0 簡介
    EWB(電子工作臺)是模擬數(shù)字電路仿真軟件，具有界面直觀、操作方便、分析方法多等優(yōu)點(diǎn)。非常適合于電子工程師和學(xué)生使用。EWB軟件有綠色版，不必安裝，解壓后即可使用，點(diǎn)擊wewb32．exe運(yùn)行軟件。在主界面中，以圖形方式顯示了所用的各種操作功能，包括：元件庫、儀器儀表、分析方法等，關(guān)于 EWB的具體內(nèi)容，請參考書籍《實(shí)用通信與電子線路的計(jì)算機(jī)仿真》。分析方法的應(yīng)用往往給試驗(yàn)帶來極大的方便，甚至比真實(shí)的實(shí)驗(yàn)更方便，本文將運(yùn)用的 EWB的瞬態(tài)分析和溫度掃描分析來設(shè)計(jì)一款價(jià)廉實(shí)用的測溫電路。

1 電路原理與設(shè)計(jì)
    本文所述的測溫電路針對水溫的測量(可用于類似的場合)，測量范圍是0～100℃。通常溫度測量的方法是用溫度傳感器將溫度信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器送到單片機(jī)中，從而取得溫度數(shù)據(jù)。如果要求測量顯示的精度高(達(dá)到10位以上)，則成本大大增加。圖1是本文的測溫電路原理圖，電路中沒有采用專用的溫度傳感器，也不用A／Di轉(zhuǎn)換的方式，而是采用三極管Q1作為測溫元件，利用其pn結(jié)的溫度電壓特性，測得溫度的變化。將溫度電壓信號和R2、C1積分信號送到比較器輸入端，在R2、C1開始充電后，直到其電壓超過溫度電壓時，比較器翻轉(zhuǎn)，用單片機(jī)測量翻轉(zhuǎn)前的充電時間，即可測量溫度的電壓值。下面通過對RC積分和溫度測量的仿真，詳細(xì)敘述測量原理。


    圖2是三極管pn結(jié)測溫電路，根據(jù)三極管手冊參數(shù)，pn結(jié)兩端的電壓隨溫度變化。本例測量水溫，溫度范圍是0～100℃。在實(shí)際應(yīng)用中需要知道對應(yīng)的電壓變化范圍和起始、終止點(diǎn)的電壓值。用EMB進(jìn)行溫度掃描分析，具有直觀、快捷的優(yōu)點(diǎn)。在EMB中畫出圖2電路，選擇主菜單的分析(analysis)選項(xiàng)，選擇其中的溫度掃描(temperature sweep)功能，在打開的對話框中設(shè)置溫度的起始和終止范圍，其中starttemper-ature(起始溫度)設(shè)置為0，end temperature(終點(diǎn)溫度)設(shè)置為100，sweep type選擇linear，output node選擇要仿真的節(jié)點(diǎn)，其它選擇默認(rèn)，然后點(diǎn)擊simulate(仿真)，得到仿真結(jié)果如圖3所示，單擊cursors(游標(biāo))，可以精確測量曲線各點(diǎn)坐標(biāo)的x、y(溫度、電壓)值，實(shí)測結(jié)果是，對應(yīng)x值的0～100℃范圍，y值是0．642～0．442V，電壓變化范圍是200mV，變化規(guī)律是線性的。


    圖4是R、C積分電路，在通電的初始時刻，電容兩端的電壓為0V，以后隨著對電容的充電，電容兩端的電壓將增加，其電壓的變化規(guī)律是：
  
    由式(1)可知，Uc不是線性的，但是如果R、C的數(shù)值很大，則Uc接近于線性，這個過程可以用數(shù)學(xué)方法求出Uc的曲率來判斷線性，最終確定R、C的大小，但是過程比較麻煩而且不直觀。如果用EWB仿真，則方便、快捷、直觀，針對圖4電路，選擇主菜單的analysis下的transient(瞬態(tài))仿真，在打開的對話框中修改start time(開始時間)為0，endtime(結(jié)束時間)為0．02s，將測量的節(jié)點(diǎn)添加到nodes for analysis對話框中，然后點(diǎn)擊simulate，得到圖5的結(jié)果。打開游標(biāo)測得x、y的數(shù)據(jù)是：當(dāng)電壓變化范圍是0．442～0．642V時，對應(yīng)的時間范圍是4ms。


    由溫度仿真圖形和R、C仿真圖形可知，兩者都是線性的，將溫度仿真與R、C仿真結(jié)合，確定溫度與R、C充電時間的關(guān)系，當(dāng)溫度變化從0～100℃時，對應(yīng)的R、C充電時間變化范圍是8～12ms，設(shè)溫度變量為tem，時間變量為t，則有
  
    t的單位是ms。
    為了更精確地顯示測量值，采用定點(diǎn)運(yùn)算方法，增加2位小數(shù)，則式(2)修改為
  
    t的單位是μs
    tem為帶2位小數(shù)的溫度值。
    如果用單片機(jī)測量出時間的變化過程，就可以求出對應(yīng)的溫度值。


    圖6是完整的測溫電路。單片機(jī)采用89c2051，4位數(shù)碼管顯示溫度數(shù)值，顯示精度是2位小數(shù)。89c2051自帶一個比較器，比較器的輸入端口是 P1．0和P1．1，輸出端是P3．6，三極管的溫度測量值接到P1．1端口，R、C充電電路與P1．0連接，P1.0既是比較器的輸入端，同時還是單片機(jī)的輸出端口，它具有單片機(jī)端口的性質(zhì)，即：P1．0輸出高電平時，相當(dāng)于內(nèi)部集電極開路狀態(tài)。在此，利用該功能實(shí)現(xiàn)電容充放電的控制，不測量溫度時，P1．0輸出低電平，電容兩端電壓為0V。測量溫度時，首先啟動T0計(jì)數(shù)器，然后將P1．0置高電平，R2給C1充電，此時不斷地判斷P3．6的狀態(tài)，直到P1．O的電壓大于P1．1的電壓，比較器輸出端P3．6翻轉(zhuǎn)，取出計(jì)數(shù)數(shù)值(如果單片機(jī)采用12MHz晶體，每記一個數(shù)恰好是1 μs)，從而得到了時間值，根據(jù)式(3)可以得到溫度值。程序代碼如下：


2 結(jié)論
    綜上所述，EWB在測溫電路中所起的作用，主要體現(xiàn)在單元電路的仿真，包括溫度掃描分析和RC瞬態(tài)分析。這些工作如果用真實(shí)測試來完成，都是很麻煩的，需要很多苛刻的條件，在業(yè)余的條件或一般條件下，幾乎是不可能完成的，而運(yùn)用EWB軟件順利地達(dá)到了目的。