壓力傳感器實(shí)踐模塊設(shè)計(jì)報(bào)告

word文檔可自由復(fù)制編輯壓力傳感器實(shí)踐模塊設(shè)計(jì)報(bào)告2016年4月15日

壓力傳感器實(shí)踐模塊設(shè)計(jì)報(bào)告1設(shè)計(jì)思路對于未知的壓力信號經(jīng)傳感器及其前置電路轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號放大，濾波輸出一個(gè)容易分辨大小的電信號。2設(shè)計(jì)方案2.1方案設(shè)計(jì)選用MPM180壓阻式傳感器作為測量元件，放大電路模塊選用AD623，濾波電路模塊選用MAX291，電源模塊選用LM1117-5供電。信信號放大濾波傳感器MPM180濾波傳感器MPM180（調(diào)零）輸出信號電源模塊輸出信號電源模塊5V供電圖1設(shè)計(jì)原理框圖3單元電路設(shè)計(jì)3.1電源模塊LM1117是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2V輸出，負(fù)載電流為800mA時(shí)為1.2V。它與國家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調(diào)電壓的版本，通過2個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)1.25~13.8V輸出電壓范圍。另外還有5個(gè)固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號。LM1117提供電流限制和熱保護(hù)。是電池供電和便攜式計(jì)算機(jī)的最佳選擇。電路包含1個(gè)齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)。LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252D-PAK封裝。輸出端需要一個(gè)至少10uF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。因此，我們選用1117-5組成電源模塊為電路提供+5V直流穩(wěn)壓供電。首先，我們在供電端接入一個(gè)發(fā)光二極管，用于判斷通電時(shí)電路是否有電流通過，二極管會(huì)對電源分壓，實(shí)際進(jìn)入電源模塊的電壓為供電電壓減去二極管的導(dǎo)通壓降。圖2由于1117-5芯片已經(jīng)比較成熟，我們只需要在輸入輸出端接入旁路電容進(jìn)行去耦來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性即可輸出穩(wěn)定的+5V電壓。如圖：圖33.2壓力傳感器MPM180壓力傳感器由4個(gè)采用惠斯頓電橋結(jié)構(gòu)連接的壓敏電阻組成。當(dāng)這些傳感器上沒有壓力時(shí)，橋中的所有電阻值都是相等的。當(dāng)有外力施加于電橋時(shí)，兩個(gè)相向電阻的阻值將增加，而另兩個(gè)電阻的阻值將減小，而且增加和減小的阻值彼此相等。阻值改變時(shí)，輸出電壓將隨之改變。四個(gè)橋上并聯(lián)的電阻為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，主要用來補(bǔ)償零位溫度漂移。3.3放大電路模塊AD623 ad623是一個(gè)集成單電源儀表放大器，它能在單電源（+3v~+12v）下提供滿電源幅度輸出,ad623允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程,以得到良好的用戶靈活性。在無外接電阻的條件下,ad623被設(shè)置為單位增益，外接電阻之后,ad623可編程設(shè)置增益,其增益最高可達(dá)1000倍。輸入信號加到作為電壓緩沖器的pnp晶體管上,并且提供一個(gè)共模信號到輸入放大器,每個(gè)放大器接入一個(gè)精確的50kΩ的反饋電阻,以保證增益可編程。差分輸出為:然后差分電壓通過輸出放大器轉(zhuǎn)變?yōu)閱味穗妷骸?腳的輸出電壓以5腳的電位為基準(zhǔn)進(jìn)行測量?；鶞?zhǔn)端(5腳)的阻抗是100kΩ,在需要電壓/電流轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中僅僅需要在5腳與6腳之間連接一只小電阻。+vs和-vs接雙極性電源(vs=±2.5v～±6v)或單電源(+vs=3.0v～12v,-vs=0)?？拷娫匆_處加電容去耦。去耦電容最好選用0.1μf的瓷片電容和10μf的鉭電解電容。ad623的增益g由rg進(jìn)行電阻編程,或更準(zhǔn)確的說,由1腳和8腳之間的阻抗來決定。g可以由以下公式計(jì)算:ad623的REF端為參考電壓端，為了匹配后級電路，可以在REF端加入電壓，使整體電壓得到提高，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。REF參考電壓可以使輸出電壓偏移，如輸入信號為±10mV，放大倍數(shù)100倍時(shí)，輸出電壓為±1V，在REF端加入2V參考電壓，輸出電壓改變?yōu)?V±1V。在電路中，通過調(diào)節(jié)REF與電源的分壓電阻來調(diào)整輸入的參考電壓大小。圖43.4濾波電路模塊 濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個(gè)特定頻率或消除一個(gè)特定頻率。在壓力傳感器中，由于震動(dòng)、聲音、溫度等環(huán)境因素都可能在系統(tǒng)中引入噪聲并通過放大器進(jìn)行放大，將會(huì)嚴(yán)重干擾電路的正常輸出，因此，我們需要引入濾波器模塊，用來剔除一定頻率范圍外的噪聲。一般需要測試的壓力變化頻率比較小，而噪聲的頻率可能很高，所以我們選用低通濾波器進(jìn)行濾波。以下為幾種低通濾波器的頻率響應(yīng)圖：圖5 上圖中濾波器的頻率響應(yīng)圖分別為巴特沃斯濾波器（左上）和同階第一類切比雪夫?yàn)V波器（右上）、第二類切比雪夫?yàn)V波器（左下）、橢圓函數(shù)濾波器（右下）。其中巴特沃斯濾波器的通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑，我們選用的MAX291為8階巴特沃思低通濾波器，在通頻帶內(nèi)，它的增益最穩(wěn)定，波動(dòng)小，主要用于儀表測量等要求整個(gè)通頻帶內(nèi)增益恒定的場合。MAX291濾波器的時(shí)鐘信號既可由外部時(shí)鐘直接驅(qū)動(dòng)也可由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生。通過調(diào)整時(shí)鐘，截止頻率的調(diào)整范圍可以達(dá)0.1Hz~25kHz。時(shí)鐘頻率和截止頻率的比率：100∶1。使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，振蕩器的頻率由接在CLK端上的電容VCOSC決定：MAX291波器既可用單電源工作也可用雙電源工作。雙電源供電時(shí)的電源電壓范圍為±2.375～±5.5V。在實(shí)際電路中一般要在正負(fù)電源和GND之間接一旁路電容。當(dāng)采用單電源供電時(shí)，V-端接地，而GND端要通過電阻分壓獲得一個(gè)電壓參考，該電壓參考的電壓值為1/2的電源電壓。MAX291允許的輸入信號的最大范圍為V--0.3V~V++0.3V。一般情況下在+5V單電源供電時(shí)輸入信號范圍取1V~4V?！?V雙電源供電時(shí)，輸入信號幅度范圍取±4V。如果輸入信號超過此范圍，總諧波失真THD和噪聲就大大增加；同樣如果輸入信號幅度過小（VP-P＜1V），也會(huì)造成THD和噪聲的增加。通過調(diào)節(jié)放大電路的參考電壓，可以使上級輸出與濾波器輸入匹配。圖63.5溫度補(bǔ)償模塊壓力為零時(shí)，使用四個(gè)橋上并聯(lián)的電阻消除零漂。工作期間，溫度補(bǔ)償電路原理圖如下,傳感器以6mA恒流源供電，壓力不變時(shí)，溫度變化，引起傳感器阻值變化，進(jìn)而引起V3變化，根據(jù)這個(gè)電壓的變化就能夠繪制各個(gè)溫度點(diǎn)的傳感器P-V曲線，進(jìn)行零位電壓和靈敏度溫度誤差的補(bǔ)差和修正。圖74電路工作原理及參數(shù)計(jì)算傳感器電橋變化后，在儀表放大器的輸入端形成輸入信號，經(jīng)放大器放大偏置后，濾波輸出。我組放大倍數(shù)為29Rg=3.571kΩ為了匹配后級電路，（濾波器單電源供電時(shí)輸入信號范圍取1V~4V），REF端加參考電壓偏置輸出。AD623輸出范圍為1~3.9V截止頻率要求19*0.333kHz=6.327kHz，而時(shí)鐘頻率和截止頻率的比率為100∶1，所以=965.7KHz，由計(jì)算C5=52.68pF5仿真分析部分仿真電路圖及結(jié)果如下圖（傳感器使用四個(gè)滑動(dòng)變阻器代替）放大模塊：差動(dòng)輸入信號為50.503mV，輸出為2.471V，REF參考電壓為1V。放大倍數(shù)為（2.471-1）/0.050503=29.13倍濾波模塊R1+R2=R3//R4截止頻率要求9.657kHz，設(shè)C1=0.1uf,則R1理論值為165Ω，經(jīng)過仿真選用209Ω。仿真結(jié)果6整體電路PCB圖7小結(jié)在仿真過程中，千萬不要將電橋電阻變化太大，會(huì)引起multisim仿真錯(cuò)誤。因?yàn)樽兓螅斎胄盘柎螅隽朔糯笃鞯碾娫措妷阂疱e(cuò)誤。參考文獻(xiàn)[1]郝曉劍，戴蕭嫣等.測控電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]，電子工業(yè)出版社，2012.8.[2]孟立凡，藍(lán)金輝.傳感器原理與應(yīng)用[M]，電子工業(yè)出版社，2007.8.[3]邱關(guān)源，羅先覺.電路[M]，高等教育出版社，2006.5.[4]夏勇.壓阻式壓力傳感器溫度補(bǔ)償?shù)难芯颗c實(shí)現(xiàn)[D]，西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.3.[5]徐桂華.硅壓阻式壓力傳感器的溫度補(bǔ)償[J].數(shù)據(jù)采集與處理，1994.9（3）：229-232.[6]MAM291芯片資料HY