基于基本的傳感器原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換電路仿真及電荷放大器電路的設(shè)計(jì)與焊接課程設(shè)計(jì)（可編輯）

1、 摘要 本課程設(shè)計(jì)基于根本的傳感器原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換電路仿真及電荷放大器電路的設(shè)計(jì)與焊接。設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求如下: 內(nèi)容及安排: 1. Multisim仿真軟件學(xué)習(xí); 2.轉(zhuǎn)換電路仿真調(diào)試及序理分析:(1)根本電路(2)低頻功率放大器(3)交流電橋電路(4)整流電路(5)二階低通濾波電路(6)二階?通電路(7)比例放大電路(8)直流差動(dòng)電橋放大電路(9)單臂直流電橋電路(10)二階有源低通濾波電路 3.電荷放大器電路設(shè)計(jì)與焊接; 4.電路測(cè)試及考核。 要求:(1)認(rèn)真學(xué)習(xí)仿真軟件; (2)分析各轉(zhuǎn)換電路的原理及其相關(guān)的結(jié)果并進(jìn)行調(diào)試; (3)撰寫(xiě)報(bào)告,進(jìn)行總結(jié)。 關(guān)鍵字 Multisim仿真軟件轉(zhuǎn)換電路

2、電荷放大器 第二章 引言 傳感器技術(shù)是利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的一門(mén)綜合技術(shù)學(xué)科,是在現(xiàn)今科學(xué)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)信息化的根底技術(shù)之一?，F(xiàn)代測(cè)量、控制與自動(dòng)化技術(shù)的飛速開(kāi)展,特別是電子信息科學(xué)的開(kāi)展,極大地促進(jìn)了現(xiàn)代傳感器技術(shù)的開(kāi)展。同時(shí)我們也看到,傳感器在日常生活中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛,可以說(shuō)它已成為了測(cè)試測(cè)量不可或缺的環(huán)節(jié)。因此,學(xué)習(xí)、研究并在實(shí)踐中不斷運(yùn)用傳感器技術(shù)是具有重大意義的。 隨著傳感器的應(yīng)用與開(kāi)展,其種類(lèi)也在不斷地增加。其中一些比擬常見(jiàn)的有電阻應(yīng)變式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器等,其中應(yīng)用最廣泛的是電阻應(yīng)變式傳感器。 電阻應(yīng)變式傳感器(st

3、raingauge type transducer )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。傳感器中的電阻應(yīng)變片具有金屬的應(yīng)變效應(yīng),即在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變,從而使電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。電阻應(yīng)變片主要有金屬和半導(dǎo)體兩類(lèi),金屬應(yīng)變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導(dǎo)體應(yīng)變片具有靈敏度高(通常是絲式、箔式的幾十倍)、橫向效應(yīng)

4、小等優(yōu)點(diǎn)。 第3章根本原理 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CB7665-87對(duì)傳感器的定義是:“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器是一種檢測(cè)裝置,能感受被測(cè)量的信息,并能將檢測(cè)感受到的信息,按一定規(guī)律變換成電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求,是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。 傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路三局部組成,其工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律,由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料,并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件,這是開(kāi)展高性能、多功能、低本錢(qián)和小型化傳感器的重

5、要途徑。結(jié)構(gòu)型傳感器開(kāi)展得較早,目前日趨成熟。結(jié)構(gòu)型傳感器,一般說(shuō)它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積偏大,價(jià)格偏高。物性型傳感器大致與之相反,具有不少誘人的優(yōu)點(diǎn),加之過(guò)去開(kāi)展也不夠。應(yīng)變片測(cè)量原理 電阻應(yīng)變片(金屬絲、箔式或半導(dǎo)體應(yīng)變片)粘貼在測(cè)量壓力的彈性元件外表上,當(dāng)被測(cè)壓力變化時(shí),彈性元件內(nèi)部應(yīng)力變形,這個(gè)變形應(yīng)力使應(yīng)變片的電阻產(chǎn)生變形,根據(jù)所測(cè)電阻變化的大小來(lái)測(cè)量未知壓力,也實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)未知質(zhì)量的檢測(cè)。 設(shè)一根電阻絲,電阻率為,長(zhǎng)度為l,截面積為S,在未受力時(shí)的電阻值為 R- 圖一 金屬絲伸長(zhǎng)后幾何尺寸變化 如圖一所示,電阻絲在拉力F作用下,長(zhǎng)度l增加,截面S減少,電阻率也相應(yīng)變化,將引起電阻變化R,

6、其值為 ?R/R?S/S+?/- 對(duì)于半徑r為的電阻絲,截面面積S,那么有s/s2?r/r。令電阻絲的軸向應(yīng)變?yōu)?l/l,徑向應(yīng)變?yōu)?r/r-?l/l -,由材料力學(xué)可知,為電阻絲材料的泊松系數(shù),經(jīng)整理可得 ?R/R(1+2)+?/- 通常把單位應(yīng)電所引起的電阻相對(duì)變化稱(chēng)為電阻絲的靈敏系數(shù),其表達(dá)式為 K1+2 - 從可以明顯看出,電阻絲靈敏系數(shù)K由兩局部組成:受力后由材料的幾何尺寸受力引起1+2;由材料電阻率變化引起的?/ -1。對(duì)于金屬絲材料,?/ -1項(xiàng)的值比1+2小很多,可以忽略,故K1+2。大量實(shí)驗(yàn)證明,在電阻絲拉伸比例極限內(nèi),電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比,即為常數(shù)?？蓪?xiě)成 ?R/RK

7、 - 第四章 電路仿真與分析直流疊加定理疊加定理驗(yàn)證電路 先測(cè)R3兩端的電壓36.666V,這個(gè)電壓為V1和I1共同作用的結(jié)果。疊加定理驗(yàn)證電路 1將I1斷開(kāi),V1單獨(dú)供電的驗(yàn)證電路,R3兩端為3.333V疊加定理驗(yàn)證電路 2將V1短路,I1單獨(dú)供電的驗(yàn)證電路,R3兩端為33.333V。疊加定理驗(yàn)證電路 3 結(jié)果分析 V1和I1共同作用時(shí)R3兩端的電壓為36.666V,V1和I1單獨(dú)工作時(shí)R3兩端的電壓分別為3.333V和33.333V,這兩個(gè)數(shù)值之和等于前者,符合疊加定理的描述。戴維南定理戴維南定理仿真電路 分別測(cè)量流過(guò)R4的電流和R4兩端的電壓,萬(wàn)用表顯示 IR416.667 mAUR43

8、.333 V戴維南定理仿真電路 1斷開(kāi)負(fù)載R4,測(cè)量原來(lái)R4的電壓為6V。 戴維南定理仿真電路 2 將直流電壓源用導(dǎo)線替換掉,測(cè)原R4兩端的電阻,測(cè)量結(jié)果為160?.。戴維南定理仿真電路 3R4左邊的電路等效為原R4兩端電壓和電阻串聯(lián)形式,再與R4相連接。這時(shí)測(cè)量R4流過(guò)的電流和R4兩端的電壓分別為IR416.667 mA UR43.333 V戴維南定理仿真電路 4結(jié)果分析 前后步驟測(cè)量的兩組數(shù)字根本一致,從而驗(yàn)證了戴維寧定理的正確性。閉合開(kāi)關(guān)J1,觀察放大器工作于乙類(lèi)工作狀態(tài)時(shí)的輸出和輸入電壓波形(下列圖1所示)。斷開(kāi)開(kāi)關(guān)J1,觀察輸出和輸入波形(下列圖2所示),與上述步驟觀察的內(nèi)容進(jìn)行比擬

9、。圖1 交越失真的波形圖2 不失真的輸出波形結(jié)果仿真仿真分析交流電橋平衡要滿足兩個(gè)條件。即相對(duì)兩臂復(fù)阻抗的模之積相等,并且其副角之和相等。所以交流電橋的平衡比直流電橋的平衡要復(fù)雜得多。對(duì)于純電阻交流電橋,由于應(yīng)變片連接導(dǎo)線的分布電容,相當(dāng)于在應(yīng)變片上并聯(lián)了一個(gè)電容,如圖,所以在調(diào)節(jié)平衡時(shí),除使用電阻平衡裝置外,還要使用電容平衡裝置。結(jié)果仿真仿真結(jié)果分析R1是要求直流供電的負(fù)載電阻,四只整流二極管D1D4結(jié)成電橋的形式,固有橋式整流電路之稱(chēng)。在橋式整流電路中,二極管D1?D3和D2?D4是兩兩輪流導(dǎo)通的。在電源的正負(fù)半周內(nèi)電流通過(guò)電路時(shí),負(fù)半周通過(guò)D2.4,正半周通過(guò)D1.3.通過(guò)負(fù)載R1的電流

10、以及電壓的波形如仿真圖所示。顯然,它們都是單方向的全波脈動(dòng)波形結(jié)果仿真仿真分析根據(jù)數(shù)字信號(hào)的知識(shí)可知,所有信號(hào)都是由無(wú)窮個(gè)正余弦信號(hào)疊加在一起得到,通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換即可得到信號(hào)的頻譜組成成分。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可知,要想到達(dá)較好的濾波效果,設(shè)置的截止頻率必須大于信號(hào)基波頻率的10 倍以上,具體的設(shè)置還要參考噪聲的頻率。仿真電路仿真分析二階濾波器對(duì)于削減高頻信號(hào)能起到更高的效果。這種類(lèi)型的濾波器的波特圖類(lèi)似于一階濾波器,只是它的滾降速率更快。其它的二階濾波器最初的滾降速度可能依賴(lài)于它們的Q 因數(shù),但是最后的速度都是每倍頻 -12dB。本電路設(shè)計(jì)的二階低通濾波的截止頻率為放大倍數(shù)結(jié)果仿真仿真

11、結(jié)果分析比例放大器設(shè)置的放大倍數(shù)為-5 倍,信號(hào)源的幅值設(shè)置為500MV,頻率為1KHZ,根據(jù)仿真結(jié)果的波形 ,驗(yàn)證了比例放大器的正確性。電路中的R3 起阻抗匹配作用結(jié)果仿真 仿真結(jié)果分析差動(dòng)放大器的特點(diǎn)是靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定,對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力, 它唯獨(dú)對(duì)輸入信號(hào)的差(差模信號(hào))做出響應(yīng),這些特點(diǎn)在電子設(shè)備中應(yīng)用很廣。集成運(yùn)算放大器幾乎都采用差動(dòng)放大器作為輸入級(jí)。這種對(duì)稱(chēng)的電壓放大器有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端,電路使用正、負(fù)對(duì)稱(chēng)的電源。根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)可分為:雙端輸入雙端輸出,雙端輸入單端輸出,單端輸入雙端輸出及單端輸入單端輸出四種接法。凡雙端輸出,差模電壓增益與單管共發(fā)放大器相同;而單端輸出

12、時(shí),差模電壓增益為雙端輸出的一半,另外,假設(shè)電路參數(shù)完全對(duì)稱(chēng),那么雙端輸出時(shí)的共模放大倍數(shù)為0,其實(shí)測(cè)的共模抑制比將是一個(gè)較大的數(shù)值,愈大,說(shuō)明電路抑制共模信號(hào)的能力愈強(qiáng)。 本系統(tǒng)R5、R6、R7、R8 產(chǎn)生直流差動(dòng)信號(hào),經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大器,放大有用信號(hào)的同時(shí),抑制噪聲。R1、R2、R3、R4 組成差動(dòng)放大器,電路的輸出 : 仿真分析如圖為單臂直流電橋電路,R2,R3,R4全為400歐,R1為滑動(dòng)變阻器。當(dāng)為如下圖時(shí),R1為500歐姆,劃片為45%時(shí)加上12伏直流電壓,輸出為1.68伏。當(dāng)R1變?yōu)?%時(shí)那么輸出電壓變?yōu)?伏,此時(shí)電橋的輸出電壓為UoUi.1 當(dāng)應(yīng)變片工作時(shí),其電阻變化,此時(shí)不平衡電

13、壓輸出為。 2 設(shè)橋臂比,由于仿真分析 此電路是由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成的二階有源低通濾波電路,如上圖所示。考慮到集成運(yùn)放的同相輸入端電壓為(1) 而和的關(guān)系為(2) 對(duì)于節(jié)點(diǎn)A,應(yīng)用KCL定理可得(3) 將式(1)(3)聯(lián)立求解,可得電路的傳遞函數(shù)為(4) 令(5) (6)那么有(7)式(7)為二階有源低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式。輸出端接一個(gè)示波器,仿真后的波形如上圖所示。第五章 電荷放大器 電荷放大器實(shí)際上是一種具有深度負(fù)反應(yīng)的高增益放大器,其等效電路如圖。假設(shè)放大器開(kāi)環(huán)增益A足夠大,那么放大器的輸入端a點(diǎn)的電位接近于地電位;并且由于放大器的輸入級(jí)采用了場(chǎng)效應(yīng)晶體管,

14、放大器的輸入阻抗很高。所以放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流,運(yùn)算電流僅流入反應(yīng)回路,電荷q對(duì)反應(yīng)電容Cf充電,充電電壓接近于放大器的輸出電壓:Uoucf-Q/CfUoucf-Q/Cf壓電式傳感器與電荷放大器連接的根本電路及等效電路如下由“虛地原理可知,將反應(yīng)電容Cf和電阻Rf折合到放大器輸入端:根據(jù)等效電路的放大器輸出為對(duì)電荷前置放大器電路的特性,討論如下。(1)當(dāng)A足夠大,且頻率足夠高時(shí),滿足1+ACf (Ca+Cc),1/1+ARf>>1/Ra,和Cf >>1/Rf,放大器輸出電壓即為可見(jiàn)輸出電壓只取決于輸入電荷Q和反應(yīng)電容Cf,改變Cf的大小即可得到所需的電壓輸出。在電荷

15、放大器的實(shí)際電路中,考慮到被測(cè)物理量的不同量程,以及后級(jí)放大器不致因輸入信號(hào)太大而引起飽和,反應(yīng)電容Cf的容量是可調(diào)的,一般在100104pF范圍之間。(2)當(dāng)頻率足夠高時(shí),式變?yōu)?3)電荷放大器通常在反應(yīng)電容的兩端并聯(lián)一個(gè)大的反應(yīng)電阻Rf1081010,其功能是提供直流反應(yīng),以提高電荷放大器工作穩(wěn)定性和減小零漂。當(dāng)工作頻率很低,但放大倍數(shù)A仍足夠大,式 變成說(shuō)明,輸出電壓不僅與有Q關(guān),而且與反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)Cf 、Rf和傳感器信號(hào)頻率有關(guān),其幅值為:當(dāng)1/RfCf時(shí),有此時(shí)放大器輸出電壓僅為高頻時(shí)輸出的 ,由此可得電荷放大器增益下降3dB的下限截止頻率為:此時(shí)放大器輸出電壓僅為高頻時(shí)輸出的

16、 ,由此可得電荷放大器增益下降3dB的下限截止頻率為:低頻時(shí),輸出電壓與輸入電荷之間的相位差為 在截止頻率fL處 45° 可見(jiàn)壓電式傳感器配用電荷放大器時(shí),其低頻幅值誤差和截止頻率只決定于反應(yīng)電路的參數(shù)Rf和Cf,其中Cf的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定,當(dāng)給定工作頻帶下限截止頻率fL時(shí),反應(yīng)電阻Rf值可由下限截止頻率公式計(jì)算確定。理想條件下,工作頻率足夠高,放大器增益足夠大,電荷放大器輸為 增益下降3dB 對(duì)應(yīng)的下限截止頻率為此電路由電荷放大器電路、低通濾波電路及雙積分電路構(gòu)成的。在電荷放大器電路中C1為傳感器本身的等效電容,R3為降壓電阻,防止信號(hào)突變電壓過(guò)大損壞放大器;C2

17、為隔直電容,防止傳感器本身的直流信號(hào)流入放大器影響信號(hào)質(zhì)量;R2和C3共同構(gòu)成低通濾波器,消除信號(hào)中的噪聲;R6起到阻抗匹配的作用;一般R5的阻值比擬大。仿真設(shè)計(jì)主要是為了確定電荷變換級(jí)的輸出到達(dá)準(zhǔn)靜態(tài)特性的相關(guān)參數(shù),而做的前期仿真,并為后面的實(shí)際電路的制作提供可靠的理論依據(jù)。電荷變換級(jí)對(duì)運(yùn)算放大器的要求主要在于:低漂移主要指低輸入偏置電流、低輸入失調(diào)電壓、寬頻帶、高增益、高輸入阻抗。為了減小低頻漂移,輸入電阻必須盡量高,至少不應(yīng)該低于反應(yīng)電阻。 在實(shí)際為了減少線路寄生電容的影響,得到必要的測(cè)量精度,C2的下限約為100pF。 根據(jù)以上電路進(jìn)行仿真,信號(hào)的到了有效的轉(zhuǎn)換。第六章 誤差分析 本系

18、統(tǒng)的誤差來(lái)源主要有傳感器本身的寄生電容、電感、電阻,運(yùn)算放大器的溫漂、帶寬、增益的影響,電阻、電容本身的寄生參數(shù)都會(huì)對(duì)本電路產(chǎn)生誤差影響。第七章結(jié)論 本次課程設(shè)計(jì)借助Multisim仿真軟件, 設(shè)計(jì)電路,快捷、方便的檢驗(yàn)了電路的正確性。從電荷放大器的根底理論著手,推導(dǎo)了Q/V轉(zhuǎn)換及滿足準(zhǔn)靜態(tài)特性的根本參數(shù)要求。運(yùn)用Multisim軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果說(shuō)明:采用脈沖電流源等效電源的模型是合理的,理論分析結(jié)果和仿真結(jié)論一致。通過(guò)手動(dòng)制作電荷放大器,連接示波器,觀察效果波形,結(jié)果與仿真電路波形根本一致。心得體會(huì) 經(jīng)過(guò)此次的課程設(shè)計(jì),感觸最深的還是親手制作電荷放大器,理論與實(shí)踐相結(jié)合,更充分理解了理論知識(shí),又增強(qiáng)了動(dòng)手能力,很感謝老師能給予這次時(shí)機(jī)。我根本掌握了multisim模擬仿真軟件的使用方法,傳感器設(shè)計(jì)的根本思路。這次的課程設(shè)計(jì),讓我們對(duì)于傳感器的設(shè)計(jì)仿真整個(gè)過(guò)程都有了一個(gè)很完整和客觀的認(rèn)識(shí),并在參與其中的電路設(shè)計(jì)和仿真中積累了非常珍貴的經(jīng)驗(yàn)。 當(dāng)然在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中,我也很快認(rèn)識(shí)到了自己掌握的知識(shí)還缺乏,某些方面的能力還是不夠。這也讓我再次認(rèn)識(shí)到知識(shí)的重要性,只有不斷的充實(shí)自己、完善自己的知識(shí)理論體系,才能夠更好的勝任自己以后的工作。這次課程設(shè)計(jì)接觸到的許多應(yīng)用都是前所未見(jiàn)的,但是我明白