金屬箔應(yīng)變信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

1、陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)金屬箔應(yīng)變信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)龔萍（陜理工物理與電信工程學(xué)院（系）電子信息工程專業(yè)1103班級(jí)，陜西 漢中 723000)指導(dǎo)老師：秦偉 摘 要本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)變信號(hào)的放大，濾波處理。詳細(xì)介紹了一種基于AD620和AD705儀表放大器構(gòu)成的微弱信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)方法，該電路主要由AD620設(shè)計(jì)的放大電路，RC無源濾波電路，50Hz帶阻濾波器，及AD705調(diào)零電路組成。其放大電路，濾波電路設(shè)計(jì)完成后，用Multisim11.0軟件進(jìn)行仿真，調(diào)整了電路的主要參數(shù)，并對(duì)電路進(jìn)行更改，調(diào)試，設(shè)計(jì)。該信號(hào)調(diào)理電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行124倍的放大，截止頻率為1000Hz的RC低通

2、濾波處理，最后經(jīng)過50Hz帶阻濾波器的濾波，使輸出信號(hào)可以滿足設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞AD620；AD705；放大；濾波IDesign of strain signal conditioning circuit for metal foilGong Ping(Grade03,Class11,Electronic Information Engineering,College of physical and telecommunication engineering,Shaanxi University of technology,HanZhong,723000,Shaanxi)Tutor:Qin W

3、ei AbstractThe design of amplification, filtering processing for the strain signal. Described in detail the weak signal conditioning circuit design method and the circuit design method which is based on a AD620 and AD705 instrumentation amplifier,and the circuit mainly by the AD620 was adopted to de

4、sign the amplifying circuit, passive RC filter circuit, 50Hz band stop filter, and the AD705 tune zero circuit. After the amplifying circuit and the filter circuit are designed, use Multisim11.0 software to simulate, adjust the main parameters of the circuit, and change, debug, design the circuit. T

5、he signal conditioning circuit can realize the sensor output signal of 124 times of amplification, cut-off frequency of 1000Hz RC low-pass filter processing, finally 50Hz band stop filter filter, the output signal can meet the design requirements KeywordsAD620;AD705;amplify;filtering目錄引言11 方案選擇21.1

6、方案一21.1.1 電源電路21.1.2 應(yīng)變片電路方案21.1.3 集成放大電路方案21.1.4 無源濾波電路方案21.1.4 設(shè)計(jì)總框圖31.2 方案二31.2.1 電源電路31.2.2 應(yīng)變片電路31.2.3 集成放大電路方案31.2.4 濾波電路方案31.2.5 總體設(shè)計(jì)框圖41.3 方案對(duì)比42 芯片介紹52.1 AD620芯片52.1.1 AD620引腳圖52.1.2 AD620特性52.1.3 AD620工作原理52.2 AD705芯片62.2.1 AD705引腳圖62.2.2 AD705特性72.3 OP07芯片73 Multisim11.0軟件介紹84 硬件電路設(shè)計(jì)94.1

7、電源電路94.2 應(yīng)變片電路94.3 AD620一級(jí)放大電路94.4 RC無源低通濾波電路114.5 50Hz帶阻濾波器電路124.6 AD705調(diào)零電路164.7 總體電路圖175 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果與誤差185.1 放大電路實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)：185.2 RC低通濾波電路實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)186 結(jié)果展望20致謝21參考文獻(xiàn)22引言 隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)高精度信號(hào)調(diào)理技術(shù)的要求也越來越高，由于傳感器的輸出信號(hào)往往存在溫漂，信號(hào)較小及線性度低等問題，它的信號(hào)通常不能被控制元件直接接收，這樣一來，信號(hào)調(diào)理電路就成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不可缺少的一部分，其電路優(yōu)化程度直接影響到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精確度和靈敏度

8、。 金屬箔應(yīng)變片是測(cè)量應(yīng)變的一種傳感器。它可以用于各種不同的金屬、混凝土、磚、木材、橡膠、塑料等材料上。其中很多的應(yīng)用已經(jīng)深入到宇宙航行、機(jī)械、冶金、石油、儀器、建筑、水利、醫(yī)學(xué)等各個(gè)工業(yè)部門及科學(xué)領(lǐng)域中。但是由于它的輸出信號(hào)非常微弱，后續(xù)應(yīng)用時(shí)需對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的調(diào)理即放大，濾波處理。運(yùn)算放大器歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，其主要分化出通用型、低電壓型、高速型、高精度型等。由于近年來消費(fèi)電子、通訊、網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)運(yùn)放產(chǎn)品也提出新的技術(shù)要求，在許多現(xiàn)代電子設(shè)備中，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、信號(hào)處理系統(tǒng)等需要對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行高精度的處理時(shí)都較普遍地采用了儀表放大器。在本文中，應(yīng)變

9、信號(hào)經(jīng)電阻式應(yīng)變片傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后，還是比較微弱，只是幾十毫伏級(jí)的電壓信號(hào)。因此，對(duì)后續(xù)的調(diào)理電路提出了明確的要求：要具有很好的直流特性，即有較低的溫度漂移，較低的輸入失調(diào)電壓和較小的輸入偏置電流；要有較高的共模抑制比和較大的增益(幾百倍)；要有低功耗和低噪聲等，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在本設(shè)計(jì)中采用AD620作為集成運(yùn)放的放大器。AD620是一款低成本，高精度的單芯片儀表放大器，它不但具有較高的共模抑制比，而且僅需要一個(gè)外部電阻來設(shè)置RG來設(shè)置增益，增益范圍為1到10000，最大誤差在±03，增益范圍可調(diào)，且調(diào)節(jié)方便，此外，AD620具有高精度（最大非線性度40ppm),低失調(diào)電壓（最大

10、50uV）和低失調(diào)漂移（最大0.6uV/）等特性，是電子秤和傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳之選。無論用于何種系統(tǒng)，AD620都能以更低功耗和更低成本提供更高的精度1。根據(jù)AD620的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用以AD620為主體的集成運(yùn)算放大，濾波電路選用RC低通無源濾波，在文中會(huì)有較為詳細(xì)的介紹,在電路設(shè)計(jì)完成后，我們還可以利用Multisim11.0軟件，對(duì)設(shè)計(jì)出來的放大器和濾波器進(jìn)行仿真。其次，為了抑制50Hz的工頻干擾，設(shè)計(jì)了一個(gè)50Hz左右的帶阻濾波器，這樣就會(huì)降低噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響。AD705在本設(shè)計(jì)中也起到了至關(guān)重要的作用，文中會(huì)有詳細(xì)的介紹。1 方案選擇1.1 方案一1.1.1電源電

11、路 由于AD620是雙電源供電，所以采用±5V直流雙電源供電，這樣能夠減小帶來的誤差。1.1.2 應(yīng)變片電路方案 電阻應(yīng)變式傳感器是一種用金屬彈性體作為彈性元件通過粘貼在彈性體敏感部位的電阻應(yīng)變計(jì)組成的惠斯通電橋，并在外加電源的激勵(lì)下可以將力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的測(cè)量裝置。而電橋電路是一種將非電量轉(zhuǎn)換為電量來測(cè)量的一種常用方法。電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是精度高，測(cè)量范圍廣，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻響特性好，能在惡劣環(huán)境條件下工作，并且易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等2?；菟雇姌螂娐分饕譃閱伪郏霕?，全橋三種，由于全橋電路的靈敏度最高，因此選擇全橋電路作為應(yīng)變片電路。1.1.3 集成放大電路

12、方案 傳感器檢測(cè)外部的物理信號(hào)，將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出，其輸出的電信號(hào)通常都是很微弱的，對(duì)這些微弱的信號(hào)無法顯示，作進(jìn)一步的處理也比較難，所以必須把它們放大到一定的數(shù)量級(jí)，這就需要用到放大電路。放大電路采用儀表放大，儀表放大電路的作用是把傳感器輸出的微弱模擬信號(hào)以差模方式進(jìn)行一定倍數(shù)的放大。目前，儀表放大電路的實(shí)現(xiàn)方法主要有兩類，一類是由分立元件電阻，電容和晶體管等組合而成，另一類由單片集成芯片直接實(shí)現(xiàn)；分立電路和集成電路各有優(yōu)缺點(diǎn)。分立電路是由單個(gè)元器件組成的，如三極管，二極管，電阻，電容等，可以根據(jù)電路預(yù)期目標(biāo)，很方便的設(shè)計(jì)每一個(gè)參數(shù)，通過調(diào)試，可以隨時(shí)更改參數(shù)。如果選擇合適的參數(shù)，而且元器

13、件都是高性能的，通過設(shè)計(jì)，調(diào)試，更改這三個(gè)過程，就可以使電路性能達(dá)到最優(yōu)，但是它也有弊端，雖然它可以調(diào)試，更改，如果其中一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，其性能就會(huì)低于一般集成運(yùn)放。而集成電路因所有元器件都集成在一塊硅片上，體積小且內(nèi)部電路采用直接耦合，尤其是集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓放大電路，具有開環(huán)增益大，輸入阻抗高，外圍電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)放大電路的結(jié)構(gòu)，原理和設(shè)計(jì)要求，采用集成運(yùn)算放大電路，輸入信號(hào)為-30mV到30mV，需要放大的信號(hào)十分微弱，非常容易受到干擾，甚至?xí)谎蜎]在過大的電路噪聲中，因此，小信號(hào)的處理，尤其是放大電路的噪聲，靈敏度，抗干擾等性能的提高對(duì)于整個(gè)信號(hào)調(diào)理電路有著舉足輕

14、重的作用3。按照要求我們要將傳感器輸出的信號(hào)放大至-5V5V左右，所以其最大放大倍數(shù)可做到(AU=UO/UI=5V/0.03V=167)為165倍左右。儀表放大器AD620的增益只由電阻RG控制，改變RG即可改變其增益。因其放大倍數(shù)只與RG有關(guān)，并且是儀表類放大常用的放大器，所以集成運(yùn)放電路選擇AD620作為放大芯片。信號(hào)調(diào)理電路中如果應(yīng)變片電路中電橋的4個(gè)電阻不匹配，或者存在一定的誤差，就會(huì)對(duì)放大電路的輸出信號(hào)有影響，所以選擇AD705構(gòu)成的電壓跟隨器，作緩沖級(jí)，起阻抗變換調(diào)零作用。1.1.4 無源濾波電路方案 對(duì)信號(hào)的頻率具有選擇性的電路稱為濾波電路，它的功能是使特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，

15、而阻止其它頻率的信號(hào)通過。為了降低噪聲和干擾，應(yīng)變電橋輸出的幾十毫伏級(jí)的電壓在放大后必須要進(jìn)行一定的濾波處理。濾波器的種類有很多，按信號(hào)處理的方式不同，主要分為數(shù)字濾波器和模擬濾波器，因?yàn)橐幚淼男盘?hào)是經(jīng)應(yīng)變片電路輸出的模擬信號(hào)，而且為了達(dá)到最好的濾波效果，我們這次選用模擬濾波器，模擬濾波器又分為有源和無源，其中無源濾波器電路的主要由無源元件電阻R,電感L和電容C組成，其優(yōu)點(diǎn)為成本較低，運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)比較成熟，且電路簡(jiǎn)單，它的諧波濾除率一般最多可達(dá)80%左右4。該檢測(cè)過程要求濾波器的截止頻率為1000Hz，也就是低于1000Hz的信號(hào)可以通過，1000Hz以上的信號(hào)將會(huì)被衰減。RC濾波電路結(jié)構(gòu)

16、簡(jiǎn)單且應(yīng)用較為普遍，因此，濾波電路采用RC低通無源濾波電路。并且為了抑制50Hz左右的工頻干擾，降低噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響，還需在無源濾波電路后加一個(gè)50Hz左右的帶阻濾波器。電源電路50Hz帶阻濾波器AD705調(diào)零電路AD620放大電路RC低通無源濾波器應(yīng)變片電路1.1.4 設(shè)計(jì)總框圖 方案一的總體框圖如下：電源電路由5V直流雙電源供電，應(yīng)變片電路將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后，電壓大概在-30mV30mV之間，然后經(jīng)過AD620放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行124倍的放大，同時(shí)經(jīng)過AD705調(diào)零電路，將調(diào)零后的信號(hào)反饋到AD620放大電路，AD620的輸出信號(hào)再經(jīng)過截止頻率為1000Hz的RC低通無源濾波電路

17、進(jìn)行濾波，最后，經(jīng)過50Hz帶阻濾波器進(jìn)行最后的濾波處理。圖1.1 方案一設(shè)計(jì)框圖1.2 方案二1.2.1 電源電路 由于5V直流單電源可以滿足設(shè)計(jì)要求，所以電源電路采用5V直流單電源供電。1.2.2 應(yīng)變片電路 由于電橋電路應(yīng)用較為廣泛且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以應(yīng)變片電路采用惠斯通全橋電路1.2.3 集成放大電路方案 根據(jù)傳感器輸出信號(hào)特點(diǎn)，放大器的設(shè)計(jì)主要的要求是高增益,低噪聲。OP07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成芯片，因?yàn)镺P07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（最大為25uV),所以，OP07在許多的應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施，同時(shí)，OP07還具有輸入偏置電流低（±2nA)

18、，開環(huán)增益高（300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)，高開環(huán)增益的特點(diǎn)使得OP07很適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面的應(yīng)用。由前面的分析可知，OP07可以作為集成運(yùn)放的放大芯片8。1.2.4 濾波電路方案 由于無源濾波的諧波濾除率一般最多只有80%，所以有時(shí)需要采用有源濾波，可以保證信號(hào)有更好的純凈度，而有源濾波器自身就是諧波源，雖然其價(jià)格昂貴，容量小，且技術(shù)不成熟，穩(wěn)定性也不及無源，但它的濾波效果可以達(dá)到95%以上。有源濾波器由集成運(yùn)放和電阻R,電容C組成，具有不用電感，體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，為配合集成運(yùn)放達(dá)到最好的濾波效果，濾波部分選用有源濾波器。有源濾波器是指除無源元件（電

19、阻R，電容C，電感L）外，還采用具有放大作用的有源元件構(gòu)成的濾波器。相比最基本的RC低通濾波電路，對(duì)于低頻成分，電容C所呈現(xiàn)的容抗較大，所以信號(hào)能通過；對(duì)于高頻成分，電容C的容抗較小，信號(hào)的消耗比較大，不易通過。這種電路有兩個(gè)缺點(diǎn)：1.電阻R對(duì)所有的信號(hào)（包括低頻信號(hào)）都具有衰減作用。2.帶負(fù)載的能力很弱。如果把RC低通濾波電路與集成運(yùn)放結(jié)合在一起，就可以構(gòu)成如圖所示的一階（RC網(wǎng)絡(luò)）有源濾波器。因?yàn)榧蛇\(yùn)放具有較大的增益，較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，所以可以彌補(bǔ)無源濾波器的缺陷5。1.2.5 總體設(shè)計(jì)框圖 方案二的設(shè)計(jì)總框圖如下：電源電路采用5V直流單電源供電，應(yīng)變片電路將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

20、電信號(hào)后，電壓大概在-30mV30mV之間，然后經(jīng)過OP07放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行124倍的放大，OP07的輸出信號(hào)再經(jīng)過截止頻率為1000Hz的RC低通無源濾波電路進(jìn)行濾波，最后，經(jīng)過50Hz帶阻濾波器進(jìn)行最后的濾波處理。有源濾波電路OP07放大電路應(yīng)變片電路電源電路50Hz帶阻濾波器 圖1.2 方案二設(shè)計(jì)框圖1.3 方案對(duì)比 在方案一和方案二中，因?yàn)锳D620是雙電源供電，為了減小誤差，電源電路采用5V直流雙電源供電，應(yīng)變片電路均采用惠斯通全橋電路，而在放大部分，AD620的增益僅與外部增益調(diào)節(jié)電阻RG有關(guān)，這樣放大倍數(shù)就可以很方便的進(jìn)行控制，而且其只有一個(gè)輸出端，一個(gè)反相輸入端和一個(gè)同相輸入

21、端，這樣可以使電路連接簡(jiǎn)單方便，而且AD620和AD705配合可以達(dá)到很好的放大效果；OP07和AD620的特性對(duì)比時(shí)，發(fā)現(xiàn)AD620的性能更優(yōu)，且為儀表類放大常用的放大器。在濾波部分，有源濾波器的濾波效果要比無源濾波器的濾波效果好，但是無源濾波器采用RC低通無源濾波電路，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。綜合以上因素，選用方案一。2 芯片介紹2.1 AD620芯片2.1.1 AD620引腳圖圖2.1 AD620引腳圖6 AD620引腳功能如下： 引腳1，8：外接增益調(diào)節(jié)電阻RG 引腳2：反相輸入端 引腳3：同相輸入端 引腳4：負(fù)電源 引腳5：參考端 引腳6：輸出端 引腳7：正電源2.1.2 AD620特性

22、 增益通過一個(gè)外部電阻RG設(shè)置（增益范圍：1至10000） 寬電源電壓范圍：（±2.3V至±18V） 性能高于3運(yùn)放分立儀表放大器設(shè)計(jì) 采用8引腳DIP和SOIC封裝 低功耗，最大工作電流1.3mA 輸入失調(diào)電壓:50uV(最大值) 輸入失調(diào)漂移：0.6uV（最大值） 輸入偏置電流：1.0nA（最大值） 共模抑制比：100dB（最小值，G=10） 低噪聲 輸入電壓噪聲：9nV/Hz（1kHz） 0.28uV峰峰值噪聲（0.1Hz至10Hz） 帶寬：120kHz(G=100)2.1.3 AD620工作原理圖2.2 AD620工作原理圖6AD620是一款單芯片儀表放大器，用戶只

23、需要改變RG阻值的大小，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的控制。輸入晶體管Q1，Q2提供一路高精度差分對(duì)雙極性輸入，反饋環(huán)路Q1-A1-R1和Q2-A2-R2使輸入器件Q1和Q2的集電極電流保持恒定，從而可以將輸入電壓作用于外部增益設(shè)置電阻RG上，這樣就產(chǎn)生了從輸入至A1/A2輸出的差分增益期，計(jì)算公式為： G=（RI+R2）/RG+1 （2.1）AD705用來消除共模信號(hào)，以獲得折合到REF引腳電位的單端輸出。RG阻值的大小還可以決定前置放大器級(jí)的跨導(dǎo)。當(dāng)減小RG以獲得更大的增益時(shí)，該跨導(dǎo)將漸近增大到輸入晶體管的跨導(dǎo)。這樣的話會(huì)帶來三大好處：（1）開環(huán)增益得以提升將會(huì)提供更大的編程增益，從而可以減小與增益相

24、關(guān)的誤差;(2)增益帶寬積隨著編程增益的提高而增大，進(jìn)而可以優(yōu)化頻率響應(yīng)；（3）輸入電壓噪聲降至9nV/Hz，其主要由輸入器件的集電極電流和基電極電阻決定7。內(nèi)部增益電阻R1和R2已調(diào)整至絕對(duì)值24.7k，因此利用一個(gè)外部電阻RG就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的精確控制。增益公式為： G=49.7k/RG+1 （2.2） RG=49.7k/(G-1) （2.3） 由此可見，僅改變RG的值的大小，就可以改變其增益的大小。2.2 AD705芯片2.2.1 AD705引腳圖圖2.3 AD705芯片引腳圖8 AD705引腳功能： 引腳1，8：調(diào)零端 引腳2：反相輸入端 引腳3：同相輸入端 引腳4：負(fù)電源 引腳5：接

25、地 引腳6：輸出端 引腳7：正電源2.2.2 AD705特性 AD705是在每個(gè)集成塊內(nèi)只封裝一個(gè)運(yùn)算放大器。AD705是低功耗、雙極型的運(yùn)算放大器，它具有雙極型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸入級(jí)，因此，它具有輸入阻抗高、輸入失調(diào)電壓低、輸入偏置電流小、輸入失調(diào)電壓漂移小的特點(diǎn)。由于采用超雙極性技術(shù)，AD705的失調(diào)電壓可以達(dá)到微伏級(jí)，并且還具有精密雙極型運(yùn)算放大器的低噪聲特性。與OP07相比，輸入失調(diào)電壓僅為OP07的1/15，溫度漂移值為OP07的1/2。由于雙極型場(chǎng)效應(yīng)晶體管是輸入級(jí)，因此，信號(hào)源阻抗可以比OP07高得多，但是它的直流精度卻保持不變9。2.3 OP07芯片圖2.4 OP07引腳圖10

26、OP07引腳功能： 引腳1,8:調(diào)零端 引腳2：反相輸入端 引腳3：同相輸入端 引腳6:輸出端 引腳5：空腳端 引腳7：正電源端 引腳4：負(fù)電源端3 Multisim11.0軟件介紹Multisim11.0具有界面形象直觀、操作方便、易學(xué)易用等突出優(yōu)點(diǎn)，Multisim11.0的功能繁多，其主要的基本功能有：1. 建立電路原理圖方便快捷。Multisim11.0為用戶提供數(shù)量眾多的現(xiàn)實(shí)元器件和虛擬元器件，分門別類的存放在18個(gè)元器件庫中，繪制電路圖方便快捷。2. 用虛擬儀器儀表測(cè)試電路性能參數(shù)及波形圖準(zhǔn)確直觀。Multisim11.0為用戶提供22種虛擬儀器儀表，包括數(shù)字萬用表，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

27、，功率表，雙蹤示波器，4通道示波器，波特圖示儀，頻率計(jì)，數(shù)字信號(hào)發(fā)生器等，這些儀器儀表不僅外形和使用方法與實(shí)際儀器相同，而且測(cè)試的數(shù)值和波形更加精確可靠。3. 完備的性能分析手段。Multisim11.0可以進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析，交流分析，噪聲分析，失真度分析，直流掃描分析，靈敏度分析，參數(shù)掃描分析，溫度掃描分析等，分析結(jié)果以數(shù)值或波形圖直觀地顯示出來。Multisim11.0不但可以對(duì)模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，而且可以對(duì)數(shù)?；旌戏抡婧蜕漕l（RF）進(jìn)行仿真。如果仿真失敗時(shí)會(huì)顯示錯(cuò)誤信息并且會(huì)提示可能出錯(cuò)的原因，基本滿足電子電路設(shè)計(jì)和分析的要求。4. 完美的兼容能力。Multisim11.0

28、可以打開先前版本EWB和Multisim文件，還能打開Spice網(wǎng)絡(luò)表文件，Ulticap文件等，并且會(huì)自動(dòng)形成相應(yīng)的電路原理圖。也可以將Multisim11.0建立的電路原理圖轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)表文件，提供給Ultiboard11模塊或其他EDA軟件進(jìn)行印制電路板圖的自動(dòng)布局和自動(dòng)布線。 對(duì)于從事電子技術(shù)產(chǎn)品的工程師們，使用Multisim11.0可以做到隨時(shí)修改設(shè)計(jì)方案，完善電路設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。目前電子行業(yè)普遍使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，設(shè)計(jì)，制造，Multisim11.0是應(yīng)用最為廣泛的軟件之一11。4 硬件電路設(shè)計(jì)4.1 電源電路本系統(tǒng)需要5V直流雙電源電源供電，電路如圖4.1圖示：由設(shè)計(jì)

29、的電路可以看出，電路前端是將220V的交流電通過9V的變壓器轉(zhuǎn)化成9V的交流電，然后通過整流橋?qū)⑵湔?，再通過兩個(gè)C11（1000uF）和C4（33uF）進(jìn)行濾波，最后通過穩(wěn)壓管7805和7905將其穩(wěn)壓成±5V，就可以得到所需的±5V直流電壓。圖4.1 5V雙電源電路4.2 應(yīng)變片電路 按照設(shè)計(jì)要求，選用電阻應(yīng)變式傳感器，電阻應(yīng)變式傳感器是以電阻應(yīng)變計(jì)為轉(zhuǎn)換元件的電阻式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計(jì)、補(bǔ)償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測(cè)量要求設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到所測(cè)量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計(jì)一起變形,電阻應(yīng)變計(jì)再將變形轉(zhuǎn)換為

30、電阻值的變化，從而可以測(cè)量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量，并將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。常用的電橋主要有單臂電橋，鄰臂電橋，和全臂電橋，考慮到全橋的靈敏度是半橋的兩倍，半橋是單臂的兩倍，所以選用全橋電路，已知在靜態(tài)時(shí)R1=R2=R3=R4=350，電橋的輸入信號(hào)為±5V，所以其輸出信號(hào)在-30mV30mV之間，應(yīng)變片電路如下圖所示：圖3.1 惠斯通全橋電路4.3 AD620一級(jí)放大電路 按照設(shè)計(jì)要求，一級(jí)放大倍數(shù)： G=1+（49.4K/RG） （4.1）由于在一次放大后，第二次放大的倍數(shù)只需幾倍，就可以達(dá)到要求的100倍左右的放大倍數(shù)，為了讓放大電路的放大性能更加穩(wěn)定，將一級(jí)

31、放大倍數(shù)做到20倍左右就可以，由公式4.1計(jì)算，可調(diào)電阻RG在2K就可以滿足條件，2，3端是輸入端與應(yīng)變片電路連接，6端輸出一次放大后的信號(hào)。通過仿真圖我們可以發(fā)現(xiàn)，電壓放大的倍數(shù)大概在120倍左右，也就是將30mV的電壓放大到120倍左右，通過示波器的顯示可以看出，輸出沒有失真，所以利用一級(jí)放大就可以滿足要求。在仿真調(diào)試時(shí)，由于需要放大的信號(hào)最大為30mV，所以在調(diào)試時(shí)輸入端接入正弦波的峰峰值為2mVPP，頻率為50Hz,由于電壓放大倍數(shù)只與RG有關(guān)，所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)中1，8端口接入的電阻為600，并將其可調(diào)范圍設(shè)置在66%，7，4端口接入的是+5V和-5V電壓，3，2端口接入的是信號(hào)輸入的

32、正端和負(fù)端，調(diào)試結(jié)果可由示波器的輸出得到，參考示波器的輸出結(jié)果，我們可以得到放大倍數(shù)為：(973.498/7.848124倍），參考AD620的引腳圖得出了一級(jí)放大電路圖如下圖示：圖4.2 AD620一級(jí)放大電路利用Multisim軟件，我們對(duì)所設(shè)計(jì)的放大電路進(jìn)行了仿真，其輸出波形如下：圖4.3 AD620一級(jí)放大輸出波形圖 從示波器的輸出可以看出，放大倍數(shù)約為（973.498mV/7.848mV約為124倍），波形沒有失真，基本滿足放大部分設(shè)計(jì)要求。4.4 RC無源低通濾波電路 對(duì)于幅頻特性來講，我們把能夠通過的信號(hào)頻率范圍稱為通帶，把受阻或衰減的信號(hào)頻率范圍成為阻帶，通帶的界限頻率和阻帶的

33、界限頻率成為截止頻率。根據(jù)通帶和阻帶的位置不同，濾波電路通常分為低通濾波電路，高通濾波電路，帶通濾波電路，帶阻濾波電路，全通濾波電路五種。無源濾波電路指僅由電阻R，電感器（線圈）L和電容器C等無源元件構(gòu)成的濾波器。對(duì)于低通濾波，設(shè)截止頻率為fc,頻率低于fc,的信號(hào)能夠通過，高于fc的信號(hào)將會(huì)被衰減12。按設(shè)計(jì)要求，低于1000Hz的信號(hào)可以通過,高于1000Hz信號(hào)將會(huì)被衰減。從電路簡(jiǎn)單方面來說，RC低通濾波器就可以達(dá)到要求的濾波效果，所以選用RC低通無源濾波。由于頻率w=(1/)=2f，f=1000Hz，可以得出RC的關(guān)系： （4.3） 由RC的關(guān)系可以得出，當(dāng)給定其中一個(gè)值時(shí)，就可以確定

34、另外一個(gè)值，取電容值為0.1uF，那么R的值大概在1600左右，因此，我們可以選用2K的可調(diào)電阻，并將其可調(diào)范圍設(shè)置在80%，由于任何穩(wěn)態(tài)信號(hào)都可以分解成若干頻率正弦信號(hào)的疊加，所以放大電路經(jīng)常以正弦波作為測(cè)試信號(hào)，所以，在調(diào)試時(shí)，在其輸入端接入的是正弦波，峰峰值為3V，頻率為50Hz，示波器的B端口接輸出信號(hào)，由于放大后的信號(hào)在3.7V左右，所以，在Y軸的每一格的電壓刻度設(shè)定的比放大前大，在仿真時(shí)。我們可以通過調(diào)整可調(diào)電阻R的阻值來觀察其濾波曲線，由于所設(shè)計(jì)的濾波器的截止頻率為1000Hz，我們可以借助仿真觀察在1000Hz左右時(shí)，其曲線的衰減是否在0.707V左右，如果觀察到滿足在1000

35、Hz時(shí)，曲線的衰減在0.707V左右，說明在理論上，基本可以滿足設(shè)計(jì)要求。但是在實(shí)際中，往往會(huì)由于噪聲過大而導(dǎo)致濾波效果很不理想，有時(shí)有用信號(hào)很容易被淹沒在噪聲中，所以，在實(shí)際電路調(diào)試時(shí)，是比較麻煩的。由上面的計(jì)算，我們得出RC低通濾波電路如下：圖4.5 RC低通濾波電路 利用Multisim11.0軟件可得示波器的輸出如下：圖4.6 RC低通濾波輸出波形圖4.5 50Hz帶阻濾波器電路帶阻濾波器能將某一頻率范圍內(nèi)的電壓傳輸?shù)捷敵龆耍瑸V掉該頻率范圍外的電壓。按照設(shè)計(jì)要求，應(yīng)濾掉50Hz左右的工頻干擾信號(hào)，由低通濾波器和高通濾波器的幅頻特性曲線，可以考慮將輸入電壓同時(shí)作用于低通濾波器和高通濾波器

36、，再將兩個(gè)電路的輸出電壓求和，就可以得到要求的帶阻濾波器，考慮到電路比較復(fù)雜，代價(jià)高而且做出來的濾波效果也沒有諧振回路好，我們可以參考高頻振蕩電路，串聯(lián)諧振回路和并聯(lián)諧振回路13。按照要求，并聯(lián)諧振回路和串聯(lián)諧振回路的參數(shù)分別由公式：,f=50Hz,從而可以確定RC的關(guān)系，得出電路的參數(shù)。如下圖是由一個(gè)T型低通濾波器加一個(gè)T型高通濾波器組合得到的雙T網(wǎng)絡(luò)，其調(diào)試過程如下：輸入端接正弦信號(hào)連接到示波器的A端口，輸出端接示波器的B端口，由于放大后的信號(hào)不是很大，所以接入的正弦信號(hào)最大值為3V左右，頻率為50Hz，調(diào)試結(jié)果如下：圖4.8 雙T網(wǎng)絡(luò) 利用Multisim11.0得交流仿真圖如下：圖4.

37、9 雙T網(wǎng)絡(luò)交流分析圖 由仿真圖可以看出，在頻率為50Hz左右時(shí)，輸出約為40mV，而不為0，當(dāng)頻率為15Hz時(shí)，其衰減約為707mV，所以15Hz為其低頻段的截止頻率，即在頻率為0Hz15Hz左右時(shí)，信號(hào)可以通過，由圖可知，其高頻段的截止頻率約為200Hz，所以在頻率為15Hz200Hz左右時(shí)，信號(hào)被衰減。所以，在理論情況下，雙T網(wǎng)絡(luò)不滿足設(shè)計(jì)要求。圖4.10 并聯(lián)諧振電路圖 利用Multisim11.0軟件可得仿真圖如下：圖4.11 并聯(lián)諧振示波器的輸出波形圖圖4.12 并聯(lián)諧振電路交流分析圖 由仿真圖可以看出，在頻率為50Hz左右時(shí)，輸出約為70mV，而不為0，當(dāng)頻率為30Hz時(shí)，其衰減

38、約為707mV，所以30Hz為其低頻段的截止頻率，并在頻率為0Hz30Hz左右時(shí)信號(hào)可以通過，由圖可知，其高頻段的截止頻率約為85Hz，所以在頻率為30Hz85Hz左右時(shí)，信號(hào)被衰減，所以，在理論情況下，RLC并聯(lián)諧振回路濾波效果不是很理想。圖4.13 串聯(lián)諧振電路圖 利用Multisim11.0軟件可得仿真圖如下：圖4.14 串聯(lián)諧振電路交流分析圖由仿真圖可以看出，在頻率為50Hz左右時(shí)，輸出約為14mV，而不為0，當(dāng)頻率為30Hz時(shí)，其衰減約為707mV，所以30Hz為其低頻段的截止頻率，并在頻率為0Hz30Hz左右時(shí)，信號(hào)可以通過，由圖可知，其高頻段的截止頻率約為85Hz，所以在頻率為3

39、0Hz85Hz，信號(hào)被衰減，所以，在理論情況下，RLC串聯(lián)諧振回路濾波效果不是很理想。與雙T網(wǎng)絡(luò)相比，RLC并聯(lián)諧振回路與RLC串聯(lián)諧振的濾波特性要好一些，且兩者在軟件仿真時(shí)均不理想，但在50Hz時(shí)，串聯(lián)諧振回路的輸出最接近0，因此，選擇串聯(lián)諧振回路。4.6 AD705調(diào)零電路信號(hào)調(diào)理電路中如果應(yīng)變片電路的四個(gè)電阻不匹配的話，就會(huì)導(dǎo)致共模電壓不為0，所以必須要接入AD705構(gòu)成的調(diào)零電路，此外，AD705構(gòu)成的電壓跟隨器，不但可以起到調(diào)零作用，還可以作緩沖級(jí)，起阻抗變換作用，為后級(jí)濾波器高品質(zhì)的工作提供保證。此外，還可以起隔離作用，隔離放大器放大過程、電壓提升過程中的噪聲。如圖4.15所示，A

40、D705調(diào)零后的信號(hào)反饋到AD620，AD620的輸出信號(hào)經(jīng)示波器的B端口可以看出，AD620的3，2端口分別接輸入信號(hào)的正，負(fù)端，AD620的1，8端接可調(diào)電阻RG，AD620和AD705的7，4端口分別接±5V電源。圖4.15 AD705調(diào)零電路4.7 總體電路圖 如4.16圖為設(shè)計(jì)的總體電路圖，全橋電路接±5V電壓，其輸出的電壓大小在-30mV30mV之間，全橋電路輸出的信號(hào)正端接AD620的3端，負(fù)端接AD620的2端，AD620的1，8連接RG可調(diào)電阻，對(duì)電路的放大倍數(shù)進(jìn)行控制，7，4接±5V電壓,5端口連接AD705的輸出端6，如果全橋電路的四個(gè)電阻不

41、匹配的話，就會(huì)導(dǎo)致共模電壓不為0，AD705在這里起到一個(gè)調(diào)零的作用，經(jīng)過AD620放大后的信號(hào)連接RC低通無源濾波電路，其截止頻率為1000Hz,為了抑制50Hz的工頻干擾，將RC低通無源濾波電路輸出的信號(hào)連接到50Hz帶阻濾波器，再對(duì)其進(jìn)行濾波，這樣就可以從示波器的B端口觀察到最終輸出的電壓波形。圖4.16 總體電路圖5 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果與誤差5.1 放大電路實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)：表5.1 放大電路測(cè)試數(shù)據(jù)放大倍數(shù)輸出電壓（3次平均值）U/V3.72253.09522.46891.84901.23926.135006.15061.24131.84722.47053.10243.7098輸入電壓V/mV

42、124.08123.81123.45123.27123.92122.700123.01124.13123.15123.53124.09123.66-30-25-20-15-10-5051015202530 電壓放大倍數(shù)的理想值為124倍，本文用標(biāo)準(zhǔn)差來衡量這組測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度，零輸入的測(cè)量不計(jì)在內(nèi)，12個(gè)數(shù)的平均值為：則標(biāo)準(zhǔn)差為:zzz則電壓放大倍數(shù)可以表示為：K=123.567±0.466這說明本文設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路的放大部分能滿足設(shè)計(jì)要求。5.2 RC低通濾波電路實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)表5.2 濾波電路測(cè)試數(shù)據(jù)輸出電壓值u/V頻率f/Hz0.9880.9030.7800.5060.1090

43、.4500.7040.9420.9851.020.1.0660.8650.7050.2680.12530354045505560657075.900950100010501100 由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，濾波電路由一個(gè)截止頻率為1000Hz的低通濾波器和一個(gè)50Hz的帶阻濾波器疊加而成，在頻率為30Hz時(shí)，輸出開始緩慢的減小，在頻率為45Hz時(shí)，頻率下降的速度加快，在頻率為50Hz時(shí)，輸出的電壓值為0.109V，達(dá)到最小，在50Hz以后，隨著頻率的增大，輸出也開始增大，在頻率75Hz時(shí)，達(dá)到最大，繼續(xù)增大頻率，發(fā)現(xiàn)頻率達(dá)到950Hz時(shí)，輸出有所下降，當(dāng)頻率達(dá)到1000Hz時(shí)，輸出為0.705V，這是RC低通濾波器造成的。 從以上的測(cè)量結(jié)果中可以看出放大，濾波處理都已實(shí)現(xiàn)。從放大測(cè)試結(jié)果中可以看出，采用AD620設(shè)計(jì)的放大電路，其放大效果比較好，在低頻點(diǎn)時(shí)誤差較大。使用RC低通無源濾波和RLC串聯(lián)諧振回路組成的濾波電路，濾波效果不是很理想。引起該種現(xiàn)象的原因有兩個(gè)