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(4040mm ) ,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 。2 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 UB
3、A 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:U BA= 。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。R 3 是由 RW1 及 R3组合而成。R W1 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
4、 30Rt 值( )R3 值( ) 950 RW1=3801000 RW1=430850 RW1=280900 RW1=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 V A U BA t Rt V A U BA UBA 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,R W1 即完成此作用。那么,R W1 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
5、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 RW1时,设定的温度 t 会 。3 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
6、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、A 2 是两个独立的同相输入放大器。可分别写出 UO1 与 Ui1、U O2 与 Ui2的表达式。UO1 = Ui1UO2 = Ui2由此可得第一级的电压放大倍数Auf1= = 21iiO(U i2 Ui1 =UBA )对第二级而言,由于 R7 = R8、R 9 = R10,所以Auf2 = = 12Oc最后得出总电压放大倍数表达式为:Auf =Auf1Auf2 = 将相关数据引入公式,得出 Auf = ;其中 R4、R W2 、R 5、R 6 分别为 。调 RW2 ,当 RW2 = 0 时,Auf = 。当
7、RW2= 1k 时,Auf = 。这就是测量放大器放大量的变化范围。试问:当 UBA 0 时,U C 是否会出现负值? 。4 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(U L)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
8、,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= =3.09V根据 UH 和 UL 计算值,在图 5-7 上画出滞回比较器的传输特性曲线,并了解其物理意义。图 5-7 传输特性曲线 图 5-8 系统工作过程 当 Uc4.18V 时,U E= ; 当 UC4.18V 时 UE= 。当 Uc 从 UH 回降时,U E 是否变化 ,当 UC 低到何值时 UE 才变化 。2) 从传输特性曲线分析本类控制系统的特点前边说过,控
9、制电路决定加热器通电还是断电。即 UE= +6V 时,加热器通电;UE= 6V 时,加热器断电。从传输特性可以看出,U HUL 之间有一个死区,即此区间内温度无论如何变化(即 UC 变化)加热器的状态是不变化的。该死区称为门限电压(或称回差电压)U 。U=U HUL=1.09V死区的存在,说明系统存在控制误差。若设定温度为 t ,误差为 t ,则 UH对应(t+t) 、U L 对应(t t) 。图 5-8 为系统的工作状况图,说明控制过程是一个振荡式控制过程,实际温度在 t t tt +t 的范围 。3) 寻求提高控制精度的方法提示:设法减少 U,从 U 的公式去分析。4) 提高控制灵敏度,也
10、可以提高控制精度提示:U BA= 若提高 Auf ,则 UBA 有较小的变化,即可引发系统动作。Aufc5 驱动电路的设计设计驱动电路,画出驱动电路图。驱动电路是一个处于开关状态的三极管电路。由于加热器功率较大,不能直接控制通断,而用三极管电路驱动一个继电器 J 的电磁线圈(即可将其当作三极管的集电极负载电阻) ,带动其触点动作(接通或断开加热器电路) ,达到控制加热器的目的。已知实验箱上的继电器 J 的工作电压为 12V,动作电压约为 8V。利用 12V 作为三极管的电源,当图 5-5 所示控制电路中 UE= +6V 时,要求三极管处于什么状态: ,继电器线圈得到的电压大约是多少: 加热器是
11、否通电 。当 UE= 6V 时,其结果如何 。继电器线圈两端应并联泄放二极管,注意其极性的正确连接。试用暂态过程原理说明二极管的作用。继电器线圈是一个电感性元件,如不接它会有什么后果?五、 预习报告1 设计温度控制系统:根据图 5-1 及各单元电路的分析,画出本系统完整的而且又合理的电路原理图。实验箱提供的运算放大器在位于“IC8”位置,型号为 LM324(集成四运放) ,可以用作 A1 到 A4,其管脚图见 附录八。总图应包括每一个单元电路,所需电阻每个运算放大器的管脚号应在图上标明,以方便接线时对应连线。2 阅读附录七,了解 DS 电子技术设计性实验箱面板功能和使用方法。六、 实验操作指导
12、为了检验你的设计成果,实验室提供了实验设备。实验过程中须知道的要点请对照附录七,简述如下:1 温度控制系统建议接线时,按各单元电路,从后向前进行。本系统插接线非常多,故一定要逐块进行调试,直至整个系统。温度测量电路中热敏电阻 Rt 在实验箱的右下角(T 端和 W 端之间) ,先用数字万用表测量不通电状态下热敏电阻阻值,Rt= 。(1) 温度测量放大及控制电路所采用的集成运算放大器(A 1A4)是 LM324,位于“IC8”位置,它没有调零电路。工作时要用12V 电源供电。(2) 晶体管驱动电路的电源为+12V 。实验箱中的 M1、H2 为加热器供电电源的输出端子,加热器回路接线如图 5-9 所
13、示。调试时可在驱动电路输入端加+5V 电压,则三极管导通,使继电器吸合,加热器通电(灯亮) ,说明驱动电路、继电器和加热器工作正常。图 5-9 加热器回路接线图 图 5-10 电桥接线图(2) 控制电路单元(A 4)接好后,测试其上门限电压 UH 和下门限电压 UL 值可用用实验箱之“直流信号源”的 5V +5V 档进行测试。先将信号源调到零端用数字万用表监测。然后将其输出与控制电路输入端连接,测定控制电路输出端 UE。增加信号源输出(即相当于 UC)当 UE 发生突变时,测取运放 A4 之 u+值,此值即为 UH;再反方向减小信号源输出,当 UE 又发生突变时再测取该点的值,即为 UL 之值
14、。将结果填入表 5-2,画出实际传输特性曲线。控制电路与驱动电路接好后,用“直流信号源”进行联调。当 UCUH 时,灯灭(停止加热) ;当 UCUL 时,灯亮(加热) 。符合以上规律的,说明这两部分电路工作正常。表 5-2 测试上门限电压 UH 和下门限电压 UL 值UH(V) UL(V)计 算 值实 测 值对应的 UE 值(3) 用 A1、A 2 、A 3 组成测量放大电路后,实测电压放大倍数用直流信号源与用直流信号源模拟 UBA。方法是使用信号源 0.5 +0.5 之输出。将直流信号源输出端接在 A1 之同相输入端 A;将直流信号源 接在 A2 之同相输入端 B。然后开启电源使 UBA=2
15、0mV。 (此时放大器电源不可接入)放大器提供12V 电源,测量 UC 之值。调节电位器 RW2 使 RW2=0,测取放大倍数 Auf= ;再使 RW2=1k,测取放大倍数 Auf= ;最后将第一级放大器调为 Auf1=3。(4) 然后按图 5-10 将热敏电阻接到测量电桥中。还要将电桥电源 US(2V)加上。调节设定电位器 RW1,观察 UBA 的变化。(5) 最后,将测量电路与放大电路接好。并将数字温度计的探头插入恒温室上方的孔内,以测量恒温室温度,此时若接线正确系统将正常工作。(6) 合上电源后,若加热灯亮则说明加热开始,观察温度计对恒温室内的温度指示值。若高于设定值灯还亮,则说明设定值
16、温度偏高,可适当调RW1(增还是减?)若灯不亮,则是温度设定低于室内温度,此时也应改变设定温度。若加热灯“灭”与“亮”间断进行,则说明系统正常工作,实验成功。用数字万用表监测 UBA 的变化。对系统进行全面测试。测试相关参数,填入表 5-4表 5-4 对系统进行全面测试的相关参数指示温度tUBA(mV)Uc(V) UL(V) UH( V) UE(V)加热灯亮加热灯灭(8) 改进系统性能的方法的研究。通过改变 RW1 值,改变温度设定值。提高放大器的 Auf 可以提高控温精度(即减小 t) 。具体方法是改变 RW2 使Auf=4,即总放大倍数 Auf=450=200 倍。七、 实验报告本实验完成后,每个实验参加者都要书写小论文一篇。主要内容包括:1 温控器基本工作原理的说明。2 重要电路的分析,计算过程(主要指放大器、控制器两个电路) 。3 该系统提高控制精度和改变设定温度的方法(除实验的方法外,再拟出其它方法从公式中去发现) 。4 本系统的优缺点的评价。除控温外,还可以控制什么物理量,如何实现。5 其它见解或建议。