桂靜宜

(黃石理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北黃石435003)

0 引言

借助EDA技術(shù)設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品已成為工程技術(shù)人員的首選方案。Multisim以其界面友好、功能強(qiáng)大和易用性受到工程技術(shù)人員的青睞。Multisim10相對(duì)于早期版本，更適合于模擬電子電路、數(shù)字電子電路、模擬數(shù)字混合電路、射頻電路、繼電控制和PLC控制電路的仿真與設(shè)計(jì)，尤其對(duì)于復(fù)雜電路系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。多通道溫度檢測(cè)系統(tǒng)屬于多路模擬量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在工業(yè)自動(dòng)化控制等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。實(shí)現(xiàn)多通道溫度檢測(cè)的方案有多種，本文選用數(shù)字電路構(gòu)成控制器在Multisim環(huán)境中組成多通道溫度檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 任務(wù)設(shè)計(jì)［1］

設(shè)計(jì)一個(gè)4路溫度循環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)。溫度傳感器的輸出電壓范圍為0～400 mV，對(duì)應(yīng)的溫度范圍是0℃ ～80℃;系統(tǒng)具有溫度報(bào)警功能，能手動(dòng)設(shè)定報(bào)警溫度，當(dāng)測(cè)量的溫度超過(guò)某個(gè)設(shè)定值時(shí)，能給出報(bào)警提示;能用數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度值、被測(cè)溫度值和被測(cè)通道號(hào);檢測(cè)精度不低于1%。

1.2 任務(wù)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)應(yīng)包括多路輸入、信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換、報(bào)警設(shè)定、數(shù)值比較、控制電路、編碼電路、數(shù)碼顯示電路、超限報(bào)警等部分組成。4通道溫度檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 4通道溫度檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖

在圖1所示的4通道溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)傳感器檢測(cè)的溫度信號(hào)，由多路模擬開(kāi)關(guān)選通其中的一路送入信號(hào)放大電路，放大電路的輸出經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字量，該數(shù)字量可通過(guò)數(shù)碼管顯示被測(cè)溫度值?？刂齐娐钒匆欢ǖ念l率輪流選通多路開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)多路溫度信號(hào)的循環(huán)檢測(cè)。編碼電路對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行編碼，編碼輸出經(jīng)數(shù)碼管可顯示當(dāng)前的檢測(cè)通道。數(shù)值比較電路將報(bào)警設(shè)定值和當(dāng)前的溫度值進(jìn)行比較，產(chǎn)生溫度超限報(bào)警。

1.3 設(shè)計(jì)步驟

1.3.1 單元電路設(shè)計(jì)

(1)多路輸入

多路輸入電路由計(jì)數(shù)器和模擬多路開(kāi)關(guān)構(gòu)成，如圖2所示。由74LS161N和74LS00D構(gòu)成四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的輸出QBQA接模擬開(kāi)關(guān)的地址碼的輸入端A1A0。當(dāng)A1A0分別為00—11時(shí)，模擬多路開(kāi)關(guān)依次選通CH0—CH3四路輸入信號(hào)中的一路。多路輸入電路的封裝模塊X1，其輸入引腳CH0—CH3接溫度傳感器輸出信號(hào)，CLOCK外接時(shí)鐘脈沖，其輸出OUT接信號(hào)放大電路的輸入端VIN，QCQBQA為接通道顯示數(shù)碼管。

(2)信號(hào)放大

信號(hào)放大電路用來(lái)對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，如圖3所示。信號(hào)放大電路選用集成運(yùn)放OP07，集成運(yùn)放OP07為低溫漂高精度放大器。整個(gè)放大電路分兩級(jí)，第一級(jí)由電阻R1和R2等構(gòu)成反相比例放大電路，放大倍數(shù)Au1=－5;第二級(jí)由電阻R4和R5等構(gòu)成反向器，放大倍數(shù)Au2=－1;這樣信號(hào)經(jīng)兩級(jí)放大電路以后，輸出和輸入同相，放大倍數(shù)Au=5。信號(hào)放大電路的封裝模塊X2，其輸入引腳VIN接多路輸入電路的輸出引腳OUT，輸出引腳VOUT接A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入Vin，VREF接A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入 Vref－。放大電路的輸出范圍在A/D轉(zhuǎn)換要求的范圍內(nèi)。

圖2 溫度檢測(cè)系統(tǒng)的多路輸入電路

圖3 信號(hào)放大電路

(3)A/D 轉(zhuǎn)換電路［2］

Multisim環(huán)境中，A/D轉(zhuǎn)換器件為虛擬器件，其引腳排列如圖4所示。Vin為模擬電壓輸入端子，將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為8位的數(shù)字量輸出D7—D0;Vref+為參考電壓“+”輸入端子(直流參考電源的電壓)，Vref－為參考電壓“－”端(通常接地)。Vref+的大小按量化精度而定，若Vref取5 V，由于是8位量化，與輸入信號(hào)UI對(duì)應(yīng)的量化離散電平為:UI×256/Ufs，Ufs=Vref+－Vref－。SOC是啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，它由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)始，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 us，轉(zhuǎn)換期間EOC為低電平。EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位，高電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束;OE為輸出允許端子，可與EOC接在一起。ADC轉(zhuǎn)換電路的關(guān)鍵是輸入信號(hào)的負(fù)極性要同參考電壓 Vref－連在一起。

(4)報(bào)警設(shè)定

報(bào)警設(shè)定電路由計(jì)數(shù)器和數(shù)值比較器構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)被測(cè)溫度的超限報(bào)警，如圖5所示。兩片74LS160N組成2位計(jì)數(shù)器，設(shè)定報(bào)警值時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)產(chǎn)生需要的報(bào)警值。兩片74LS85N級(jí)聯(lián)組成8位二進(jìn)制數(shù)值比較器［3］，數(shù)值比較器將A/D轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)字量和設(shè)定的報(bào)警值進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)測(cè)溫度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警輸出。報(bào)警設(shè)定電路的封裝模塊X3，其輸入引腳B7—B0接A/D轉(zhuǎn)換輸出，IN接脈沖設(shè)定開(kāi)關(guān) J2，SETH、SETL接選擇開(kāi)關(guān) J1，其輸出 A7—A0接設(shè)定溫度數(shù)碼管，Y0接報(bào)警信號(hào)燈X1。

圖4 ADC的引腳排列圖

1.3.2 總體電路設(shè)計(jì)和仿真分析

(1)總體電路設(shè)計(jì)

4通道溫度檢測(cè)系統(tǒng)的總體電路設(shè)計(jì)是將單元電路的封裝模塊，包括多路輸入電路、信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和報(bào)警設(shè)定電路等連接在一起，外接輸出數(shù)碼管和報(bào)警指示燈、輸入信號(hào)源及設(shè)定開(kāi)關(guān)，總體電路如圖6所示。

圖5 報(bào)警設(shè)定電路

圖6 4通道溫度檢測(cè)系統(tǒng)總體電路

在圖6所示的電路中，4路溫度信號(hào)用交流信號(hào)源V4、V5、V6、V7來(lái)表示。從左到右，3組數(shù)碼管分別顯示設(shè)定溫度、實(shí)測(cè)溫度和采集通道號(hào)。信號(hào)燈X1用來(lái)顯示溫度超限報(bào)警信號(hào)。

(2)仿真分析

單擊運(yùn)行按鈕，可觀測(cè)仿真結(jié)果。溫度循環(huán)檢測(cè)由多路輸入電路循環(huán)選擇4路模擬信號(hào)(CH0—CH3)，模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大后，送入ADC，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并由數(shù)碼管顯示實(shí)測(cè)溫度。本處實(shí)測(cè)溫度為“61”，通道指示數(shù)碼管顯示當(dāng)前采集的通道號(hào)(本處顯示“2”，表示當(dāng)前采集的信號(hào)為通道2)。通過(guò)開(kāi)關(guān)J1和J2(按鍵A和B鍵)設(shè)定報(bào)警溫度值(本處為“60”)，當(dāng)實(shí)測(cè)溫度(本處為“61”)超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，產(chǎn)生超限報(bào)警，信號(hào)燈 X1亮。當(dāng)實(shí)測(cè)溫度未超過(guò)報(bào)警值時(shí)，報(bào)警信號(hào)燈X1不亮。

2 結(jié)論

本系統(tǒng)為4通道溫度檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)擴(kuò)展可實(shí)現(xiàn)更多通道溫度循環(huán)檢測(cè)系統(tǒng);對(duì)于其它的模擬量檢測(cè)系統(tǒng)，也可應(yīng)用該電路。即本系統(tǒng)可應(yīng)用于一般的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定、溫度循環(huán)檢測(cè)、溫度超限報(bào)警等功能，選用的8位ADC可滿足設(shè)計(jì)精度的要求(檢測(cè)精度不低于1%)。當(dāng)然，Multisim中的設(shè)計(jì)分析與實(shí)際電路相比還存在著差異，實(shí)際電路還必須增加譯碼顯示電路，將十六進(jìn)制溫度值顯示為十進(jìn)制，但也體現(xiàn)了其簡(jiǎn)潔、高效的特點(diǎn)。

［1］叢宏壽，程衛(wèi)群，李紹銘.Multisim8仿真與應(yīng)用實(shí)例開(kāi)發(fā)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.7.

［2］聶典.Multisim9計(jì)算機(jī)仿真在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.6.

［3］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分［M］.第4版.北京:高等教育出版社，2000.

［4］汪亮.淺談EWB仿真與數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2008，21(6):4 －8.