基于Multisim的多通道温度检测系统的设计

桂静宜

(黄石理工学院电气与电子信息工程学院，湖北黄石435003)

0 引言

借助EDA技术设计电子产品已成为工程技术人员的首选方案。Multisim以其界面友好、功能强大和易用性受到工程技术人员的青睐。Multisim10相对于早期版本，更适合于模拟电子电路、数字电子电路、模拟数字混合电路、射频电路、继电控制和PLC控制电路的仿真与设计，尤其对于复杂电路系统的分析和设计。多通道温度检测系统属于多路模拟量数据采集系统，在工业自动化控制等领域应用广泛。实现多通道温度检测的方案有多种，本文选用数字电路构成控制器在Multisim环境中组成多通道温度检测系统，并对设计电路进行仿真分析。

1 系统设计

1.1 任务设计［1］

设计一个4路温度循环检测系统。温度传感器的输出电压范围为0～400 mV，对应的温度范围是0℃ ～80℃;系统具有温度报警功能，能手动设定报警温度，当测量的温度超过某个设定值时，能给出报警提示;能用数码管显示设定温度值、被测温度值和被测通道号;检测精度不低于1%。

1.2 任务分析

根据设计要求，系统应包括多路输入、信号放大、A/D转换、报警设定、数值比较、控制电路、编码电路、数码显示电路、超限报警等部分组成。4通道温度检测系统的原理框图如图1所示。

图1 4通道温度检测系统的原理框图

在图1所示的4通道温度检测系统中，现场传感器检测的温度信号，由多路模拟开关选通其中的一路送入信号放大电路，放大电路的输出经A/D转换器变为数字量，该数字量可通过数码管显示被测温度值。控制电路按一定的频率轮流选通多路开关，可实现多路温度信号的循环检测。编码电路对控制信号进行编码，编码输出经数码管可显示当前的检测通道。数值比较电路将报警设定值和当前的温度值进行比较，产生温度超限报警。

1.3 设计步骤

1.3.1 单元电路设计

(1)多路输入

多路输入电路由计数器和模拟多路开关构成，如图2所示。由74LS161N和74LS00D构成四进制计数器，计数器的输出QBQA接模拟开关的地址码的输入端A1A0。当A1A0分别为00—11时，模拟多路开关依次选通CH0—CH3四路输入信号中的一路。多路输入电路的封装模块X1，其输入引脚CH0—CH3接温度传感器输出信号，CLOCK外接时钟脉冲，其输出OUT接信号放大电路的输入端VIN，QCQBQA为接通道显示数码管。

(2)信号放大

信号放大电路用来对输入的模拟信号进行放大，如图3所示。信号放大电路选用集成运放OP07，集成运放OP07为低温漂高精度放大器。整个放大电路分两级，第一级由电阻R1和R2等构成反相比例放大电路，放大倍数Au1=－5;第二级由电阻R4和R5等构成反向器，放大倍数Au2=－1;这样信号经两级放大电路以后，输出和输入同相，放大倍数Au=5。信号放大电路的封装模块X2，其输入引脚VIN接多路输入电路的输出引脚OUT，输出引脚VOUT接A/D转换电路的输入Vin，VREF接A/D转换电路的输入 Vref－。放大电路的输出范围在A/D转换要求的范围内。

图2 温度检测系统的多路输入电路

图3 信号放大电路

(3)A/D 转换电路［2］

Multisim环境中，A/D转换器件为虚拟器件，其引脚排列如图4所示。Vin为模拟电压输入端子，将输入的模拟信号转换为8位的数字量输出D7—D0;Vref+为参考电压“+”输入端子(直流参考电源的电压)，Vref－为参考电压“－”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，与输入信号UI对应的量化离散电平为:UI×256/Ufs，Ufs=Vref+－Vref－。SOC是启动转换信号，它由低电平变为高电平时，转换开始，转换时间为1 us，转换期间EOC为低电平。EOC是转换结束标志位，高电平表示转换结束;OE为输出允许端子，可与EOC接在一起。ADC转换电路的关键是输入信号的负极性要同参考电压 Vref－连在一起。

(4)报警设定

报警设定电路由计数器和数值比较器构成，能实现被测温度的超限报警，如图5所示。两片74LS160N组成2位计数器，设定报警值时，通过开关产生脉冲信号，计数器对脉冲信号计数产生需要的报警值。两片74LS85N级联组成8位二进制数值比较器［3］，数值比较器将A/D转换的温度数字量和设定的报警值进行比较，当实测温度值超过设定值时，产生报警输出。报警设定电路的封装模块X3，其输入引脚B7—B0接A/D转换输出，IN接脉冲设定开关 J2，SETH、SETL接选择开关 J1，其输出 A7—A0接设定温度数码管，Y0接报警信号灯X1。

图4 ADC的引脚排列图

1.3.2 总体电路设计和仿真分析

(1)总体电路设计

4通道温度检测系统的总体电路设计是将单元电路的封装模块，包括多路输入电路、信号放大电路、A/D转换电路和报警设定电路等连接在一起，外接输出数码管和报警指示灯、输入信号源及设定开关，总体电路如图6所示。

图5 报警设定电路

图6 4通道温度检测系统总体电路

在图6所示的电路中，4路温度信号用交流信号源V4、V5、V6、V7来表示。从左到右，3组数码管分别显示设定温度、实测温度和采集通道号。信号灯X1用来显示温度超限报警信号。

(2)仿真分析

单击运行按钮，可观测仿真结果。温度循环检测由多路输入电路循环选择4路模拟信号(CH0—CH3)，模拟信号经信号放大后，送入ADC，转换为数字量，并由数码管显示实测温度。本处实测温度为“61”，通道指示数码管显示当前采集的通道号(本处显示“2”，表示当前采集的信号为通道2)。通过开关J1和J2(按键A和B键)设定报警温度值(本处为“60”)，当实测温度(本处为“61”)超过报警设定值时，产生超限报警，信号灯 X1亮。当实测温度未超过报警值时，报警信号灯X1不亮。

2 结论

本系统为4通道温度检测系统，经扩展可实现更多通道温度循环检测系统;对于其它的模拟量检测系统，也可应用该电路。即本系统可应用于一般的多通道数据采集系统。仿真结果表明本系统能实现温度设定、温度循环检测、温度超限报警等功能，选用的8位ADC可满足设计精度的要求(检测精度不低于1%)。当然，Multisim中的设计分析与实际电路相比还存在着差异，实际电路还必须增加译码显示电路，将十六进制温度值显示为十进制，但也体现了其简洁、高效的特点。

［1］丛宏寿，程卫群，李绍铭.Multisim8仿真与应用实例开发［M］.北京:清华大学出版社，2007.7.

［2］聂典.Multisim9计算机仿真在电子电路设计中的应用［M］.北京:电子工业出版社，2007.6.

［3］康华光.电子技术基础数字部分［M］.第4版.北京:高等教育出版社，2000.

［4］汪亮.浅谈EWB仿真与数字钟电路设计［J］.电子科技，2008，21(6):4 －8.