0 引言

    借助EDA技術設計電子產品已成為工程技術人員的首選方案。Multisim以其界面友好、功能強大和易用性受到工程技術人員的青睞。Multisim10相對于早期版本，更適合于模擬電子電路、數字電子電路、模擬數字混合電路、射頻電路、繼電控制和PLC控制電路的仿真與設計，尤其對于復雜電路系統的分析和設計。多通道溫度檢測系統屬于多路模擬量數據采集系統，在工業自動化控制等領域應用廣泛。實現多通道溫度檢測的方案有多種，本文選用數字電路構成控制器在Multisim環境中組成多通道溫度檢測系統，并對設計電路進行仿真分析。

1 多通道溫度檢測系統設計

    1.1 任務設計

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

    1.2 任務分析

    根據設計要求，系統應包括多路輸入、信號放大、A/D轉換、報警設定、數值比較、控制電路、編碼電路、數碼顯示電路、超限報警等部分組成。4通道溫度檢測系統的原理框圖如圖1所示。

    圖1 4通道溫度檢測系統的原理框圖

    在圖1所示的4通道溫度檢測系統中，現場傳感器檢測的溫度信號，由多路模擬開關選通其中的一路送入信號放大電路，放大電路的輸出經A/D轉換器變為數字量，該數字量可通過數碼管顯示被測溫度值。控制電路按一定的頻率輪流選通多路開關，可實現多路溫度信號的循環檢測。編碼電路對控制信號進行編碼，編碼輸出經數碼管可顯示當前的檢測通道。數值比較電路將報警設定值和當前的溫度值進行比較，產生溫度超限報警。

    1.3 設計步驟

    1.3.1 單元電路設計

    (1)多路輸入

    多路輸入電路由計效器和模擬多路開關構成，如圖2所示。由74LS161N和74LS00D構成四進制計數器，計數器的輸出Q_BQ_A接模擬開關的地址碼的輸入端A₁A₀。當A₁A₀分別為00—11時，模擬多路開關依次選通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為接通道顯示數碼管。

    圖2 溫度檢測系統的多路輸入電路

(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等構成反相比例放大電路，放大倍數A_u1=-5；第二級由電阻R₄和R₅等構成反向器，放大倍數A_u2=-1；這樣信號經兩級放大電路以后，輸出和輸入同相，放大倍數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轉換電路的輸入U_in，V_REF接A/D轉換電路的輸入V_ref-。放大電路的輸出范圍在A/D轉換要求的范圍內。

    圖3 信號放大電路

    (3) A/D轉換電路

    Multisim環境中，A/D轉換器件為虛擬器件，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換為8位的數字量輸出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對應的量化離散電平為：U_l×256/U_fi，U_fi= V_ref+-V_ref-。SOC是啟動轉換信號，它由低電平變為高電平時，轉換開始，轉換時間為1us，轉換期間EOC為低電平。EOC是轉換結束標志位，高電平表示轉換結束；OE為輸出允許端子，可與EOC接在一起。ADC轉換電路的關鍵是輸入信號的負極性要同參考電壓V_ref-連在一起。

    圖4 ADC的引腳排列圖

    (4)報警設定

    報警設定電路由計數器和數值比較器構成，能實現被測溫度的超限報警，如圖5所示。兩片74LS160N組成2位計數器，設定報警值時，通過開關產生脈沖信號，計數器對脈沖信號計數產生需要的報警值。兩片74LS85N級聯組成8位二進制數值比較器，數值比較器將A/D轉換的溫度數字量和設定的報警值迸行比較，當實測溫度值超過設定值時，產生報警輸出。報警設定電路的封裝模塊X₃，其輸入引腳B₇-B₀接A/D轉換輸出，IN接脈沖設定開關J₂，SETH、SETL接選擇開關J₁，其輸出A7-A0接設定溫度數碼管，Y₀接報警信號燈X₁。

    圖5 報警設定電路

    1.3.2 總體電路設計和仿真分析

    (1)總體電路設計

    4通道溫度檢測系統的總體電路設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轉換電路和報警設定電路等連接在一起，外接輸出數碼管和報警指示燈、輸入信號源及設定開關，總體電路如圖6所示。

    圖6 4通道溫度檢測系統總體電路

    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組數碼管分別顯示設定溫度、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，可觀測仿真結果。溫度循環檢測由多路輸入電路循環選擇4路模擬信號(CH0-CH3)，模擬信號經信號放大后，送入ADC，轉換為數字量，并由數碼管顯示實測溫度。本處實測溫度為“61”，通道指示數碼管顯示當前采集的通道號（本處顯示“2”，表示當前采集的信號為通道2）。通過開關J1和J2（按鍵A和B鍵）設定報警溫度值（本處為“60”），當實測溫度（本處為“61”）超過報警設定值時，產生超限報警，信號燈X₁亮。當實測溫度未超過報警值時，報警信號燈X₁不亮。

2 結論

    本系統為4通道溫度檢測系統，經擴展可實現更多通道溫度循環檢測系統；對于其它的模擬量檢測系統，也可應用該電路。即本系統可應用于一般的多通道數據采集系統。仿真結果表明本系統能實現溫度設定、溫度循環檢測、溫度超限報警等功能，選用的8位ADC可滿足設計精度的要求（檢測精度不低于1%）。當然，Multisim中的設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，但也體現了其簡潔、高效的特點。