温度测量与控制电路

实验目标

1. 学习温度测量与控制电路的设计方法

2. 学会搭建和调试由集成运放组成的温度测量与控制电路

设计过程

已知铂电阻R_t的电阻值随温度t（°C）变化的关系为

1.       电路图

总电路图如图1所示。

图1 温度测量和控制电路总电路图

1.       理论分析与计算

1)        惠斯通电桥测量温度导致的电阻变化

电桥臂R₁=R₂=R₃=100Ω，R_t由可变电阻P1表示。根据铂电阻的温度特性，当温度在85℃~100℃时，铂电阻的阻值在133.15Ω~139Ω，电位器调整系数wiper范围为0.66575~0.695。

图1中，电位器P1的系数为0.68，表明铂电阻阻值为136Ω，此时温度约为92.3℃，处于正常范围。

2)        差分放大器

电桥臂差分输出经缓冲器后送入差分放大器。差分放大器输出电压V_t代表了当前温度与0℃时的变化量，可作为温度测量的测试点。令差分放大器的放大倍数为K，且R₄=R₅、R₆=R₇：

当测量得到差分放大器的输出电压V_t，可以通过下面的公式，计算得到当前的温度T（℃）：

3)        一阶有源滤波

在放大后的信号中可能存在高频噪声和干扰，因此采用低通滤波电路去除这些不需要的信号成分，只保留与温度变化相关的低频信号，提高温度测量的准确性和稳定性。电路中 R₈= 10kΩ， C₁ = 1.5μF，截止频率为10Hz左右，以有效滤除高频噪声，保证温度信号的纯净。

4)        上限比较器和下限比较器

通过精密电阻分压网络从电源电压获取参考电压，并使用电位器进行微调。电源电压为 5V，要设置对应于 85°C 和 100°C 的参考电压，可根据前面计算出的电桥输出电压范围以及放大倍数，计算出在经过放大后的电压值，然后通过电阻分压公式确定分压电阻的阻值，使分压得到的电压与所需的参考电压匹配，并通过电位器进行精确调整，确保比较器能够准确地判断温度是否超出设定范围。T=85°C时，下限比较器的阈值电压：

T=100°C时，上限比较器的阈值电压：

3.       电路仿真

1)        正常温度范围（85℃~100℃）上下限对应的差分输出电压。仿真结果如图2、图3所示，与计算值基本吻合。

图2  85℃时对应的差分放大器输出电压V_t仿真结果

图3 100℃时对应的差分放大器输出电压V_t仿真结果

2)        通过10Ω精密电位器设置上、下限比较器阈值电压，结果如图4所示。

图4  通过10Ω精密电位器设置上、下限比较器阈值电压

3)        计算结果和仿真结果的对比如表1所示。

4)        根据测温点电压V_t的仿真值，获得的仿真测量温度与理论温度的比较如表2所示。

5)        设置当前温度为84℃、90℃、101℃时，上、下限比较器输出分别如图5、图6和图7所示。

图5  84℃时，下限比较器输出高电平，上限比较器输出低电平，驱动加热装置工作

图6  90℃时，下限比较器输出低电平，上限比较器输出低电平，制冷和加热装置不工作

图7  101℃时，下限比较器输出低电平，上限比较器输出高电平，制冷装置工作