電子技術實踐環(huán)節(jié)選題的設計與實現(xiàn)

曹莉凌，楊 琛，劉雨青，吳燕翔

(上海海洋大學工程學院，上海 201306)

0 引言

目前，部分高校的電子技術實踐環(huán)節(jié)選題存在著“重數(shù)字、輕模擬”的不足，且題目長期未更換，學生自主思考的積極性及興趣不高。因此，不斷更新及慎重選擇題目對提高學生探索精神和設計能力，提高教學質量有著重要意義［1-3］。

隨著電子技術的快速發(fā)展，各種各樣的新型器件逐漸應用到電子設計中，使得整個電路的設計向著小體積、高精度、高轉換速度、高響應速度和高分辨率等方向發(fā)展。但大多數(shù)學生在剛學習完模擬及數(shù)字電子技術課程后，在初次面對較為復雜的電子系統(tǒng)的設計時，我們認為，最先進的器件、最優(yōu)的設計方案不一定適合學生。為學生選擇的設計方案應緊密聯(lián)系課堂中所學的知識［4-6］，既不能讓學生因復雜產(chǎn)生畏懼感，又要讓學生有發(fā)揮空間，能感受到可行性帶來的愉悅。因為設計方案優(yōu)劣不是第一位的，重要的是鍛煉學生設計過程中的邏輯思維，提高學生的設計成就感及積極性。

本文以室溫檢測電路的設計與實現(xiàn)為例，分析并闡述怎樣的選題適合引入到實踐教學中。

1 設計方案選擇

溫度作為日常生活與工業(yè)生產(chǎn)中最常見的一項信息，其檢測與顯示的電路多種多樣，但其基本組成模塊均如圖1所示。其中，部分模塊采用的是傳統(tǒng)或優(yōu)秀的設計方案，如表1所示，這些設計方案都不太適合用于我校的實踐教學。

圖1 溫度檢測顯示電路基本組成

表1 部分溫度檢測電路方案選擇

本文從學生課堂所學知識點出發(fā)，設計了圖2所示的室溫檢測顯示電路，它由三個模塊組成:①溫度采集;②壓頻轉換;③溫度測量及顯示。其工作原理是:溫度經(jīng)過AD590傳感器轉換為電流信號后，經(jīng)信號處理與放大得到一個與溫度值成正比的電壓信號，該電壓信號經(jīng)壓頻轉換后得到一個與電壓值成正比的具有固定頻率的方波信號，然后在閘門信號的控制下通過BCD計數(shù)器測量該方波信號頻率，間接地實現(xiàn)模數(shù)轉換，最后通過計數(shù)值鎖存和譯碼等電路將室溫值顯示在數(shù)碼管上。該電路都由普通器件構成且價格便宜。電路涉及的知識點多且采用模擬電子技術和教學電子技術均衡，避免了“重模擬、輕數(shù)字”的不足(如表2所示)，對于電子技術初學者而言，易于訓練并提高其基本設計能力。

圖2 基于AD590的室溫檢測電路框圖

表2 本文設計方案知識點歸納

2 設計方案的實現(xiàn)

按照圖2電路框圖，三個模塊部分的具體設計思路如圖3所示。

圖3 基于AD590的室溫檢測電路具體設計

2.1 溫度采集模塊設計

基于AD590溫度傳感器，實現(xiàn)10℃ ～1 V，0.1 V/℃的線性轉換。

AD590是一款電流型溫度傳感器，其工作原理為:環(huán)境溫度0℃下AD590輸出273 μA電流，溫度每上升1℃，其輸出增加1 μA。該電流經(jīng)過10 kΩ的取樣電阻可實現(xiàn)0.01 V/℃的線性轉換?；贛ultisim仿真軟件設計的電路如圖4所示［11］。(a)框為替代電流型溫度傳感器AD590的電路部分(由于Multisim不支持AD590)。(b)框中電路產(chǎn)生穩(wěn)定輸出2.73 V。10倍放大減法電路如(c)所示。由圖中10℃仿真結果知，該設計實現(xiàn)了10℃ ～1 V，0.1 V/℃的線性轉換。

2.2 壓頻轉換模塊的設計

設計壓頻轉換電路以實現(xiàn)1 V～100 Hz(10 ms)、0.01 V/Hz的線性轉換。

壓頻轉換電路由差分積分電路U1A及555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路構成，如圖5所示，電路輸出有兩種狀態(tài)一是輸出高電平記為Uoh，二是低電平記為Uol，電容兩端電壓記為 Ucx，Ui＜ Uoh。

圖4 溫度采集模塊

初始狀態(tài):上電時，Utr=0 V，Uth=0 V，555 輸出Uo=Uoh，C1、C4及 C2充電，適當選擇電路參數(shù)，使Utr充電到 ＞1/3 VCC 時，Utr＜2/3 VCC，輸出保持Uoh。當充電使得 Uth＞2/3 VCC時，Utr＞1/3 VCC，輸出變?yōu)閁ol。此時，C2迅速放電至0 V，C1、C4緩慢放電，輸出保持Uol。

穩(wěn)定狀態(tài):當放電使得Utr＜1/3 VCC時，由于Uth=0 V，輸出變?yōu)?Uoh，此時 C1、C4從 Utr=1/3 VCC開始充電，C2從Uth=0V開始充電，輸出保持Uoh，當充電使得Uth＞2/3 VCC 時，Utr＞1/3 VCC，輸出變?yōu)閁ol，此時，C2迅速放電至0 V，即 Uth=0 V，C1、C4緩慢放電，輸出保持 Uol，當放電使 Utr＜1/3 VCC時，由于Uth=0 V，輸出變?yōu)閁oh。該穩(wěn)定狀態(tài)不斷重復。

圖5 壓頻轉換模塊

根據(jù)以上分析可知，進入穩(wěn)定態(tài)后，設充電時間為t1，放電時間為t2，周期為T=t1+t2，由課堂教學內容知，t1=1.1 R2C2。

LM324構成的差分積分電路中，U+=U－，若R1=R4，C1=C4，令 τ1=R1C1=R4C4，則該差分電路充電時有

經(jīng)過t1時間充電后，電壓增量為

該電路放電時:Uc4(t1)為C4放電初始電壓值，Q(tt1)為放電t－t1時間釋放的電荷量。則有

差分積分電路Utr經(jīng)過t2時間放電后，電壓差值為

根據(jù)充放電升降壓平衡ΔUtr(t1)=ΔUtr(t2)以及Uoh=5 V，Uol=0 V 得

因此，輸出信號頻率與輸入電壓成正比，實現(xiàn)了壓頻線性轉換。根據(jù)設計要求，當輸入電壓為1 V時，T=10 ms，則可取 C2=10 μF，R2=182 Ω。對圖5 進行仿真，經(jīng)調節(jié)，R2=2 K ×9.82%=196.4 Ω，仿真結果如圖6所示，數(shù)據(jù)顯示電路設計正確，實現(xiàn)了壓頻線性轉換，誤差較小。

圖6 壓頻轉換模塊仿真結果

2.3 溫度測量顯示模塊設計

如圖2所示，該模塊中，利用BCD計數(shù)器測量壓頻轉換模塊輸出信號的頻率，鎖存測量值并顯示，測量精度為0.1℃。

以環(huán)境溫度為10℃為例，溫度采集和壓頻轉換模塊已經(jīng)實現(xiàn)了10℃ ～1 V～100 Hz(0.01s)的線性轉換，本模塊測量該頻率值(100 Hz/0.01s)，在數(shù)碼管上顯示10.0。根據(jù)該要求，本模塊設計的BCD計數(shù)器為600進制，在閘門信號1 s的控制下對壓頻轉換模塊輸出信號(例如100 Hz/0.01s)進行計數(shù)，并間隔6 s后重新啟動計數(shù)過程，以實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實時采集。該電路設計可參考課堂教學內容，故不在本文詳述。其中，閘門信號利用555定時器設計周期為7 s，由占空比為1/7的多諧振蕩器實現(xiàn)，輸出圖3中波形①，作為計數(shù)器使能端信號，將其通過非門取反后可產(chǎn)生圖3中波形②，作為鎖存芯片時鐘信號，再將波形②取反后作為計數(shù)器清零端信號。通過以上時序控制，實現(xiàn)計數(shù)器控制時序如下:計數(shù)結束時鎖存計數(shù)值，鎖存計數(shù)值后清零計數(shù)器，等待6 s后進行下一次計數(shù)。這3個波形僅差別1或2個非門信號傳輸時間，不影響計數(shù)值。

本文對整體電路進行仿真，當Ui=2.32 V時，數(shù)碼管顯示24.0，誤差較小。此外，本文還采用實驗板驗證的方式進行了硬件測試，結果正確，說明設計的電路可適用于電子技術實踐教學。

3 結語

本文緊密聯(lián)系課堂教學內容，基于Multisim仿真軟件設計并實現(xiàn)了一個室溫檢測顯示電路，分析了其設計過程中涉及到的各知識點，說明了怎樣的選題適合引入到教學中，有效解決了原有教學中實踐內容“重數(shù)字、輕模擬”等弊端。

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