苏州科技大学电子与信息工程学院
模拟电子技术
课程设计报告
课设名称温度上下限报警电路设计
学生姓名李南学号0931106128 班级通信0921
同组姓名王金菊贺伟杰吴杰
指导教师王俭
2011 年7 月
苏州科技大学电子与信息工程学院
模拟电子技术
课程设计报告
1．设计课题：
温度上下限报警电路设计
2．课程设计目的：
（1）巩固所学的相关理论知识；
（2）实践所掌握的电子制作技能；
（3）会运用EDA工具对所作出的理论设计进行模拟仿真测试,进一步完善理论设计
（4）通过查阅手册文献资料,熟悉常用电子器件的类型和特性,并掌握合理选用元器件的原则（5）掌握模拟电路的安装\测量与调试的基本技能,熟悉电子仪器的正确使用方法,能力分析实验中出现的正常或不正常现象(或数据)独立解决调试中所发生的问题
（6）学会撰写课程设计报告
（7）培养实事求是,严谨的工作态度和严肃的工作作风.
（8）完成一个实际的电子产品；进一步提高分析问题、解决问题的能力
3．系统知识介绍
(1) 随着现代信息化社会的发展，安全化程度的日益提高，无论是室内还是室外的工作器材都有其本身适应的工作温度，一旦发生故障，将导致整个系统的瘫痪，造成巨大的损失和社会影响。我们为了不使器材因温度的原因而损坏，必须做足温度报警的准备，防止带来不必要的负面影响。温度报警器在日常生活中有着极其重要意义。因此我们本次课程设计就是设计一个以不同灯亮报警的温度报警器。
温度上下限报警系统，当被测温度T达到或高于上限设定值时，一支红色发光二极管亮；当被测温度T达到或低于下限设定值时，另一支绿色发光二极管亮；若温度T处于上下限之间时，红绿灯均不亮。
（2）电路功能框图：
1.上下限控制电路:此部分电路用设置温度的上下限，通过调节R12来控制温度,此系统中的温度有R12来控制，R11是控制门限电路大小的。
2.放大电路/报警选择输出电路：
其放大电路主要控制三极管的，当输出为高时此时电压升高，说明电阻减小，即温度升高（到门限值时），红灯亮。当输出为低电压时，说明电阻增大，即温度降低（到门限时）绿灯亮。放大电路系统主要有LM358放大器和电阻构成。
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4．电路方案与系统、参数设计；
（1）电路系统设计：
首先了解本次实验设计的是温度报警器，通过查资料了解所用芯片的工作原理及其应用。然后根据课题需要，我们将总体电路图分成三大快，即温度控制电路、放大电路、选择输出电路。我们根据滑动变阻器（温度控制电路）来调节放大电路的输入电压，再根据放大电路的输出电压来控制选择输出电路。最终达到实验目的。
（3）元器件与参数设计：
比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。
图4(a)差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻。
输出电压Vout=(1+RF/R1)·R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB（RF/R1为放大器的增益）
若R1=R2，R3=RF，则Vout=RF/R1(VA-VB)
当R1=R2=0(R1、R2短路)，R3=RF=∞(R3、RF开路)，Vout=∞。增益无穷大，其电路图是图4(b) ，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。
实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。
2迟滞比较器
这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。
图
4 滞回比较器及其传输特性
正向过程的阈值为
形成电压传输特性的abcd段
负向过程的阈值为
形成电压传输特性上defa段。
两个阈值的差值ΔUTH=UTH1–UTH2称为回差。
由上分析可知，改变R2值可改变回差大小，调整UR可改变UTH1和UTH2，但不影响回差大小。如，迟滞比较器的传输特性和输入电压的波形如图6(a)、(b)所示，输出电压uo的波形，如图6(c)所示。从图(c)可见，ui在UTH1与UTH2之间变化，不会引起uo的跳变。但回差也导致了输出电压的滞后现象，使电平鉴别产生误差。
三极管的特性曲线
1、输入特性
（b)是三极管的输入特性曲线，它表示Ib随Ube的变化关系，其特点是：1）当Uce在0-2
伏范围内，曲线位置和形状与Uce有关，但当Uce高于2伏后，曲线Uce基本无关通常输入特性由两条曲线（Ⅰ和Ⅱ）表示。
2）当Ube＜UbeR时，Ib≈O称（0～UbeR)的区段为“死区”当Ube＞UbeR时，Ib随Ube增加而增加，放大时，三极管工作在较直线的区段。
3）三极管输入电阻，定义为: rbe=(△Ube/△Ib)Q点，估算：rbe=rb+(β+1)
rb为三极管的基区电阻，对低频小功率管，rb约为300欧。
2、输出特性
输出特性表示Ic随Uce的变化关系（以Ib为参数）从图（C）所示的输出特性可见，它分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。
截止区当Ube＜0时，则Ib≈0，发射区没有电子注入基区，但由于分子的热运动，集电集仍有小量电流通过，即Ic=Iceo称为穿透电流，常温时Iceo约为几微安，锗管约为几十微安至几百微安，它与集电极反向电流Icbo的关系是： Icbo=(1+β)Icbo
常温时硅管的Icbo小于1微安，锗管的Icbo约为10微安，对于锗管，温度每升高12℃，Icbo 数值增加一倍，而对于硅管温度每升高8℃， Icbo数值增大一倍，虽然硅管的Icbo随温度变化更剧烈，但由于锗管的Icbo值本身比硅管大，所以锗管仍然受温度影响较严重的管，放大区，当晶体三极管发射结处于正偏而集电结于反偏工作时，Ic随Ib近似作线性变化，放大区是三极管工作在放大状态的区域。
饱和区当发射结和集电结均处于正偏状态时，Ic基本上不随Ib而变化，失去了放大功能。根据三极管发射结和集电结偏置情况，可能判别其工作状态。
三极管的主要参数
1、直流参数
（1）集电极一基极反向饱和电流Icbo，发射极开路（Ie=0)时，基极和集电极之间加上规定的反向电压Vcb时的集电极反向电流，它只与温度有关，在一定温度下是个常数，所以称为集电极一基极的反向饱和电流。良好的三极管，Icbo很小，小功率锗管的Icbo约为1～10微安，大功率锗管的Icbo可达数毫安培，而硅管的Icbo则非常小，是毫微安级。
（2）集电极一发射极反向电流Iceo(穿透电流）基极开路（Ib=0）时，集电极和发射极之间加上规定反向电压Vce时的集电极电流。 Iceo大约是Icbo的β倍即Iceo=(1+β)Icbo o Icbo 和Iceo受温度影响极大，它们是衡量管子热稳定性的重要参数，其值越小，性能越稳定，小功率锗管的Iceo比硅管大。
（3）发射极---基极反向电流Iebo集电极开路时，在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的电流，它实际上是发射结的反向饱和电流。
（4）直流电流放大系数β1（或hEF）这是指共发射接法，没有交流信号输入时，集电极输出的直流电流与基极输入的直流电流的比值，即：
β1=Ic/Ib
2、交流参数
（1）交流电流放大系数β（或hfe）这是指共发射极接法，集电极输出电流的变化量△Ic与基极输入电流的变化量△Ib之比，即：
β= △Ic/△Ib
一般电晶体的β大约在10-200之间，如果β太小，电流放大作用差，如果β太大，电流放大作用虽然大，但性能往往不稳定。
（2）共基极交流放大系数α（或hfb）这是指共基接法时，集电极输出电流的变化是△Ic与发射极电流的变化量△Ie之比，即：
α=△Ic/△Ie
因为△Ic＜△Ie，故α＜1。高频三极管的α＞0.90就可以使用
α与β之间的关系：
α= β/（1+β）
β= α/（1-α）≈1/（1-α）
（3）截止频率fβ、fα当β下降到低频时0.707倍的频率，就什发射极的截止频率fβ；当α下降到低频时的0.707倍的频率，就什基极的截止频率fαo fβ、 fα是表明管子频率特性的重要参数，它们之间的关系为：
fβ≈（1-α）fα
（4）特征频率fT因为频率f上升时，β就下降，当β下降到1时，对应的fT是全面地反映电晶体的高频放大性能的重要参数。
3、极限参数
（1）集电极最大允许电流ICM当集电极电流Ic增加到某一数值，引起β值下降到额定值的2/3或1/2，这时的Ic值称为ICM。所以当Ic超过ICM时，虽然不致使管子损坏，但β值显著下
降，影响放大品质。
（2）集电极----基极击穿电压BVCBO当发射极开路时，集电结的反向击穿电压称为BVEBO。（3）发射极-----基极反向击穿电压BVEBO当集电极开路时，发射结的反向击穿电压称为BVEBO。
（4）集电极-----发射极击穿电压BVCEO当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，使用时如果Vce＞BVceo，管子就会被击穿。
（5）集电极最大允许耗散功率PCM集电流过Ic，温度要升高，管子因受热而引起参数的变化不超过允许值时的最大集电极耗散功率称为PCM。管子实际的耗散功率于集电极直流电压和电流的乘积，即Pc=Uce×Ic.使用时庆使Pc＜PCM。 PCM与散热条件有关，增加散热片可提高PCM。（4）电路图与器材清单表
运放器：LM358 1个；
三极管：2n6497、2n6491 各1个
电阻；220ＫΩ、4.7KΩ、2KΩ、100Ω各1个，22ＫΩ、2.2K、 470Ω各 2个；
可变电阻：10KΩ、1KΩ各1个;
红色发光二极管、绿色发光二极管各 1个；
（5）电路仿真：
电路仿真的软件:EDA
原理：如下面仿真图所示，热敏电阻的阻值会随着温度的增加而减小，随着温度的降低而增大。所以随着温度的改变负载电阻R3两端电压也会随着改变，从而进入运放的温度比较电压也发生变化。该设计中我们通过电位器来改变设定电阻R2的阻值从而改变运放一端输入电压的门限值，来设定我们所需要的温度检测范围。
当温度减小时，热敏电阻R1电阻值增大，进入运放U1A正端电压减小，当低到一定程度（20℃对应的门限）时，刚好使该运放U1A后面三极管1导通，从而点亮绿灯；当温度升高时，热敏电阻R电阻值减小，进入U1A负端的电压升高，当升高到一定程度（80℃对应的门限）时，刚好使该运放U1A后面三极管2导通，从而点亮红灯，当温度在20-80℃之间时，刚好两个三极管都不导通，红绿灯都不亮，表示正常范围。
电路图：
实际仿真效果：
在实际试验中，调节R12由小变大时，当R12为<20%（即为2KΩ），红绿灯均不亮；调节到20%，绿灯开始亮并持续，至30%时（即为3 KΩ），红灯开始亮并持续；调节R12由大变小时，当R12>20%时，红灯一直亮，调至20%，绿灯亮并持续，R12<15%时（即为1.5 KΩ），红绿灯均不亮。
5．设计总结
（1）李南：通过本次课程设计，我学到了很多。从刚开始电路的仿真设计到最终系统功能实现，我们不断改进电路，在改进中也学到了很多课本上没学过的实践中要用到的知识。比如说运放，在我们对课本的学习中只是知道怎么计算相关反馈，但实际中我们用到LM358，却刚好和理论计算的结果相反，经过查看资料发现运放后面有正负的分别，我们用的芯片工作是正常的，我们课本的理论也没有错，关键在于理论没有用在正确的芯片上。电路设计需要精益求精，
这是我们第一次设计电路原理图，然后将其应用到实践中，当然还有很多地方没有考虑完全，但是相信我们在以后的学习中会做的更好。在本次课程设计中，我学会很多书上没有的东西，更重要的是，我进一步学会如何和伙伴一起协作共同完成一件事情。这种感觉很美妙。我非常的珍惜这次课程设计的学习。
王金菊：本次课程设计中我们做的是双温度报警器。我们一组共四个人一起完成这个作业。在这次课程设计中，我负责的组要是软件面的。我们用的软件是EDA。我们在得到这个题目之后，就开始查找相关的资料。通过资料和我们自己的分析，我们确定啦原理图。然后根据原理图开始了仿真实验，在此之前我们对EDA软件的使用进行了了解，所以很快就用软件将原理图画了出来。唯一花费时间较多的是仿真的实现。起初，我们并没有达到我们预期的效果。于是，我们就寻找原因。通过计算，我们找到了问题所在，我们取得电阻值不太合适。最后经过一次次的修改和分析，我们终于仿真成功了。一种成就感充斥着我的内心。
贺伟杰：本次课程设计中我主要做的是硬件调试这块。硬件调试确实需要非常认真，系统不能很好的工作时，要能准确发现电路中的问题。当出现问题时，测量每一点的电压是一种很好的方法。这次实践中，开始时低温灯不亮，我们测量了LM358温度下限那一路运放的输入与输出电压值，然后经过理论分析发现是电位器分压太大，慢慢调小其电阻值后，终于能正常工作了。另外器件的串并联也容易连接错误，看电路一定要认真对待。养成一个良好的习惯，以后会避免很多麻烦。
吴杰：本次实验开始时主要是对实验原理的掌握和器件的选取，这使我对热敏电阻以及放大器的作用有了一定程度的了解。这此次实验的连接电路过程中我也明白了理论和实际之间还是有一定误差的，并且在实验过程中由于实验器件中没有我们需要的电阻，我们就用滑动变阻器代替，在调节滑动变阻器时特别麻烦，不过最后在大家的共同努力下实验终于成功啦。
（2）知识与技能应用情况：
模拟电子技术作为一门很强的学科，其发展直接影响人们的生活、工厂的生产，甚至国防、军事、通信等许多方面。上下限温度报警器作为一种报警器，在工程设计、工业生产中得到了广泛的应用和发展，我相信随着模拟电子的应用于发展，上下限温度报警器讲愈来愈朝着精度高、灵敏度高、实用性光等方面得到发展的。我们知道温度是一个非常重要的物理量，对它的测量与控制有着十分重要的意义。随着现代工业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们迫切需要检测与控制温度。
温度控制器在工农业生产中有着广泛的应用。日常生活中可以见到电冰箱的自动制冷、空调器的自动控制等。利用热敏电阻器和二极管集成电路制作一个温度报警器，在生活中起着极其重要的作用
进度与时间:
2011年7月2日我们拿到电路图作业内容，然后开始调试电路图，电路在调试的过程中，出现了很多问题，然后我们开始查资料，计算电阻，就这样忙忙碌碌两天，到7月4日，我们去教室，将我们的仿真实验讲给老师听，在讲解的过程中我们认真的听老师的分析，发现其实我们的图还是存在很多问题的，然后下午我们又开始忙着修改，为7月7日的连接电路准备，同时我们也开始写实验报告， 7月7 日我们进行最后的连接电路，实验结束。
6．主要参考文献
（1）康华光主编，《模拟电子技术基础》，北京，高等教育出版社，2005年
（2）王远主编，《模拟电子技术》，北京，机械工业出版社，1994年
（3）董玉冰主编，《multisim9在电子技术中的运用》，北京，清华大学出版社，2008年
苏州科技大学电子与信息工程学院
模拟电子技术课程设计
实验报告
设计实验名称：上下限温度报警器
班级通信0921/0922 学号0931106128/127/224/225 姓名李南
实验日期2011 年7 月7 日
一、设计实验目的
培养综合运用理论知识,联系实际要求作出独立设计,并进行安装调试实验的实际工作能力和解决问题的能力根据所学内容设计电路，要求当被测温度达到或高于上限设定值时，一支红色发光二极管亮；当被测温度达到或低于下限设定值时，另一支绿色发光二极管亮。这次实验要求使学生能独立设计出比较复杂的实用电子线路，并通过电子线路的设计、安装和调试，初步掌握电子线路单元电路的分析与设计方法。巩固所学理论，提高动手能力、创新能力和综合设计能力。为今后工作奠定坚实的基础。
………………………………………………………………………………….. 二、实验中的仪器设备
运放器：LM358 1个；
三极管：2n6497、2n6491 各1个
电阻；220ＫΩ、4.7KΩ、2KΩ、100Ω各1个，22ＫΩ、2.2K、470Ω各2个；
可变电阻：10KΩ、1KΩ各1个;
红色发光二极管、绿色发光二极管各1个；
三、实验所用电路
四、实验结果
经过改进，实验的结果与理论的结果相差不大，当温度升高到达先前设定的门限值时，红灯亮，当温度降低，小于等于低温门限值时，绿灯亮，而温度在上限与下限之间时，亮灯都不亮。这表明实验正确的运行了。即在实际试验中，调节R12由小变大时，当R12为<35%时，红绿灯均不亮；调节到35%，绿灯开始亮并持续，至55%时，红灯开始亮并持续。调节R12由大变小时，当R12>45%时，红灯一直亮，调至45%，绿灯亮并持续，R12<25%时，红绿灯均不亮。
五、讨论
1、实验中发生的问题
这次实践中，开始时低温灯不亮，我们测量了LM358温度下限那一路运放的输入与输出电压值，然后经过理论分析发现是电位器分压太大，慢慢调小其电阻值后，终于能正常工作了。另外器件的串并联也容易连接错误，在接线时没注意就接反了，后来经过检查才发现病症所在。
2、建议或其它
根据这个电路图我们可以达到老师的要求，但是我感觉如果这个电路能发出声音更好，所以我建议两个LED灯各串联一个蜂鸣器。