儀器儀表電路課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　緒 論</b></p><p>　　在科技發(fā)達(dá)的今天，傳感器的用途越來(lái)越廣泛，在工業(yè)，交通行業(yè)等諸多領(lǐng)域都會(huì)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(duì)傳感器的要求越來(lái)越高，要求傳感器不僅要多功能，更要精度高。測(cè)控電路在傳感器的精度、準(zhǔn)確度、正確度方面都有很大的影響。</p><p>　　對(duì)于測(cè)控電路首先要求它具有高精度，要求測(cè)量裝

2、置能夠準(zhǔn)確地測(cè)量被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)與參數(shù)，這是獲得高質(zhì)量產(chǎn)品、推進(jìn)科技發(fā)展的基礎(chǔ)，也是精確控制的基礎(chǔ)，使被測(cè)對(duì)象能夠精確地按照要求運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)高精度，測(cè)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(diǎn)。在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中，測(cè)控電路是最靈活的部分，它具有便于放大、便于轉(zhuǎn)換、便于傳輸、便于適應(yīng)各種使用要求的特點(diǎn)。</p><p>　　設(shè)計(jì)好測(cè)控電路，對(duì)于測(cè)控系統(tǒng)具有很重要的意義，紅啊的測(cè)控電路可以是整

3、個(gè)的測(cè)控系統(tǒng)的精度提高，誤差減小。</p><p>　　而本次課程設(shè)計(jì)中各個(gè)部分所采用的是雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路、開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)的初始條件為差動(dòng)變壓器傳感器用于測(cè)量位移，當(dāng)所測(cè)位移在0 — 20mm范圍時(shí)（

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

5、號(hào)由長(zhǎng)線引出到后續(xù)處理電路，要考慮抑制干擾信號(hào)；</p><p>　?。?）由于兩次級(jí)線圈幾何、電、磁等因素的不對(duì)稱(chēng)，即使鐵芯處于中間位置，也得不到零輸出，總存在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正交輸出或高頻輸出，在電路上還要考慮抑制差動(dòng)變壓器的這一所謂零點(diǎn)殘余電壓。</p><p>　　方案一：設(shè)計(jì)一個(gè)交流驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)差動(dòng)變壓傳感器來(lái)產(chǎn)生一個(gè)輸入信號(hào)，之后經(jīng)過(guò)放大，相敏檢波，再經(jīng)過(guò)整流得到直流電壓，最后再經(jīng)過(guò)

6、直流放大后得到預(yù)期結(jié)果。</p><p>　　方案二：用一個(gè)函數(shù)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生一個(gè)正弦輸入信號(hào)，之后經(jīng)過(guò)放大，相敏檢波，低通濾波和直流放大后得到預(yù)期結(jié)果。</p><p>　　經(jīng)過(guò)比較后，可知方案一實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，而且用二極管整流電路來(lái)將交流電變?yōu)橹绷麟?，容易使低頻的輸入信號(hào)丟失，使得產(chǎn)生的結(jié)果不是理想的結(jié)果。方案二相對(duì)于方案一來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單，容易實(shí)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(hào)。</p><p>　　所以，本次儀器儀表課程設(shè)計(jì)最終采用方案二來(lái)實(shí)施。</p><p>　　第一章 放大電路設(shè)計(jì)</p><p>　　1.1三運(yùn)放高共模抑制比放大電路參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　來(lái)自傳感器的信號(hào)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(dòng)輸入集成運(yùn)算放大器來(lái)抑制共模信號(hào)，但必須要求外接電路完全平衡對(duì)稱(chēng)

8、、運(yùn)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(duì)稱(chēng)精度有關(guān)，又與運(yùn)算放大器本身的共模抑制能力有關(guān)。一般運(yùn)算放大器共模抑制比可達(dá)80dB,而采用由幾個(gè)集成運(yùn)算放大器組成的測(cè)量放大電路的共模抑制比可達(dá)100~120dB。所以，本次課程設(shè)計(jì)采用的放大電路為三運(yùn)放高共模抑制比放大電路。電路圖如圖1-1所示。</p><p>　　三運(yùn)放高共模抑制比放大電路是由三個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，其中、是兩個(gè)

9、性能一樣的同相輸入通用集成運(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對(duì)稱(chēng)差動(dòng)放大輸入級(jí)，用來(lái)進(jìn)一步抑制、的共模信號(hào)，并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。</p><p>　　圖1-1三運(yùn)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(jí)的輸

10、出電壓，即運(yùn)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(dāng)、性能一致時(shí)，輸入級(jí)的差動(dòng)輸出及其差模增益只與差模輸入電壓相關(guān)，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(shí)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?cè)?/p>

11、益而不影響電路的對(duì)稱(chēng)性。</p><p>　　由上述內(nèi)容可以得知，三運(yùn)放高共模抑制比電路的各個(gè)阻值可以取</p><p><b>　　，。</b></p><p>　　第三級(jí)放大器的放大倍數(shù),要使三運(yùn)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(yùn)放高共模抑制比放大電路的搭建&l

12、t;/p><p>　　三運(yùn)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(jié)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(guò)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(rèn)為電壓被放大了100倍，仿真結(jié)果正確。所以可以得出，三運(yùn)放高共模抑制比放大電路設(shè)計(jì)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(yùn)放高共模抑制比放大電路仿真結(jié)果</p><p>　　第二章 相敏檢波電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在精密測(cè)量中，進(jìn)入傳感器的除了輸出的測(cè)量信號(hào)外，還往往有各種噪聲，傳感器的信號(hào)又十分微弱，將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)對(duì)于提高電路的測(cè)量精度有很大的影響，為了便于區(qū)別信號(hào)和噪聲，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，之后再解調(diào)

14、。</p><p>　　從已調(diào)信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為解調(diào)或檢波。解調(diào)的方法可以分為包絡(luò)檢波和相敏檢波。包絡(luò)檢波原理簡(jiǎn)單、電路簡(jiǎn)單，在通信中有很廣泛的應(yīng)用，但它有兩個(gè)問(wèn)題：保羅檢波解調(diào)的主要過(guò)程是對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流，無(wú)法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號(hào)的相位，還有，包絡(luò)檢波本身不具有區(qū)分不同載波頻率的信號(hào)的能力，對(duì)于不同載波頻率的信號(hào)，包絡(luò)檢波都以同樣的方式對(duì)其整流，以恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，這證明包絡(luò)檢波不具有區(qū)

15、別信號(hào)和噪聲的能力。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)為了使檢波電路具有判別信號(hào)相位和選頻的能力而采用相敏檢波電路。</p><p>　　2.1開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路的參數(shù)計(jì)算</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)采用開(kāi)關(guān)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(hào)，端輸入方波參考信號(hào)。由于載波信號(hào)的頻率遠(yuǎn)高于調(diào)制信號(hào)，可以認(rèn)為載波信號(hào)與調(diào)幅信號(hào)具

16、有相同的頻率。在載波信號(hào)為正半周期時(shí)，V導(dǎo)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(fù)半周期中，V截止，同時(shí)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(kāi)關(guān)式相敏檢波電路圖</p><p>　　2.2開(kāi)關(guān)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(jié)果如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-2開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路仿真圖</p><p>　　圖2-3開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路仿真結(jié)果</p><p>　　第三章 低通濾波器電路設(shè)計(jì)</p><p>　　傳感器輸入測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)中，除了有價(jià)值的信息外，往往還包含許多噪聲以

18、及其他與被測(cè)量無(wú)關(guān)的信號(hào)，并且原始的測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸、放大、各種形式的變換、運(yùn)算以及其他處理之后，也會(huì)混入各種不同形式的噪聲，從而影響測(cè)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(shè)計(jì)要將傳感器經(jīng)放大后的低頻信號(hào)分離出來(lái)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器。對(duì)于低通濾波器，一階低通濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，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(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)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(jì)算</p><p>　　如圖3-1是壓控電壓源型濾波電路的基本結(jié)構(gòu)，運(yùn)算放大器與電阻和構(gòu)成的同相放大器稱(chēng)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(lái)實(shí)現(xiàn)，如果使用的是理想的放大器，壓控增益，通過(guò)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(fù)導(dǎo)納，對(duì)于電阻元件，對(duì)于電容元件。</p><p>　　對(duì)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(kāi)路，可構(gòu)成低通電路。</p><p>　　由于需要使經(jīng)過(guò)相敏檢波后的信號(hào)作為壓控電壓源型二階RC有源低通濾波器的輸入信號(hào)時(shí)，輸出的信

21、號(hào)需要是一個(gè)直流信號(hào)，因此壓控電壓源型二階RC有源低通濾波器得截止頻率應(yīng)該很小，本次課程設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)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(jié)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(jié)果圖</p><p>　　由波特測(cè)試儀所顯示的數(shù)值可知，所設(shè)計(jì)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(wú)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(rèn)為仿真正確，所以設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)</p><p>　　經(jīng)過(guò)濾波器后，電壓信號(hào)有所衰減，需要再次放大來(lái)達(dá)到所要求達(dá)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(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)</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(gè)同相放大電路來(lái)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(jié)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(jié)果</p><p>　　第五章 整體電路的組裝與調(diào)試</p><p>　　經(jīng)過(guò)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(jiàn)附錄。</p><p>　　對(duì)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(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以達(dá)到最好的預(yù)期效果。低通濾波器部分的阻值和容抗進(jìn)行了一定的調(diào)整，由原來(lái)的阻值, 改為, 。R由一個(gè)最大阻值為1000d的滑動(dòng)變阻器代替。經(jīng)過(guò)調(diào)試之后，所得的仿真結(jié)果如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1總體電路仿真結(jié)果</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)這次儀器儀表電

27、路的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)multisim軟件的使用越來(lái)越熟練，雖然在課設(shè)過(guò)程中，對(duì)于軟件的操作我遇到了很多問(wèn)題和錯(cuò)誤，不過(guò)通過(guò)自己上網(wǎng)查詢(xún)和詢(xún)問(wèn)同學(xué)，這些問(wèn)題和錯(cuò)誤都得到了解決。而且經(jīng)過(guò)了解決這些問(wèn)題和錯(cuò)誤的過(guò)程，我也學(xué)到了很多知識(shí)，也得到了很多啟示。</p><p>　　在這一次課程設(shè)計(jì)中，我對(duì)自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)有了更進(jìn)一步的了解。經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)自己在軟件操作和資料查詢(xún)的能力有不足，遇到的問(wèn)題不知道怎么解決，

28、盲目無(wú)助，不知如何下手。所以，以后在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，我也應(yīng)該更多的去實(shí)踐，去學(xué)習(xí)一些有用的軟件，為自己以后的學(xué)習(xí)提夠方便。還有在我遇到問(wèn)題的時(shí)候，我最開(kāi)始想到的不是如何自己解決，一遇到問(wèn)題就不假思索的請(qǐng)教同學(xué)，上網(wǎng)查資料，沒(méi)有經(jīng)過(guò)一個(gè)思考的過(guò)程，當(dāng)我意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題之后，我開(kāi)始試著自己先獨(dú)立解決，獨(dú)立思考，能夠自己解決的就不再請(qǐng)教他人。 </p><p>　　在設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，我遇到了很多問(wèn)題，起初是不知道該做

29、什么，能做出來(lái)什么，這個(gè)問(wèn)題一直影響我的進(jìn)度，后來(lái)想通之后，我認(rèn)識(shí)到， 要敢于下手，要敢于做，不是沒(méi)有思路而是不敢動(dòng)手做而已。之后遇到的都是一些軟件的使用和原理上的問(wèn)題，通過(guò)上網(wǎng)查詢(xún)資料和詢(xún)問(wèn)同學(xué)，我的問(wèn)題一一得到了解決。就這樣，課程設(shè)計(jì)由設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)，由最開(kāi)始的草稿逐步逐步地完善。</p><p>　　很高興有這么一次自己設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，值得慶幸的是我也抓住了這次機(jī)會(huì)，從中學(xué)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(guó)雄.測(cè)控電路.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011</p><p>　　[2]康偉光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.北京：清華大學(xué)出版社，2005</p><p>　　[3]劉迎春、葉湘濱.傳感器原理與應(yīng)用.長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社,2006</p><