为控制电路原理图，图中UR=4V，为参考电压。图5-5控制电路图图5-6计算UH（UL）的电路图1)计算上门限电压UH和下门限电压UL从图5-5中，根据“虚断”原理，可以将网络从电路中切出来，运用KVL定律或叠加原理参见图5-6写出UH（当Uz为+6V）及UL（Uz=–6V）的计算公式。UH表达式（请写出计算过程）UH==4.18VUL表达式（请写出计算过程）UL=