电子技术实践环节选题的设计与实现

时间：2024-05-22

曹莉凌，杨琛，刘雨青，吴燕翔

(上海海洋大学工程学院，上海 201306)

0 引言

目前，部分高校的电子技术实践环节选题存在着“重数字、轻模拟”的不足，且题目长期未更换，学生自主思考的积极性及兴趣不高。因此，不断更新及慎重选择题目对提高学生探索精神和设计能力，提高教学质量有着重要意义［1-3］。

随着电子技术的快速发展，各种各样的新型器件逐渐应用到电子设计中，使得整个电路的设计向着小体积、高精度、高转换速度、高响应速度和高分辨率等方向发展。但大多数学生在刚学习完模拟及数字电子技术课程后，在初次面对较为复杂的电子系统的设计时，我们认为，最先进的器件、最优的设计方案不一定适合学生。为学生选择的设计方案应紧密联系课堂中所学的知识［4-6］，既不能让学生因复杂产生畏惧感，又要让学生有发挥空间，能感受到可行性带来的愉悦。因为设计方案优劣不是第一位的，重要的是锻炼学生设计过程中的逻辑思维，提高学生的设计成就感及积极性。

本文以室温检测电路的设计与实现为例，分析并阐述怎样的选题适合引入到实践教学中。

1 设计方案选择

温度作为日常生活与工业生产中最常见的一项信息，其检测与显示的电路多种多样，但其基本组成模块均如图1所示。其中，部分模块采用的是传统或优秀的设计方案，如表1所示，这些设计方案都不太适合用于我校的实践教学。

图1 温度检测显示电路基本组成

表1 部分温度检测电路方案选择

本文从学生课堂所学知识点出发，设计了图2所示的室温检测显示电路，它由三个模块组成:①温度采集;②压频转换;③温度测量及显示。其工作原理是:温度经过AD590传感器转换为电流信号后，经信号处理与放大得到一个与温度值成正比的电压信号，该电压信号经压频转换后得到一个与电压值成正比的具有固定频率的方波信号，然后在闸门信号的控制下通过BCD计数器测量该方波信号频率，间接地实现模数转换，最后通过计数值锁存和译码等电路将室温值显示在数码管上。该电路都由普通器件构成且价格便宜。电路涉及的知识点多且采用模拟电子技术和教学电子技术均衡，避免了“重模拟、轻数字”的不足(如表2所示)，对于电子技术初学者而言，易于训练并提高其基本设计能力。

图2 基于AD590的室温检测电路框图

表2 本文设计方案知识点归纳

2 设计方案的实现

按照图2电路框图，三个模块部分的具体设计思路如图3所示。

图3 基于AD590的室温检测电路具体设计

2.1 温度采集模块设计

基于AD590温度传感器，实现10℃ ～1 V，0.1 V/℃的线性转换。

AD590是一款电流型温度传感器，其工作原理为:环境温度0℃下AD590输出273 μA电流，温度每上升1℃，其输出增加1 μA。该电流经过10 kΩ的取样电阻可实现0.01 V/℃的线性转换。基于Multisim仿真软件设计的电路如图4所示［11］。(a)框为替代电流型温度传感器AD590的电路部分(由于Multisim不支持AD590)。(b)框中电路产生稳定输出2.73 V。10倍放大减法电路如(c)所示。由图中10℃仿真结果知，该设计实现了10℃ ～1 V，0.1 V/℃的线性转换。

2.2 压频转换模块的设计

设计压频转换电路以实现1 V～100 Hz(10 ms)、0.01 V/Hz的线性转换。

压频转换电路由差分积分电路U1A及555单稳态触发电路构成，如图5所示，电路输出有两种状态一是输出高电平记为Uoh，二是低电平记为Uol，电容两端电压记为 Ucx，Ui＜ Uoh。

图4 温度采集模块

初始状态:上电时，Utr=0 V，Uth=0 V，555 输出Uo=Uoh，C1、C4及 C2充电，适当选择电路参数，使Utr充电到＞1/3 VCC 时，Utr＜2/3 VCC，输出保持Uoh。当充电使得 Uth＞2/3 VCC时，Utr＞1/3 VCC，输出变为Uol。此时，C2迅速放电至0 V，C1、C4缓慢放电，输出保持Uol。

稳定状态:当放电使得Utr＜1/3 VCC时，由于Uth=0 V，输出变为 Uoh，此时 C1、C4从 Utr=1/3 VCC开始充电，C2从Uth=0V开始充电，输出保持Uoh，当充电使得Uth＞2/3 VCC 时，Utr＞1/3 VCC，输出变为Uol，此时，C2迅速放电至0 V，即 Uth=0 V，C1、C4缓慢放电，输出保持 Uol，当放电使 Utr＜1/3 VCC时，由于Uth=0 V，输出变为Uoh。该稳定状态不断重复。

图5 压频转换模块

根据以上分析可知，进入稳定态后，设充电时间为t1，放电时间为t2，周期为T=t1+t2，由课堂教学内容知，t1=1.1 R2C2。

LM324构成的差分积分电路中，U+=U－，若R1=R4，C1=C4，令 τ1=R1C1=R4C4，则该差分电路充电时有

经过t1时间充电后，电压增量为

该电路放电时:Uc4(t1)为C4放电初始电压值，Q(tt1)为放电t－t1时间释放的电荷量。则有

差分积分电路Utr经过t2时间放电后，电压差值为

根据充放电升降压平衡ΔUtr(t1)=ΔUtr(t2)以及Uoh=5 V，Uol=0 V 得

因此，输出信号频率与输入电压成正比，实现了压频线性转换。根据设计要求，当输入电压为1 V时，T=10 ms，则可取 C2=10 μF，R2=182 Ω。对图5 进行仿真，经调节，R2=2 K ×9.82%=196.4 Ω，仿真结果如图6所示，数据显示电路设计正确，实现了压频线性转换，误差较小。

图6 压频转换模块仿真结果

2.3 温度测量显示模块设计

如图2所示，该模块中，利用BCD计数器测量压频转换模块输出信号的频率，锁存测量值并显示，测量精度为0.1℃。

以环境温度为10℃为例，温度采集和压频转换模块已经实现了10℃ ～1 V～100 Hz(0.01s)的线性转换，本模块测量该频率值(100 Hz/0.01s)，在数码管上显示10.0。根据该要求，本模块设计的BCD计数器为600进制，在闸门信号1 s的控制下对压频转换模块输出信号(例如100 Hz/0.01s)进行计数，并间隔6 s后重新启动计数过程，以实现温度数据的实时采集。该电路设计可参考课堂教学内容，故不在本文详述。其中，闸门信号利用555定时器设计周期为7 s，由占空比为1/7的多谐振荡器实现，输出图3中波形①，作为计数器使能端信号，将其通过非门取反后可产生图3中波形②，作为锁存芯片时钟信号，再将波形②取反后作为计数器清零端信号。通过以上时序控制，实现计数器控制时序如下:计数结束时锁存计数值，锁存计数值后清零计数器，等待6 s后进行下一次计数。这3个波形仅差别1或2个非门信号传输时间，不影响计数值。

本文对整体电路进行仿真，当Ui=2.32 V时，数码管显示24.0，误差较小。此外，本文还采用实验板验证的方式进行了硬件测试，结果正确，说明设计的电路可适用于电子技术实践教学。