儀器儀表電路課程設計

1、<p><b>　　緒 論</b></p><p>　　在科技發(fā)達的今天，傳感器的用途越來越廣泛，在工業(yè)，交通行業(yè)等諸多領域都會有很大的用處，而且，由于科技的日益發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)對傳感器的要求越來越高，要求傳感器不僅要多功能，更要精度高。測控電路在傳感器的精度、準確度、正確度方面都有很大的影響。</p><p>　　對于測控電路首先要求它具有高精度，要求測量裝

2、置能夠準確地測量被測對象的狀態(tài)與參數(shù)，這是獲得高質(zhì)量產(chǎn)品、推進科技發(fā)展的基礎，也是精確控制的基礎，使被測對象能夠精確地按照要求運行。為了實現(xiàn)高精度，測控電路必須有低噪聲與高抗干擾能力、低漂高穩(wěn)定性、線性與保真度好等特點。在整個測控系統(tǒng)中，測控電路是最靈活的部分，它具有便于放大、便于轉換、便于傳輸、便于適應各種使用要求的特點。</p><p>　　設計好測控電路，對于測控系統(tǒng)具有很重要的意義，紅啊的測控電路可以是整

3、個的測控系統(tǒng)的精度提高，誤差減小。</p><p>　　而本次課程設計中各個部分所采用的是雙運放高共模抑制比放大電路、開關式相敏檢波電路、壓控電壓源型二階RC低通濾波器電路、直流放大電路。</p><p><b>　　方案論證</b></p><p>　　本次課程設計的初始條件為差動變壓器傳感器用于測量位移，當所測位移在0 — 20mm范圍時（

4、鐵芯由中間平衡位置往上為正，往下為負），其輸出的信號為正弦信號為0—40mVP-P，要求將信號處理為與位移對應的0—2V直流信號，以便供三位半數(shù)顯表頭顯示。</p><p>　　在此初始條件下所設計的電路應該具有如下功用：</p><p>　?。?）用長線將信號引出到信號處理單元，因此要考慮抑制共模信號；</p><p>　?。?）由于測量現(xiàn)場工況復雜且傳感器輸出信

5、號由長線引出到后續(xù)處理電路，要考慮抑制干擾信號；</p><p>　?。?）由于兩次級線圈幾何、電、磁等因素的不對稱，即使鐵芯處于中間位置，也得不到零輸出，總存在驅(qū)動信號的正交輸出或高頻輸出，在電路上還要考慮抑制差動變壓器的這一所謂零點殘余電壓。</p><p>　　方案一：設計一個交流驅(qū)動器，驅(qū)動差動變壓傳感器來產(chǎn)生一個輸入信號，之后經(jīng)過放大，相敏檢波，再經(jīng)過整流得到直流電壓，最后再經(jīng)過

6、直流放大后得到預期結果。</p><p>　　方案二：用一個函數(shù)發(fā)生器來產(chǎn)生一個正弦輸入信號，之后經(jīng)過放大，相敏檢波，低通濾波和直流放大后得到預期結果。</p><p>　　經(jīng)過比較后，可知方案一實現(xiàn)起來比較困難，而且用二極管整流電路來將交流電變?yōu)橹绷麟?，容易使低頻的輸入信號丟失，使得產(chǎn)生的結果不是理想的結果。方案二相對于方案一來說較為簡單，容易實現(xiàn)，且用低通濾波器可以濾去高頻噪聲，留下低

7、頻的有用信號。</p><p>　　所以，本次儀器儀表課程設計最終采用方案二來實施。</p><p>　　第一章 放大電路設計</p><p>　　1.1三運放高共模抑制比放大電路參數(shù)的計算</p><p>　　來自傳感器的信號通常都伴隨著很大的共模電壓，所以放大電路一般采用差動輸入集成運算放大器來抑制共模信號，但必須要求外接電路完全平衡對稱

8、、運算放大器具有理想特性。否則，放大器將有共模誤差輸出，其大小既與外接電阻對稱精度有關，又與運算放大器本身的共模抑制能力有關。一般運算放大器共模抑制比可達80dB,而采用由幾個集成運算放大器組成的測量放大電路的共模抑制比可達100~120dB。所以，本次課程設計采用的放大電路為三運放高共模抑制比放大電路。電路圖如圖1-1所示。</p><p>　　三運放高共模抑制比放大電路是由三個集成運算放大器組成，其中、是兩個

9、性能一樣的同相輸入通用集成運算放大器，構成平衡對稱差動放大輸入級，用來進一步抑制、的共模信號，并適應接地負載的需要。</p><p>　　圖1-1三運放高共模抑制比放大電路</p><p><b>　　由此可以求得</b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　于是，輸入級的輸

10、出電壓，即運算放大器、的輸出之差為</p><p><b>　　其差模增益為</b></p><p>　　所以，當、性能一致時，輸入級的差動輸出及其差模增益只與差模輸入電壓相關，而其共模輸出、失調(diào)及其漂移都在兩端互相抵消，因此電路具有良好的共模抑制能力，同時也不必要求外部的阻抗匹配。但是，為了消除、偏置電流的影響，通常取。另外，這種電路還具有增益調(diào)節(jié)能力調(diào)節(jié)可以改變增

11、益而不影響電路的對稱性。</p><p>　　由上述內(nèi)容可以得知，三運放高共模抑制比電路的各個阻值可以取</p><p><b>　　，。</b></p><p>　　第三級放大器的放大倍數(shù),要使三運放高共模抑制比放大電路的放大倍數(shù)為100，所以，可以取,。</p><p>　　1.2三運放高共模抑制比放大電路的搭建&l

12、t;/p><p>　　三運放高共模抑制比放大電路的電路仿真圖如圖1-2所示，仿真結果如圖1-3所示。</p><p>　　由圖1-3可以得出，50Hz,20mV的交流電壓經(jīng)過高共模抑制比放大電路后，輸出電壓為1.959V接近于2V，所以可以認為電壓被放大了100倍，仿真結果正確。所以可以得出，三運放高共模抑制比放大電路設計師正確的。</p><p>　　圖1-2 高共模

13、抑制比放大電路仿真圖</p><p>　　圖1-3三運放高共模抑制比放大電路仿真結果</p><p>　　第二章 相敏檢波電路設計</p><p>　　在精密測量中，進入傳感器的除了輸出的測量信號外，還往往有各種噪聲，傳感器的信號又十分微弱，將測量信號從含有噪聲的信號中分離出來對于提高電路的測量精度有很大的影響，為了便于區(qū)別信號和噪聲，需要對信號進行調(diào)制，之后再解調(diào)

14、。</p><p>　　從已調(diào)信號中檢出調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)或檢波。解調(diào)的方法可以分為包絡檢波和相敏檢波。包絡檢波原理簡單、電路簡單，在通信中有很廣泛的應用，但它有兩個問題：保羅檢波解調(diào)的主要過程是對調(diào)幅信號進行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號的相位，還有，包絡檢波本身不具有區(qū)分不同載波頻率的信號的能力，對于不同載波頻率的信號，包絡檢波都以同樣的方式對其整流，以恢復調(diào)制信號，這證明包絡檢波不具有區(qū)

15、別信號和噪聲的能力。</p><p>　　本次課程設計為了使檢波電路具有判別信號相位和選頻的能力而采用相敏檢波電路。</p><p>　　2.1開關式相敏檢波電路的參數(shù)計算</p><p>　　本次課程設計采用開關式的相敏檢波電路，電路圖如圖2-1所示。圖中，從端輸入要解調(diào)的電壓信號，端輸入方波參考信號。由于載波信號的頻率遠高于調(diào)制信號，可以認為載波信號與調(diào)幅信號具

16、有相同的頻率。在載波信號為正半周期時，V導通，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-1，在的負半周期中，V截止，同時從同相輸入端和反相輸入端輸入，放大器的放大倍數(shù)為1。</p><p><b>　　所以，取電阻R=。</b></p><p>　　圖2-1 開關式相敏檢波電路圖</p><p>　　2.2開關式相敏檢波電路的搭

17、建</p><p>　　仿真電路如圖2-2所示，仿真結果如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-2開關式相敏檢波電路仿真圖</p><p>　　圖2-3開關式相敏檢波電路仿真結果</p><p>　　第三章 低通濾波器電路設計</p><p>　　傳感器輸入測量系統(tǒng)的信號中，除了有價值的信息外，往往還包含許多噪聲以

18、及其他與被測量無關的信號，并且原始的測量信號經(jīng)過傳輸、放大、各種形式的變換、運算以及其他處理之后，也會混入各種不同形式的噪聲，從而影響測量精度。</p><p>　　濾波器分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器。由于本次課程設計要將傳感器經(jīng)放大后的低頻信號分離出來，因此需要設計一個低通濾波器。對于低通濾波器，一階低通濾波器具有結構簡單、計算簡單、容易實現(xiàn)的特點，但一階低通濾波器的滾降太慢，濾波的效果不好，所以本次

19、課程設計所設計的低通濾波器為壓控電壓源型二階RC有源低通濾波器。</p><p>　　3.1壓控電壓源型二階RC有源低通濾波器的參數(shù)計算</p><p>　　如圖3-1是壓控電壓源型濾波電路的基本結構，運算放大器與電阻和構成的同相放大器稱為壓控電壓源，壓控電壓源可由任何增益有限的電壓放大器來實現(xiàn)，如果使用的是理想的放大器，壓控增益，通過基爾霍夫定律可以得到，該電路傳遞函數(shù)為</p&g

20、t;<p><b>　　。</b></p><p>　　式中——所在位置元件的復導納，對于電阻元件，對于電容元件。</p><p>　　對于壓控電壓源型二階RC有源低通濾波器，取與為電阻，與為電容，開路，可構成低通電路。</p><p>　　由于需要使經(jīng)過相敏檢波后的信號作為壓控電壓源型二階RC有源低通濾波器的輸入信號時，輸出的信

21、號需要是一個直流信號，因此壓控電壓源型二階RC有源低通濾波器得截止頻率應該很小，本次課程設計所設計的壓控電壓源型二階RC有源低通濾波器的截止頻率為，所以，取,</p><p><b>　　。</b></p><p>　　圖3-1壓控電壓源型濾波電路</p><p>　　3.2壓控電壓源型二階RC有源低通濾波器電路的搭建</p>&

22、lt;p>　　仿真圖如圖3-2所示。仿真結果圖如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-2壓控電壓源型二階RC有源低通濾波器電路仿真圖</p><p>　　圖3-3壓控電壓源型二階RC有源低通濾波器電路仿真結果圖</p><p>　　由波特測試儀所顯示的數(shù)值可知，所設計的壓控電壓源型二階RC有源低通濾波器的截止頻率大約為43.3Hz，與理論值相差無幾，由示波

23、器所示波形可知，輸入的相敏檢波后的波形經(jīng)壓控電壓源型二階RC有源低通濾波器電路后變?yōu)橐粭l直線，可以認為仿真正確，所以設計的壓控電壓源型二階RC有源低通濾波器電路仿真圖也是正確的。</p><p>　　第四章 直流放大電路設計</p><p>　　經(jīng)過濾波器后，電壓信號有所衰減，需要再次放大來達到所要求達到的電壓值。放大電路的電路圖如圖4-1所示。</p><p>　

24、　圖4-1 直流放大電路電路圖</p><p>　　4.1直流放大電路設計參數(shù)的設計</p><p>　　從濾波器輸出的電壓值為1V，因此直流放大電路大放大倍數(shù)為2就可以得到所要求的2V的電壓輸出。所以可以用一個同相放大電路來放大。</p><p>　　4.2直流放大電路的搭建</p><p>　　放大電路的仿真電路如圖4-2所示，仿真結果如

25、圖4-3所示。</p><p>　　圖4-2 放大電路的仿真電路 圖4-3 放大電路的仿真電路結果</p><p>　　第五章 整體電路的組裝與調(diào)試</p><p>　　經(jīng)過將四部分的電路驚醒組裝后可得到總體電路圖，整體電路的仿真圖見附錄。</p><p>　　對于整體電路，有與有輸入和輸出阻抗匹配的要求，部

26、分電阻或電容的值應該進行適當?shù)恼{(diào)整，以達到最好的預期效果。低通濾波器部分的阻值和容抗進行了一定的調(diào)整，由原來的阻值, 改為, 。R由一個最大阻值為1000d的滑動變阻器代替。經(jīng)過調(diào)試之后，所得的仿真結果如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1總體電路仿真結果</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　經(jīng)過這次儀器儀表電

27、路的課程設計，我對multisim軟件的使用越來越熟練，雖然在課設過程中，對于軟件的操作我遇到了很多問題和錯誤，不過通過自己上網(wǎng)查詢和詢問同學，這些問題和錯誤都得到了解決。而且經(jīng)過了解決這些問題和錯誤的過程，我也學到了很多知識，也得到了很多啟示。</p><p>　　在這一次課程設計中，我對自身的優(yōu)點和缺點有了更進一步的了解。經(jīng)過這次課程設計，我發(fā)現(xiàn)自己在軟件操作和資料查詢的能力有不足，遇到的問題不知道怎么解決，

28、盲目無助，不知如何下手。所以，以后在學習理論知識的同時，我也應該更多的去實踐，去學習一些有用的軟件，為自己以后的學習提夠方便。還有在我遇到問題的時候，我最開始想到的不是如何自己解決，一遇到問題就不假思索的請教同學，上網(wǎng)查資料，沒有經(jīng)過一個思考的過程，當我意識到這個問題之后，我開始試著自己先獨立解決，獨立思考，能夠自己解決的就不再請教他人。 </p><p>　　在設計的過程當中，我遇到了很多問題，起初是不知道該做

29、什么，能做出來什么，這個問題一直影響我的進度，后來想通之后，我認識到， 要敢于下手，要敢于做，不是沒有思路而是不敢動手做而已。之后遇到的都是一些軟件的使用和原理上的問題，通過上網(wǎng)查詢資料和詢問同學，我的問題一一得到了解決。就這樣，課程設計由設想變成現(xiàn)實，由最開始的草稿逐步逐步地完善。</p><p>　　很高興有這么一次自己設計的機會，值得慶幸的是我也抓住了這次機會，從中學到了很多，也得到了很多。</p&g

30、t;<p><b>　　參考文件</b></p><p>　　[1]張國雄.測控電路.北京:機械工業(yè)出版社,2011</p><p>　　[2]康偉光.電子技術基礎模擬部分.北京：清華大學出版社，2005</p><p>　　[3]劉迎春、葉湘濱.傳感器原理與應用.長沙:國防科技大學出版社,2006</p><