实验题目：基于二极管温度特性的测温电路设计

1. 课程简要信息

课程名称:模拟电子技术实验
课程学时:16 学时
适用专业:检测技术与仪器、自动化、电子信息工程等电类专业
学生年级:二年级

2. 实验内容与任务（限 500 字）

利用二极管、运算放大器等常用模拟器件，设计并制作一个温度测量电路。使用普通二极管作为测量元件，利用二极管灵敏的温度特性，要求能自动测量温度，并以适当的方式显示出来。

基本部分（60 分）：

1、研究二极管的温度特性，以普通二极管为传感器，根据给定的温度测量范围$3 0 ^ { \circ } \mathrm { C } - 8 0 ^ { \circ } \mathrm { C }$ ，用万用表显示输出电压值，画出二极管的温度特性曲线。（20分）

2、根据所测二极管的温度特性曲线，设计一个放大电路，要求输出电压能随温度变化而变化。温度从 $3 0 \mathrm { { } ^ { \circ } C }$ 变化到 $8 0 ^ { \circ } \mathrm { C }$ 时，对应放大器输出电压为 1V 到 4V，列表给出温度与电压的关系曲线。（20分）

3、设计一个温度分档显示电路，低于 $3 0 \mathrm { { } ^ { \circ } C }$ 时可计入1档，在 $3 0 ^ { \circ } \mathrm { C } - 8 0 ^ { \circ } \mathrm { C }$ 的范围内为2档，高于 $8 0 ^ { \circ } \mathrm { C }$ 时可计入3档用，发光二极管显示对应温度的范围。（20分）

提高部分（40 分）：

1、设计并实现以数字方式显示温度档范围。（10 分）

2、设计并实现温度控制电路，在 $3 0 ^ { \circ } \mathrm { C } - 8 0 ^ { \circ } \mathrm { C }$ 范围内指定某温度，超过该温度时启动风扇降温，低于该温度时风扇停止工作，温度偏差不超过 $\pm 3$ 度。（10分）

3、设计并实现以数字方式显示温度，进一步提高测量精度，要求测量精度不低于 $\pm 1 ^ { \circ } C$ ，可以使用单片机进行处理，通过数码管显示。（20分）

创新部分：

在完整的完成基础部分要求后，实现其他有意义功能，可获得最多 10 分的附加分。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

本实验包括设计制作、撰写报告、答辩三个环节。

设计制作环节：根据所提出的任务、要求，用若干单元电路组成一个整体，来实现各项功能，满足设计题目提出的要求和技术指标。学生以小组为单位针对设计任务，查阅有关资料，提出可行方案，进行仿真验证，制作调试等环节。此项成绩占$5 0 %$ 。

撰写报告环节：要求撰写规范的技术文档。文档结构合理，层次清楚，重点突出，文字简练、通顺，绘图完整规范。此项成绩占 $3 0 %$ 。

答辩环节：制作 PPT 并汇报项目理论、方法、过程与完成情况，老师和其余同学对小组的每个同学从设计方案、结果分析和团队分工等方面提出问题，进行答辩。此项成绩占 $2 0 %$ 。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

本实验以模拟电子技术为主要方法，来解决生活和工程中温度测量与控制的典型案例。本实验需要运用基本器件的测量、信号放大、信号比较、数据显示、模数信号转换、参数设定、反馈控制等相关知识与方法，并涉及到电子工艺、误差分析、技术文档书写等工程概念与方法。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

本实验根据学校与学生水平，甄选的难度合适的实验项目，面向实际问题，加深学生对基本理论的理解，引导学生根据需要设计电路，构建测试环境与条件，并通过测试对项目作出技术评价，培养学生的基本实验技能和基本工程实践能力。

6. 教学设计与引导

本实验是一个完整的工程项目，学生需要经过需求分析、方案论证、系统设计、安装调试、测试评价、设计总结等过程。在实验教学设计中，从以下几个方面来完成：

1、课前准备

本实验题目应在模拟电子技术理论课讲授完相关知识点时布置；学生已经完成了一定的模拟电子技术基础实验，掌握基本实验方法。至少给学生 1 周时间做知识整理和查阅资料。

2、课堂知识讲解

教师讲解电子电路的基本设计方法和设计流程，以一个实际设计项目为例，讲解需求分析、方案论证、系统设计、调试方法、测试评价、技术文档的撰写要求。介绍本次实验的设计任务，讲解功能和技术指标要求，明确评分标准和分段验收的时间节点。

3、实验指导

在实验过程中设定时间点，审阅设计方案，检查仿真设计结果，可增加实验的完成率；在制作调试过程中通过网络课程平台对学生进行答疑和指导。

4、实验任务要求设计

分层次提出问题，难度逐渐加深，引导学生从完成基本部分，到改进提升达到提高部分目标，甚至设计创新部分。

基本部分要求学生完成:

1）研究二极管的温度特性，掌握测量元器件特性曲线的方法。

2）根据所测量二极管的温度特性和输出电压要求，选择运算放大器，设计放大电路。注意放大电路的输入阻抗和增益；在仿真电路的基础上实现温度信号采集及放大电路。

3）设计电压比较器电路，将电压值分档，并驱动发光二极管显示。

4）构建一个简易的测试环境，以商用温度计为基准，在 $3 0 \mathrm { { ^ \circ C } }$ — $\mathrm { \Omega } \cdot 8 0 \mathrm { \Omega } ^ { \circ } \mathrm { C }$ 的范围内，测定测温电路的测量误差。

5）撰写设计总结报告，并通过答辩。

提高部分要求学生完成：

1）设计将温度信号转换为数字信号的方法，并将其以数字的形式显示出来。

2）设计反馈控制电路实现温度控制标定调整系统参数。

3）学习了解不同量程、精度要求下，测量温度的方法。

7. 实验原理及方案

1）实验的基本原理

在恒流供电条件下，PN 结的结电压对温度 T 的关系为正向压降近似随温度升高而线性下降，这就是 PN 结测温的主要原理。将二极管电压的微小变化，转化为指定范围的电压，这就是小信号放大的问题。对电压进行比较分档，又需要设计电压比较器。这些问题是模拟电子技术中的基本问题，通过这个案例将这些基本电路联系起来综合应用。

2）总体方案设计

分析实验的基本要求：第 1 条就要求测量二极管的正向压降近似随温度升高而线性下降的温度特性；第 2条根据所测量的二极管温度特性，设计合适的放大电路，使温度升高而电压随之升高；第3条要求设计温度分档的电路，在设计中就是电压比较、处理的电路。基本部分总体结构图为图 1 所示。

图1 温度测量电路基本部分的系统结构图

提高部分增加了数字显示、给定温度输入、控制执行机构启停的功能，使用单片机可以完成提高部分的全部功能，总体结构图为图 2 所示。

图2 温度测量电路基本部分的系统结构图

3）单元电路设计

每部分的单元电路都可以采用多种方案来完成，以信号放大单元的设计为例介绍。

a.经典的三运放仪表放大电路

图3 三运放仪表放大电路

分析：此电路有足够大的放大倍数，而且共模抑制比很高，常用于仪表电路中。但电路调节稍复杂。

b.电桥法

图 4 电桥法

分析：此电路的特点是简单，参数容易调节，因为电桥的用法，只放大差模信号，且容易实现高倍数放大。电路中 U3A作为电压跟随器，隔离了测量电路与放大电路，保证了通过二极管的电流变化不受放大电路的影响。

4）制作与测试

设计实验电路前，先要搭建一个简易的测试环境，选一种能容易改变和保持温度的媒介，构建一个温度变化较慢的测试条件，以温度计为基准，在 $3 0 ^ { \circ } \mathrm { C } - 8 0 ^ { \circ } \mathrm { C }$ 的范围内测量二极管的温度特性。这种媒介容易让人联想到水。制作过程中，就需要对二极管做一定的防水处理。

测量温度的二极管选用常用二极管如：1N4148，运放采用通用运放如：LM324，LM358。

电路规模不大，可采用万能板制作。

测试仪器为温度计和万用表。

8. 教学实施进程

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）需求分析
2）方案论证
3）单元电路设计与元件参数选择
4） 电路测试方法
5）实验数据记录与分析
6）实验结果总结
7）需要附实物照片和测试视频，做为资料保存。

10.考核要求与方法（限 300 字）

0）设置中期检查时间节点，主要目的是检查、督促学生更好地完成实验，不评判成绩。

1）实物验收：功能与性能指标的完成程度，根据任务要求逐项测量，占总成绩 $5 0 %$ 。

2）实验报告：实验报告的规范性与完整性，，占总成绩 $3 0 %$ 。

3）实验答辩：项目汇报与答辩情况，占总成绩 $2 0 %$ 。

4）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，在验收环节附加分，最多 10 分。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色在于：

1、温度测量在日常生活中和工程项目中比较常见，利用普通二极管作热敏元件的传感器是电子传感器中最便宜的一种，本实验的成本较低。

2、题目设置不追求高难度，以本校学生水平出发，使大多数同学都能完成基本部分，增加学生学习的兴趣和信心。

3、将模拟电子技术中的基本半导体器件特性、基本放大电路、运算放大、电压比较等多知识点综合运用，并拓展数字电子技术、单片机技术、自动控制等内容。

4、教学实施进程中，教学与实验一体的师资队伍使理论课与实验课紧密结合，保证实验教学顺利进行。

实验案例信息表