儀器儀表電子工業(yè)課程設(shè)計(jì)-氧氣濃度傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)與仿真

課程設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)生姓名:學(xué)號：學(xué)院:自動(dòng)化工程學(xué)院班級:測控081題目:氧氣濃度傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)與仿真指導(dǎo)教師：職稱:2011年12月目錄TOC\o"1-3"\u1.設(shè)計(jì)目的 22.設(shè)計(jì)要求 33.設(shè)計(jì)內(nèi)容 4總體設(shè)計(jì) 4工作原理分析 4器件選型說明 6原理圖設(shè)計(jì) 6減法電路 6比例放大部分 7電路仿真 93.6PCB電路設(shè)計(jì) 10可靠性和抗干擾設(shè)計(jì) 11總結(jié) 124.設(shè)計(jì)心得和體會(huì) 13參考文獻(xiàn) 14附錄1：電路原理圖 15附錄2：PCB圖 16附錄3：PCB效果圖 17在火力發(fā)電的過程中，對鍋爐煙氣含氧量，二氧化碳含量，一氧化碳含量的分析測量對于指導(dǎo)鍋爐燃燒控制有重要的意義。鍋爐燃燒過程的重要任務(wù)之一是維持爐內(nèi)過?？諝夥€(wěn)定，以保證經(jīng)濟(jì)燃燒。爐內(nèi)過?？諝夥€(wěn)定，對燃煤鍋爐來說，一般是通過保證一定的風(fēng)煤比來實(shí)現(xiàn)的，這種情況只有在煤質(zhì)穩(wěn)定時(shí)，才能較好地保持爐內(nèi)過?？諝夥€(wěn)定，而當(dāng)煤質(zhì)變化，就不能保持爐內(nèi)過?？諝夥€(wěn)定，不能保持經(jīng)濟(jì)燃燒。要隨時(shí)保持經(jīng)濟(jì)燃燒，就必須經(jīng)常檢測爐內(nèi)過?？諝庀禂?shù)或氧量，并根據(jù)氧量的多少來適當(dāng)調(diào)整風(fēng)量，以保持最佳風(fēng)煤比，維持最佳的過?？諝庀禂?shù)或氧量。所以，送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)常采用氧量校正信號。所以測量煙氣中氧氣含量意義重要。針對這次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，可以分為以下五點(diǎn)：了解常用電子元器件基本知識(shí)（電阻、電容、電感、二極管、三極管、集成電路）；了解印刷電路板的設(shè)計(jì)和制作過程；掌握電子元器件選型的基本原理和方法；了解電路焊接的基本知識(shí)和掌握電路焊接的基本技巧；掌握氧氣濃度傳感器信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，并利用仿真軟件進(jìn)行電路的調(diào)試2.設(shè)計(jì)要求選用氧化鋯氧量傳感器進(jìn)行煙氣含氧量測量，要求測量范圍0.1%-20.0%、精度為0.1%。設(shè)計(jì)傳感器的信號調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)以下要求：將傳感器輸出112-0.6mV的信號轉(zhuǎn)換為0-5V直流電壓信號；對信號調(diào)理電路中采用的具體元器件應(yīng)有器件選型依據(jù)；電路的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)內(nèi)容；電路的基本工作原理應(yīng)有一定說明；電路應(yīng)當(dāng)在相應(yīng)的仿真軟件上進(jìn)行仿真以驗(yàn)證電路可行性（不限制EDA軟件類）3.設(shè)計(jì)內(nèi)容總體設(shè)計(jì)首先氧化鋯傳感器輸入信號與一個(gè)0.6mV電壓信號作差，使信號變?yōu)?-，即U1A部分完成的功能。減法電路輸出的信號需要經(jīng)過一個(gè)同相比例放大器放大，使信號變?yōu)?-5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。所以U1B部分完成放大信號的作用。最終將傳感器輸入的112-整體設(shè)計(jì)的電路圖如下：圖1電路原理圖工作原理分析氧化鋯氧量計(jì)屬于電化學(xué)分析器中的一種。煙氣中氧氣含量用氧化鋯氧量傳感器測量，氧化鋯氧量計(jì)可以用來連續(xù)分析煙氣中氧的含量，然后控制送風(fēng)量來調(diào)節(jié)過?？諝庀禂?shù)值，以保證最佳的空氣燃料比，達(dá)到節(jié)能的效果。工作原理：氧傳感器的關(guān)鍵部件是氧化鋯，在氧化鋯元件的內(nèi)外兩側(cè)涂上多孔性鉑電極制成氧濃度差電池。它位于傳感器的頂端。氧化鋯管是由氧化鋯材料摻以一定量的氧化釔或氧化鈣經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后形成的穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷燒結(jié)體。由于它的立方晶格中含有氧離子空穴，因此在高溫下它是良好的氧離子導(dǎo)體。因其這一特性，在一定高溫下，當(dāng)鋯管兩邊的氧含量不同時(shí)，它便是一個(gè)典型的氧濃差電池，在此電池中，空氣是參比氣，它與煙氣分別位于內(nèi)外電極。在實(shí)際的氧探頭中，空氣流經(jīng)外電極，煙氣流經(jīng)內(nèi)電極，當(dāng)煙氣氧含量P2小于空氣氧含量P1（20.6%O2）時(shí)，空氣中的氧分子從外電極上奪取4個(gè)電子形成2個(gè)氧離子，發(fā)生如下電極反應(yīng)：O2（P2）+4e-→2O2-氧離子在氧化鋯管中迅速遷移到煙氣邊，在內(nèi)電極上發(fā)生相反的電極反應(yīng)：

2O2-→O2（P1）+4e-

由于氧濃差導(dǎo)致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊，因而產(chǎn)生的電勢又導(dǎo)致氧離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊，當(dāng)這兩種遷移達(dá)到平衡后，便在兩電極間產(chǎn)生一個(gè)與氧濃差有關(guān)的電勢信號E,該電勢信號符合“能斯特”方程：

E=(RT/4F)ln(P1/P2)

式中R、F分別是氣體常數(shù)和法拉第常數(shù)，T是鋯管絕對溫度（K）,P1是空氣氧含量（20.6%O2）,P2是煙氣含量。由（1）式可見，在一定的高溫條件下（一般600℃如果被測氣體和參比氣體的壓力均為P，則有E=(RT/4F)ln(P1/P/P2/P)P1/P=V1/V=X1P2/P=V2/V=X2X1，X2—被測氣體和參比氣體氧氣體積百分比含量。所以有：E=(RT/4F)ln(X1/X2)氧化鋯傳感器測量范圍為0.1%-20.0%時(shí)，傳感器輸出信號為112-0.6mV，為了便于將傳感器輸出信號處理和傳輸，我們需將傳感器信號轉(zhuǎn)換成0-5V標(biāo)準(zhǔn)信號。所以需要設(shè)計(jì)一調(diào)理電路完成。表1元器件清單器件類型數(shù)量單價(jià)合計(jì)電阻滑動(dòng)變阻器61放大器2氧化鋯傳感器112001200所需電路板長,寬,面積為2.，價(jià)格約為1.2元。共計(jì)：1206.4元。原理圖設(shè)計(jì)減法電路首先氧化鋯傳感器輸入信號與一個(gè)0.6mV電壓信號作差，使信號變?yōu)?-111.4mV，完成將下限調(diào)為0的作用。原理圖如下：圖2減法電路圖作用：—112mV電壓轉(zhuǎn)換為0—電路原理：差分式減法運(yùn)算電路是利用一級運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的電路，如圖2所示。要進(jìn)行運(yùn)算的兩路信號分別由運(yùn)放的同相和反相輸入端送入，這是一種差分輸入方式。由于存在著負(fù)反饋，電路屬于線性電路，因此，可以利用疊加定理分析求解電路輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系。當(dāng)令ui1單獨(dú)作用時(shí)，ui2=0，電路實(shí)質(zhì)是一個(gè)反相輸入比例電路，如圖所示，輸出端電壓uo1=-R3*ui1/R2電阻R2//R3，只起平衡作用，不影響電路輸入輸出關(guān)系。當(dāng)u2單獨(dú)作用時(shí)，令ui1=0,此時(shí)電路實(shí)質(zhì)是所分析的同相輸入比例電路。分析結(jié)果得：uo2=(1+R3/R2)*Rf*ui2/(R+Ri)最后，利用疊加定理就可以求出輸入信號ui1和ui2共同作用時(shí)，輸出電壓為uo=uo1+uo2=-R3*ui1/R2+R3*ui2/R2=R3(ui2-ui1)/R2若取R3=R2，則有uo=ui2-ui1從而實(shí)現(xiàn)對輸入信號的減法運(yùn)算。減法運(yùn)算也可以看成是對兩個(gè)輸入信號的差進(jìn)行放大，所以此電路也廣泛應(yīng)用于自動(dòng)檢測儀器中，實(shí)現(xiàn)對輸入信號的檢測。比例放大部分作用：將減法電路輸出的信號放大為0—5V圖3同相比例放大電路圖工作原理:同相輸入比例運(yùn)算放大電路如圖所示：在圖3電路中，電阻R5和Rv1組成了反饋網(wǎng)絡(luò)。按電路分析，該電路屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，其電路輸入電阻Rif=∞。輸出電阻Rof=0.輸入電壓U1加到了運(yùn)放的通向輸入端，所以輸出電壓U0與U1同相。根據(jù)“虛短”的概念，有運(yùn)放反向輸入端點(diǎn)位Un等于通向輸入端點(diǎn)位UP,而同時(shí)相端電位UP就是輸入端信號電位Ui即U0=U1=UP又根據(jù)虛斷的概念，流入運(yùn)放輸入端的電流為零，因此有if=iR由以上分析可知，Ui是Uo在電阻R5,Rv1支路的分壓，即Ui=R1*uo/(Rv1+R5)整理得：Uo=(1+R5/Rv1)Ui上式表明。該電路的輸出電壓Uo與輸入電壓Ui成比例，比例系數(shù)K=1+R5/Rv1從放大電路角度看，同相輸入比例運(yùn)算放大電路也是輸出電壓與輸入電壓同相的放大電路，其放大倍數(shù)為Au=1+R5/Rv1電路仿真使用proteus軟件仿真，改變傳感器輸入信號端電壓值大小，測量調(diào)理電路輸出值的大小，如下表所示：表2傳感器與調(diào)理電路輸出值表傳感器信號（V）輸出端（V）仿真電路圖如下：圖4proteus電路仿真圖PCB電路設(shè)計(jì)PCB的設(shè)計(jì)流程分為原理圖設(shè)計(jì)，規(guī)劃電路板，載入網(wǎng)絡(luò)報(bào)表，元件的布局和調(diào)整，中間層的定義，布線規(guī)則設(shè)置以及布線等。1.原理圖設(shè)計(jì)：對于原理圖，建議采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，相近電路或功能模塊放在一起，具有很好的可讀性。'K02.規(guī)劃電路板：也就是你要設(shè)計(jì)的電路板用在什么地方，尺寸、板層結(jié)構(gòu)、原件封裝以及安裝方式。5I-US#Y;}$K43.載入網(wǎng)絡(luò)報(bào)表，導(dǎo)入PCB，這部分很簡單。4.元件的布局和調(diào)整.這部分可雙層板沒有多少差別，不過對于核心原件還是要注意的。當(dāng)然也可以雙面布局原件；對于時(shí)鐘要靠近CPU,振蕩電路盡量遠(yuǎn)離天線等易受干擾區(qū)。晶振下要放接地焊盤。對于相同電源類型的盡量靠在一起，這樣可以很好的電源分割等等。K5.中間層的定義。電路的層數(shù)選擇有經(jīng)驗(yàn)公式的，內(nèi)電層的線是負(fù)邏輯。#j)u6.布線規(guī)則設(shè)置以及布線，優(yōu)化布線。布線完畢后要檢查布線的完整性，別讓飛線存在，然后運(yùn)行DRC。+|;B&o)f/L;R7.對于外部接口最好有文字說明，方便交互式使用。圖5PCB電路設(shè)計(jì)圖印制電路板的抗干擾設(shè)計(jì)與具體電路有著密切的關(guān)系，這里僅就PCB抗干擾設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)常用措施做一些說明。根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加租電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)、使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。

2．地線設(shè)計(jì)

地線設(shè)計(jì)的原則是：

(1)數(shù)字地與模擬地分開。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而租，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。

(2)接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很紉的線條，則接地電位隨電流的變化而變化，使抗噪性能降低。因此應(yīng)將接地線加粗，使它能通過三倍于印制板上的允許電流。如有可能，接地線應(yīng)在2~3mm以上。

(3)接地線構(gòu)成閉環(huán)路。只由數(shù)字電路組成的印制板，其接地電路布成團(tuán)環(huán)路大多能提高抗噪聲能力。

3.退藕電容配置

PCB設(shè)計(jì)的常規(guī)做法之一是在印制板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐伺弘娙荨?/p>

退藕電容的一般配置原則是：

(1)電源輸入端跨接10~100uf的電解電容器。如有可能，接100uF以上的更好。

(2)原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.01pF的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每4~8個(gè)芯片布置一個(gè)1~10pF的但電容。

(3)對于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲(chǔ)器件，應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接入退藕電容。

(4)電容引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能有引線?？偨Y(jié)本文對煙氣中氧含量的在線檢測進(jìn)行了深入的研究，在參考一些資料的基礎(chǔ)上合理的選擇了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。1.選用氧化鋯氧量傳感器進(jìn)行煙氣含氧量的測量，介紹了氧化鋯氧量計(jì)的工作原理，對元器件的選型進(jìn)行了分析，并附有元器件的報(bào)價(jià)。2.設(shè)計(jì)了模擬小信號調(diào)理電路，由于傳感器輸入信號是毫伏級，所以設(shè)置了一個(gè)同相比例放大器，對其進(jìn)行放大，使輸出在0-5v。3.用proteus對電路硬件原理圖進(jìn)行了仿真，用protel軟件進(jìn)行PCB圖設(shè)計(jì)。本文還存在一些不足以及進(jìn)一步有待研究的地方，希望老師同學(xué)們給予指導(dǎo)改正。4.設(shè)計(jì)心得和體會(huì)經(jīng)過這兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，我收獲了很多。我了解常用電子元器件基本知識(shí)（電阻、電容、電感、二極管、三極管、集成電路），了解了印刷電路板的設(shè)計(jì)和制作過程，掌握了電子元器件選型的基本原