0 引言

    借助EDA技術(shù)設(shè)計電子產(chǎn)品已成為工程技術(shù)人員的首選方案。Multisim以其界面友好、功能強大和易用性受到工程技術(shù)人員的青睞。Multisim10相對于早期版本，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，尤其對于復(fù)雜電路系統(tǒng)的分析和設(shè)計。多通道溫度檢測系統(tǒng)屬于多路模擬量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在工業(yè)自動化控制等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。實現(xiàn)多通道溫度檢測的方案有多種，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系統(tǒng)，并對設(shè)計電路進行仿真分析。

1 多通道溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計

    1.1 任務(wù)設(shè)計

    設(shè)計一個4路溫度循環(huán)檢測系統(tǒng)。溫度傳感器的輸出電壓范圍為0～400mV，對應(yīng)的溫度范圍是0℃～80℃；系統(tǒng)具有溫度報警功能，能手動設(shè)定報警溫度，當(dāng)測量的溫度超過某個設(shè)定值時，能給出報警提示；能用數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度值、被測溫度值和被測通道號；檢測精度不低于1%。

    1.2 任務(wù)分析

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

    圖1 4通道溫度檢測系統(tǒng)的原理框圖

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

    1.3 設(shè)計步驟

    1.3.1 單元電路設(shè)計

    (1)多路輸入

    多路輸入電路由計效器和模擬多路開關(guān)構(gòu)成，如圖2所示。由74LS161N和74LS00D構(gòu)成四進制計數(shù)器，計數(shù)器的輸出Q_BQ_A接模擬開關(guān)的地址碼的輸入端A₁A₀。當(dāng)A₁A₀分別為00—11時，模擬多路開關(guān)依次選通CH₀-CH₃四路輸入信號中的一路。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，CLOCK外接時鐘脈沖，其輸出OUT接信號放大電路的輸入端V_IN，Q_CQ_BQ_A為接通道顯示數(shù)碼管。

    圖2 溫度檢測系統(tǒng)的多路輸入電路

(2)信號放大

    信號放大電路用來對輸入的模擬信號進行放大，如圖3所示。信號放大電路選用集成運放OP07，集成運放OP07為低溫漂高精度放大器。整個放大電路分兩級，第一級由電阻R₁和R₂等構(gòu)成反相比例放大電路，放大倍數(shù)A_u1=-5；第二級由電阻R₄和R₅等構(gòu)成反向器，放大倍數(shù)A_u2=-1；這樣信號經(jīng)兩級放大電路以后，輸出和輸入同相，放大倍數(shù)A_u=5。信號放大電路的封裝模塊X₂，其輸入引腳V_IN接多路輸入電路的輸出引腳OUT，輸出引腳V_OUT接A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入U_in，V_REF接A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入V_ref-。放大電路的輸出范圍在A/D轉(zhuǎn)換要求的范圍內(nèi)。

    圖3 信號放大電路

    (3) A/D轉(zhuǎn)換電路

    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。V_in為模擬電壓輸入端子，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為8位的數(shù)字量輸出D₇-D₀；V_ref+為參考電壓“+”輸入端子（直流參考電源的電壓），V_ref-為參考電壓“-”端（通常接地）。V_ref+的大小按量化精度而定，若V_ref取5V，由于是8位量化，與輸入信號U_l對應(yīng)的量化離散電平為：U_l×256/U_fi，U_fi= V_ref+-V_ref-。SOC是啟動轉(zhuǎn)換信號，它由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，轉(zhuǎn)換開始，轉(zhuǎn)換時間為1us，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)鍵是輸入信號的負(fù)極性要同參考電壓V_ref-連在一起。

    圖4 ADC的引腳排列圖

    (4)報警設(shè)定

    報警設(shè)定電路由計數(shù)器和數(shù)值比較器構(gòu)成，能實現(xiàn)被測溫度的超限報警，如圖5所示。兩片74LS160N組成2位計數(shù)器，設(shè)定報警值時，通過開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號，計數(shù)器對脈沖信號計數(shù)產(chǎn)生需要的報警值。兩片74LS85N級聯(lián)組成8位二進制數(shù)值比較器，數(shù)值比較器將A/D轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)字量和設(shè)定的報警值迸行比較，當(dāng)實測溫度值超過設(shè)定值時，產(chǎn)生報警輸出。報警設(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)定開關(guān)J₂，SETH、SETL接選擇開關(guān)J₁，其輸出A7-A0接設(shè)定溫度數(shù)碼管，Y₀接報警信號燈X₁。

    圖5 報警設(shè)定電路

    1.3.2 總體電路設(shè)計和仿真分析

    (1)總體電路設(shè)計

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

    圖6 4通道溫度檢測系統(tǒng)總體電路

    在圖6所示的電路中，4路溫度信號用交流信號源V₄、V₅、V₆、V₇來表示。從左到右，3組數(shù)碼管分別顯示設(shè)定溫度、實測溫度和采集通道號。信號燈X₁用來顯示溫度超限報警信號。

    (2)仿真分析

    單擊運行按鈕，可觀測仿真結(jié)果。溫度循環(huán)檢測由多路輸入電路循環(huán)選擇4路模擬信號(CH0-CH3)，模擬信號經(jīng)信號放大后，送入ADC，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并由數(shù)碼管顯示實測溫度。本處實測溫度為“61”，通道指示數(shù)碼管顯示當(dāng)前采集的通道號（本處顯示“2”，表示當(dāng)前采集的信號為通道2）。通過開關(guān)J1和J2（按鍵A和B鍵）設(shè)定報警溫度值（本處為“60”），當(dāng)實測溫度（本處為“61”）超過報警設(shè)定值時，產(chǎn)生超限報警，信號燈X₁亮。當(dāng)實測溫度未超過報警值時，報警信號燈X₁不亮。

2 結(jié)論

    本系統(tǒng)為4通道溫度檢測系統(tǒng)，經(jīng)擴展可實現(xiàn)更多通道溫度循環(huán)檢測系統(tǒng)；對于其它的模擬量檢測系統(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)能實現(xiàn)溫度設(shè)定、溫度循環(huán)檢測、溫度超限報警等功能，選用的8位ADC可滿足設(shè)計精度的要求（檢測精度不低于1%）。當(dāng)然，Multisim中的設(shè)計分析與實際電路相比還存在著差異，實際電路還必須增加譯碼顯示電路，將十六進制溫度值顯示為十進制，但也體現(xiàn)了其簡潔、高效的特點。