运算放大器构成的温度闭环控制系统的研究

—、实验目的

设计并连接运算放大器构成的温度闭环控制系统，测量并调试该闭环控制系统，初步形成闭环控制的概念。

二、温度闭环控制系统的工作原理

图1所示为温度闭环控制系统框图，各部分工作原理简述如下：

（1）恒温室

恒温室有一个热敏电阻Rt和一个用于加热的小灯泡LD。热敏电阻Rt具有负温度系数，其额定阻值为1kW（常温时的电阻），特性曲线如图2所示。恒温室温度低时，Rt阻值变大，小灯泡LD应自动点亮，开始加热；恒温室温度高时，Rt阻值变小，小灯泡LD应自动熄灭，停止加热。

（2）温度测量电桥电路

温度测量电桥电路如图3所示，其中VA=5/(R01+R02+Rt)*Rt，VB=2.5V。若Rt<R01+R02，则VA<2.5V，所以VA<VB。实际电路中，通过调节R01或随温度的升高Rt的减小，总可以使Rt<R01+R0，因此总可以使VA<VB。若恒温室的设定温度较低，则Rt较大，这时应将R01调大；若恒温室的设定温度较高，则Rt较小，这时应将R01调小。所以通过调节R01，可以改变恒温室的设定温度。

（3）差分放大电路

 

（4）控制电路

控制电路如图5所示，控制电路实际是一个滞回电压比较器。

 

对于图5的滞回电压比较器，根据已给参数，经理论推导，可得V (+H) =5.09V，V (+L)=4V，所以滞回电压比较器的传输特性如图6所示。

（5）驱动电路

 驱动电路如图7所示，当uo2=6V时，驱动电路中的三极管T饱和导通，继电器KA 工作，其动合触点闭合，小灯泡LD被点亮，开始给恒温室加热。当uo2=-6V时，驱动电路中的三极管T截止，继电器KA 停止工作，其动合触点断开，小灯泡LD熄灭，恒温室停止加热。

 

三、实验内容

1．连接温度闭环控制系统实验电路

图8是温度闭环控制系统实验模块。预习实验时，先在该模块上用铅笔画出完成实验电路所需要的连接线（需要的电源均取自实验箱，画图时可在需要电源的位置标出电压值）。

图8

具体实验步骤可参考如下：

1）首先按照图7连接好驱动电路，并进行测试。连接好驱动电路后，输入信号uo2直接用+5V电压代替，输入信号为+5V时，三极管饱和导通，继电器开关闭合，小灯泡亮。说明驱动电路工作正常。

2）按照图5连接控制电路，并将其与已连接好的的驱动电路连接在一起，进行测试。建议控制电路需要的运放选用实验电路板上的A1。测试时，输入信号uo1取自实验箱的正负5V电源（在实验箱的左下角区域）。改变输入信号uo1，如果看到小灯泡点可以亮和熄灭，说明控制电路工作正常。

3）按照图3、图4分别接好温度测量桥电路和差分放大电路，然后按照图1所示，将所有电路都连接起来，即按顺序将温度测量桥电路、差分放大电路、控制电路和驱动电路串联起来。这样就组成了“运算放大器构成的温度闭环控制系统”，可以进行系统的调试和测量。

 

2．测量并调试温度闭环控制系统

适当调节R01（注意R01不能太大），观察电路的工作状态，根据电路工作原理调试电路使其达到恒温控制的结果，当系统正常循环工作后，按表1测量并记录实验数据。在调试过程中，可监测某个点电压的变化，这样便于调试，也可适当调节R01改变恒温室设定的温度，使恒温控制更容易实现。

 

四、注意事项

1．运放的正负12V电源电压不可接错，否则会烧坏运放集成块。

2．图7的驱动电路中，小灯泡LD的12V电源电压，可以直接取自实验箱，因为需要独立电源供电，所以要接0~-12V直流电源，注意先将电源输出电压调至-12V，然后再接入电路。小灯泡供电回路的电压一定不要超过12V，否则会烧坏小灯泡。

3．由于实验用导线较多（大约35根），所以实验前先将导线选择好。

4．注意“共地”。即将实验用到的所有电路的“地”和仪器的“地”都接在一起。

5．温度计无显示时，需要更换电池。

五、实验验收

温度闭环控制系统正常循环后，请指导老师现场验收，课后整理实验数据，回答有关问题，并递交实验报告。

实验报告

结合实验结果，回答问题：

1．通过调节R01即可改变温室的设定温度，为什么？R01减小时，温室的设定温度增大还是较小？

2．通过改变滞回电压比较器回差的大小即可改变恒温室的温度精度，为什么？为了提高温度精度，滞回电压比较器的回差应增大还是减小？

3．如何改变滞回电压比较器回差的大小？

4．如何缩短温室的加热时间？

---

参考数据：

参考接线图：

PS：本次为最后一个实验，故后续不再更新。