哈理工學(xué)年設(shè)計(jì)

1、哈爾濱理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)學(xué)年設(shè)計(jì)報(bào)告鉑電阻溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制作及其精度分析 學(xué)院：測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院班級(jí): 測(cè)控10-3班組別: 第二組姓名：王雅銘學(xué)號(hào)：1005010304不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印目錄第1章 緒論11.1 課程設(shè)計(jì)目的、意義11.2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)11.2.1設(shè)計(jì)要求11.2.2設(shè)計(jì)任務(wù)11.3 課程設(shè)計(jì)時(shí)間安排1第2章 總體方案設(shè)計(jì)32.1 工作原理32.2 系統(tǒng)組成32.2.1 電路圖組成框圖32.2.2 電路各組成部分的工作原理32.3本章小結(jié)4第3章 硬件電路設(shè)計(jì)53.1 傳感器設(shè)計(jì)53.2 放大電路設(shè)計(jì)63.3 調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì)73.3.1

2、調(diào)制電路73.3.2 解調(diào)電路83.4濾波電路設(shè)計(jì)83.5 仿真實(shí)驗(yàn)93.6 本章小結(jié)11第4章 PCB板設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試134.1傳感器PCB板的設(shè)計(jì)134.1.1 傳感器和前置放大電路部分的原理圖134.1.2 傳感器和前置放大電路部分的PCB板134.2調(diào)制解調(diào)及濾波電路部分134.2.1 調(diào)制解調(diào)及濾波電路部分原理圖134.2.2 調(diào)制解調(diào)和濾波電路部分的PCB板144.3本章小結(jié)14第5章 系統(tǒng)標(biāo)定、測(cè)試與精度分析155.1系統(tǒng)標(biāo)定155.2 測(cè)試溫度表155.3 誤差分析155.4 本章小結(jié)17結(jié)論18致謝19參考文獻(xiàn)20心得體會(huì)21附錄22千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印

3、。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行1第1章 緒論1.1 課程設(shè)計(jì)目的、意義1、掌握傳感器的設(shè)計(jì)方法；2、掌握測(cè)量電路的設(shè)計(jì)方法；3、掌握Multisim 及Altium Designer仿真軟件的使用；4、培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐的能力。1.2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)1.2.1設(shè)計(jì)要求1、設(shè)計(jì)、仿真、組裝、調(diào)試；2、溫度測(cè)量范圍：0100；3、溫度測(cè)量誤差±5； 4、輸出電壓：05V；5、電路的非線性誤差：±0.5；1.2.2設(shè)計(jì)任務(wù)1、設(shè)計(jì)傳感器：根據(jù)傳感器的工作原理，設(shè)計(jì)鉑電阻溫度傳感器，包括傳感器結(jié)

4、構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)，畫(huà)出傳感器的結(jié)構(gòu)圖。2、采用分立元件設(shè)計(jì)鉑電阻溫度傳感器的轉(zhuǎn)換電路及調(diào)理電路，給出各元件參數(shù)，并畫(huà)出電路的原理圖3、仿真已設(shè)計(jì)的電路，調(diào)節(jié)改進(jìn)。4、設(shè)計(jì)并加工制作PCB板，并完成電路板的調(diào)試，輸出要求的直流信號(hào)。5、對(duì)所設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。6、用所設(shè)計(jì)溫度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)某幾個(gè)溫度進(jìn)行測(cè)量，給出測(cè)量結(jié)果及其測(cè)量不確定度。7、撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。 1.3 課程設(shè)計(jì)時(shí)間安排1、布置任務(wù)，查閱資料，方案設(shè)計(jì)；（3天） 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，查閱資料，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及可行性論證，確定傳感器類(lèi)型，轉(zhuǎn)換電路，調(diào)制解調(diào)電路。畫(huà)出電路圖。2軟件仿真；（1天）用multisim 軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行模擬仿

5、真調(diào)試，在虛擬儀器上觀測(cè)電路的各部分是否輸出預(yù)期的結(jié)果并達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，修改及確定各個(gè)元件參數(shù)，最終確定原理圖。 3電路的裝配及調(diào)試；（2天） 在網(wǎng)孔板上組裝電路，測(cè)量一些溫度值，調(diào)試，使其達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。4. 用Altium Designer生成PCB板圖樣，制作PCB板。（1天）5. 在PCB板上焊接最終電路，得到成品。（1天）6.對(duì)所設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)行精度測(cè)量，給出測(cè)量不確定度。（2天）7.總結(jié)，撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。 （2天）第2章 總體方案設(shè)計(jì)2.1工作原理 溫度是過(guò)程檢測(cè)與控制中的重要參量,在要求對(duì)溫度進(jìn)行精確測(cè)量和控制的條件下,鉑熱電阻是一種應(yīng)用廣泛的溫度傳感器

6、,它具有體積小、準(zhǔn)確度高、測(cè)溫范圍寬、穩(wěn)定性好、正溫度系數(shù)等優(yōu)點(diǎn),但它同時(shí)也存在非線性的缺點(diǎn),因此在利用鉑熱電阻進(jìn)行精確溫度測(cè)量時(shí),除要克服測(cè)量電路自身的噪聲干擾外,還要對(duì)鉑熱電阻的非線性進(jìn)行矯正. Pt100是鉑熱電阻，Pt后的100即表示它在0時(shí)阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而增長(zhǎng)，在100時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。 鉑電阻傳感器是由Pt100和3個(gè)電阻組成一個(gè)直流電橋，直流電橋?qū)K電阻的阻值變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，即Pt100的電阻值為100-138.5歐姆時(shí)，電橋電路的輸出電壓經(jīng)放大器輸出得到0-5V電壓。因?yàn)閷?shí)際運(yùn)用中，溫度是緩慢變化的模擬量，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路得到低頻電壓，對(duì)其進(jìn)

7、行調(diào)制解調(diào)，然后經(jīng)濾波電路濾除高頻噪聲，最后利用輸出電壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即得當(dāng)前溫度。 2.2系統(tǒng)組成2.2.1電路圖組成框圖輸出輸入傳感器 放大電路開(kāi)關(guān)調(diào)制 放大器解調(diào)濾波方波發(fā)生器圖1-12.2.2電路各組成部分的工作原理 1、傳感器鉑電阻傳感器是由Pt100和3個(gè)電阻組成一個(gè)直流電橋，Pt100將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，由于應(yīng)變量和電阻變化一般都很微小，既難以直接精確測(cè)量，又不便直接處理。因此，采用直流電橋電路把電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化。直流電橋的優(yōu)點(diǎn)是：高穩(wěn)定度的直流電源易于獲得，電橋調(diào)節(jié)平衡簡(jiǎn)單，導(dǎo)線的分布參數(shù)影響小。2、放大電路放大環(huán)節(jié)采用三運(yùn)放高共模抑制比放大電路。它由三個(gè)運(yùn)

8、算放大器組成，其中兩個(gè)為性能一致（主要指輸入阻抗、共模抑制比和增益）的同相輸入運(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對(duì)稱(chēng)差動(dòng)放大輸入級(jí)，有利于抑制共模干擾和減小溫度漂移。另一個(gè)運(yùn)放為差動(dòng)輸出級(jí)，進(jìn)一步抑制共模信號(hào)。3、調(diào)制解調(diào)電路進(jìn)入測(cè)量電路的除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外，往往還有噪聲，為了消除噪聲，采用調(diào)制解調(diào)電路。 方波發(fā)生器：產(chǎn)生5V 、5000Hz的方波來(lái)作為調(diào)制電路的載波信號(hào)和解調(diào)電路的參考信號(hào)。 開(kāi)關(guān)調(diào)制：信號(hào)的調(diào)幅利用開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)調(diào)制的輸入信號(hào)與按0、1變化的載波信號(hào)相乘。放大電路：將調(diào)制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，方便之后對(duì)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。解調(diào)電路：將同樣的高頻載波信號(hào)加到開(kāi)關(guān)式全波相敏檢波電路

9、上，將調(diào)制放大后的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，消除噪聲。4、濾波電路采用低通濾波器，濾除高頻噪聲，得到有用信號(hào)。2.2.3本章小結(jié) 電路的總體設(shè)計(jì)過(guò)程用到了本學(xué)期測(cè)控電路和傳感器的很多知識(shí)，我們又在實(shí)踐中掌握了理論知識(shí)的要點(diǎn)，如直流電橋的運(yùn)用，三運(yùn)放高共模抑制比放大電路的工作原理，將信號(hào)調(diào)制解調(diào)的過(guò)程，傳感器的設(shè)計(jì)方法等，同時(shí)也結(jié)合了上學(xué)期學(xué)的模擬電子技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，如矩形波發(fā)生電路等。在此過(guò)程中，我們掌握了傳感器選擇的一般設(shè)計(jì)方法和測(cè)量電路的設(shè)計(jì)方法；培養(yǎng)了將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐的能力。第3章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 傳感器設(shè)計(jì)1、直流電橋 Pt100可將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，由于應(yīng)變量和電阻變化一般都很

10、微小，既難以直接精確測(cè)量，又不便直接處理。因此，采用直流電橋電路把電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化。直流電橋由Pt100和3個(gè)固定電阻（阻值分別為10k，10k，100）組成，當(dāng)溫度在0100變化時(shí)，Pt100的電阻值在100138.5歐姆之間變化，直流電橋?qū)K電阻的阻值變化轉(zhuǎn)換成電壓變化。直流電橋的優(yōu)點(diǎn)是：高穩(wěn)定度的直流電源易于獲得，電橋調(diào)節(jié)平衡簡(jiǎn)單，導(dǎo)線的分布參數(shù)影響小。通過(guò)比較恒流源供電與電壓供電的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用恒流源供電，其優(yōu)點(diǎn)為響應(yīng)速度快、恒流精度高、能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，適合各種性質(zhì)負(fù)載（阻性、感性、容性）。 用LM334構(gòu)成的恒流源簡(jiǎn)單易行，電流的數(shù)值可以自由控制，也沒(méi)有使用特殊的元件，有利于

11、降低產(chǎn)品的成本。2、電路圖 圖2-1 圖2-23、 計(jì)算推導(dǎo)圖中代表，設(shè)恒流源提供的電流為，流過(guò)，的電流為，流過(guò)的電流為，則 ，。所以，有 ，。當(dāng)時(shí)，電橋的輸出電壓為，幾乎可忽略，也可用零點(diǎn)補(bǔ)償來(lái)抵消;當(dāng)時(shí)，電橋的輸出電壓為。3.2放大電路設(shè)計(jì)1、 結(jié)構(gòu)：放大環(huán)節(jié)采用三運(yùn)放高共模抑制比放大電路。它由三個(gè)運(yùn)算放大器組成，其中兩個(gè)為性能一致（主要指輸入阻抗、共模抑制比和增益）的同相輸入運(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對(duì)稱(chēng)差動(dòng)放大輸入級(jí)，有利于抑制共模干擾和減小溫度漂移。另一個(gè)為差動(dòng)輸出級(jí)，進(jìn)一步抑制共模信號(hào)。2、 電路圖圖2-33、 計(jì)算推導(dǎo)，當(dāng)時(shí)，三運(yùn)放的輸出電壓為，約為零;當(dāng)時(shí)，電橋的輸出電壓為，約為,符

12、合要求。3.3調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì)3.3.1方波發(fā)生電路1、 構(gòu)成：方波發(fā)生電路由一個(gè)滯回比較器和一個(gè)RC充放電回路組成，其中集成運(yùn)放和電阻組成滯回比較器，電阻和電容構(gòu)成充放電回路，穩(wěn)壓管和電阻的作用是鉗位，將滯回比較器的輸出電壓限制在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。電容反復(fù)地充電和放電，滯回比較器的輸出端反復(fù)地在高電平和低電平之間跳變，于是產(chǎn)生正負(fù)交替的矩形波。2、 電路圖 圖2-43、參數(shù)計(jì)算。矩形波的振蕩周期為 。調(diào)整電阻和電容的數(shù)值可以矩形波的振蕩周期。本電路震蕩頻率為。3.3.2調(diào)制電路1. 構(gòu)成：采用開(kāi)關(guān)調(diào)制電路，電路由2個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和2個(gè)電阻組成，在輸入端加入低頻正弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)。場(chǎng)效應(yīng)晶體管工

13、作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在他們的柵極分別加入高頻載波方波信號(hào)與。經(jīng)過(guò)調(diào)制與幅值按0、1變化的載波信號(hào)相乘。在輸出端加一電容，以濾除一些高頻噪聲，使調(diào)制波更平滑，趨于理想。2. 電路圖圖2-53.3.3解調(diào)電路1、構(gòu)成：采用開(kāi)關(guān)式全波相敏檢波電路，電路由一個(gè)結(jié)型N溝道型場(chǎng)效應(yīng)管V和一個(gè)差動(dòng)放大電路組成。在的半周期，V導(dǎo)通，同相輸入端被接地，只從反相輸入端輸入，放大器的放大倍數(shù)為；在的半周期，V截止，同時(shí)從同相和反相輸入端輸入，放大器的放大倍數(shù)為。2、電路圖圖2-63.4濾波電路設(shè)計(jì) 1、原理：由于有用信號(hào)是低頻信號(hào)，噪聲往往是高頻信號(hào)，所以采用低通濾波器。我們首先采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的一階低通濾波器，但與理想的

14、低通濾波器特性差距很大，所以我們改用二階低通濾波電路，效果較好，能達(dá)到要求的結(jié)果。設(shè)，。通過(guò)基爾霍夫定律，可解出傳遞函數(shù)： 在式中，只有當(dāng)時(shí)，即分母中的一次項(xiàng)系數(shù)大于零，電路才能穩(wěn)定工作，而不產(chǎn)生自激震蕩。若令，則電壓放大倍數(shù)若令，則時(shí)，。 可見(jiàn)，的物理意義是時(shí)電壓放大倍數(shù)與通帶放大倍數(shù)之比。當(dāng)時(shí)，曲線按十倍頻下降。 選取,則,截止頻率,符合要求。2、電路圖圖2-73.5仿真實(shí)驗(yàn)1、 方波發(fā)生電路的輸出波形圖2-82、 調(diào)制電路的輸出波形圖2-93、 解調(diào)電路的輸出波形圖2-104、 濾波后的最終波形圖2-115、總體波形圖 圖2-123.6本章小結(jié)硬件電路設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的最重要的一部分，要求

15、設(shè)計(jì)者具備扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。傳感器測(cè)溫電路的采用直流電橋，便于將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓量；恒流源供電，響應(yīng)速度快，精度高；放大電路采用三運(yùn)放高共模抑制比放大電路，有利于減少共模干擾和溫度漂移。采用開(kāi)關(guān)調(diào)制電路、全波相敏檢波電路、方波發(fā)生電路構(gòu)成調(diào)制解調(diào)電路。最后用二階低頻濾波電路濾除雜波。以上運(yùn)用都是在測(cè)控電路、傳感技術(shù)和模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)中學(xué)到的典型電路，培養(yǎng)了綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐的能力。 第4章 PCB板設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試4.1傳感器PCB板的設(shè)計(jì)4.1.1傳感器和前置放大電路部分的原理圖圖3-14.1.2傳感器和前置放大電路部分的PCB板圖3-24.2調(diào)制解調(diào)及濾波電路部分4.

16、2.1調(diào)制解調(diào)及濾波電路部分原理圖圖3-34.2.2調(diào)制解調(diào)和濾波電路部分的PCB板圖3-44.3本章小結(jié)本章主要是掌握軟件的使用，及對(duì)PCB板的理解。用Altium Designer繪制原理圖，然后封裝成PCB板。注意仿真的元件是否真實(shí)存在，可通過(guò)元件替換，串聯(lián)，并聯(lián)等方法解決。第5章 系統(tǒng)標(biāo)定、測(cè)試與精度分析5.1系統(tǒng)標(biāo)定外界溫度為0時(shí)，電阻值為100,電壓值為0V；外界溫度為100時(shí)，電阻值為138.506，電壓值為-5.023V。5.2測(cè)試溫度表溫度()01020304050電阻()100.000103.903107.794111.673115.541119.397電壓(V)0-0.3

17、18-0.797-1.302-1.835-2.314溫度()60708090100電阻()123.242127.075130.897134.707138.506電壓(V)-2.837-3.379-3.885-4.365-5.023表4-1圖4-15.3殘差分析通過(guò)描點(diǎn)繪圖，確定回歸方程模型為一元線性回歸方程。設(shè),N=11殘差： ， ， ，正規(guī)方程為： （P=99.73%） （P=99.73%）回歸方程顯著性檢驗(yàn)因此回歸顯著。5.4本章小結(jié)通過(guò)對(duì)0100度之間不同溫度下的電阻與最終輸出電壓的測(cè)量，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，描點(diǎn)，推出回歸方程，用殘差分析解出參數(shù)，最后進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。最終的回歸曲線為，回歸顯著。證

18、明鉑電阻為熱電阻效應(yīng)，此測(cè)溫電路在0100度范圍內(nèi)電壓與溫度成線性關(guān)系，可用于對(duì)精度要求不太高的測(cè)溫環(huán)境。千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印?！敖Y(jié)論”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫(xiě)在此行之前。22結(jié)論本課程設(shè)計(jì)的測(cè)溫儀利用鉑電阻作為測(cè)溫傳感器，。其中的鉑電阻組成的直流電橋、三運(yùn)放高共模抑制比放大電路、開(kāi)關(guān)調(diào)制電路、全波相敏檢波電路、方波發(fā)生電路都是在專(zhuān)業(yè)課中學(xué)過(guò)的典型電路，課上學(xué)習(xí)了各個(gè)電路的工作原理，設(shè)計(jì)中將其運(yùn)用到了實(shí)驗(yàn)中。鉑電阻模型的建立與測(cè)溫電路的仿真設(shè)計(jì)全部在Multisim 下完成。 讓我們熟悉了Multisim的使用。用Altium Designer繪制PCB板。仿真好之后，在網(wǎng)孔板上焊接電路，進(jìn)行調(diào)試。然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定和進(jìn)度分析。致謝感謝測(cè)通學(xué)院為我們提供實(shí)驗(yàn)室，讓我們有一個(gè)良好的場(chǎng)地和氛圍做課程設(shè)計(jì)；感謝各位授課老師不辭辛苦地每天到實(shí)驗(yàn)室為我們指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，為我們講解在電路設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、仿真過(guò)程中應(yīng)