信号调理电路设计论文.doc

摘要 信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。是指利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等)来改变输入的讯号类型并输出之。把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等。信号调理将把数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统，这是通过直接连接到广泛的传感器和信号类型来实现的。信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。若信号很小，则要经过放大将信号调理到采集卡能够识别的范围，若信号干扰较大，就要考虑采集之前作滤波了。关键词：放大器，传感器，滤波，信号采集1设计任务描述1.1 设计题目：信号调理电路1.2设计要求1.2.1设计目的 （1）掌握传感器信号调理电路的构成，原理与设计方法（2）熟悉模拟元件的选择，使用方法1.2.2 基本要求（1）输出幅度在0-3V，线性反应输入信号的幅值（2）信号的频率范围在50Hz-10KHz（3）匹配的信号源一般复读在100mv，内阻10K左右（4）匹配的负载在100k左右，信号传输的损失尽量小1.2.3 发挥部分（1）超出上下限的保护电路及指示（2）电桥信号采集（3）其他2设计思路 这次我们小组课程设计的题目是信号调理电路。 信号调理往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。 在初始阶段用一个电压跟随器来发出信号，利用一个电桥收集信号并发出差分电压，选择放大器与传感器正确接口，使放大器与传感器特性匹配，测量应变片传感器通常要通过桥网络，用高精度和非常低漂移(随温度)的精密电压基准驱动放大器A1。这可为桥提供非常精确、稳定的激励源。因为共模电压大约为激励电压的一半，所以被测信号仅仅是桥臂之间小的差分电压。放大器A2、A3、A4必须提供高共模抑制比，所以仅测量差分电压。这些放大器也必须具有低值输入失调电压漂移和输入偏置电流，以使得从传感器能精确地读数。 在电路的输出端接入一个小绿灯，来判定电路的电压是否超出题目要求范围，并由示波器显示激励源的波形3设计方框图被测量传感器调制波放大，传送调制调解输出4各部分电路设计及参数计算4.1各部分电路设计4.1.1 电压跟随器 电压跟随器，就是输出电压与输入电压是相同的，也就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。 电压跟随器的特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。 在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。 电压跟随器4.1.2 桥式电路桥式电路R1，R4为固定电阻，R2，R3为可变电阻，且R2，R3的阻值远远大于R1，R4，信号由电路图上端输入，由1,4点分别输出，下端接地。 上图中，输入为共模方式，共模方式大约为激励电压的一半。 即 Vi=Vid/2 其中 V1=Vi*R3/（R1+R3） V4=Vi*R4/ (R2+R4)4.1.2 仪用放大电路 仪用放大器是由A1、A2按同相输入接法组成第一差分放大器，运放A3组成第二级差分放大器。在第一级电路中，V1、V2分别加到A1和A2的同相端，R1和R2组成的反馈网一级电路中，引入了负反馈，两运放A1、A2的输入端形成虚短和虚断，因而有VR1=V1-V2和VR1/R1=(V3-V4)/(2R3+R1)，可以得到： V3-V4=(2R2+R1)VR1/R1=(1+2R2/R1)(V1-V2)根据式V0=R4(Vi1-Vi2)/R1得： V0=-R4(V3-V4)/R3=-R4(1+2R2/R1)(V1-V2)/R3于是电路的增益为Av=V0/(V1-V2)=-R4(1+2R2/R1)/R35工作过程分析此次设计的信号调理电路主要用于将模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算、显示读出和其他目的的数字信号。主要目的是（1）输出幅度在0-3V，线性反应输入信号的幅值（2）信号的频率范围在50Hz-10KHz（3）匹配的信号源一般复读在100mv，内阻10K左右（4）匹配的负载在100k左右，信号传输的损失尽量小 电路信号源幅度为100mV，内阻10k，频率范围在50Hz10kHz。通过电压跟随器，输入电压被几乎无损的传输到桥式电路。桥式电路的共模电压大约为激励电压的一半，被测信号仅仅是桥臂之间微小的差分电压。桥式电路的两臂分别有一个最大组织为1k的可变电阻，通过调节电阻大小，可以改变其电压，从而改变桥臂间的电压差。差分电压作为下一级仪用放大器的输入电压，进行调理放大，放大器A2，A3按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放A4组成第二级差分放大电路，在第一级电路中，桥式电路两臂电压分别加到A2，A3的同相端，R5，R6，R7组成的反馈网络引入了负反馈。输出端接100的负载，使信号传输的损失尽量小，同时接一个指示灯，用于判断信号是否超出上下限，当电路正常工作时，指示灯闪烁，示波器显示信号波形，万用表显示输出电压的大小。6元器件清单7主要器件介绍7.1 LM324的介绍7.1.1 原理图引脚图7.1.2 介绍 LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图7.2所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。7.1.3 参数描述运放类型:低功率 放大器数目:4 带宽:1.2MHz 针脚数:14 工作温度范围:0C to +70C 封装类型:SOIC 3dB带宽增益乘积:1.2MHz 变化斜率:0.5V/s 器件标号:324 器件标记:LM324AD 增益带宽:1.2MHz 工作温度最低:0C 工作温度最高:70C 放大器类型:低功耗 温度范围:商用 电源电压 最大:32V 电源电压 最小:3V 芯片标号:324 表面安装器件:表面安装 输入偏移电压 最大:7mV 运放特点:高增益频率补偿运算 逻辑功能号:324 额定电源电压, +:15V7.1.4 特点 1.短路保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3V-32V 4.低偏置电流：最大100nA 5.每封装含四个运算放大器。 6.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列 9.输入端具有静电保护功能7.2 OP07的介绍7.2.1 引脚图OP07的引脚图7.2.2 OP07的简介7.2.3 参数7.2.4 特点8 小结为期一周的模电课程设计已经结束了，通过这一周的设计，让我学习到了更多的有关模拟电子方面的只是，我在这一周里也深刻的认识到了自己学习的课程的重要性与趣味性。在这次课程设计中，我是以书本知识为基础，通过查阅图书馆资料及上网搜索到的知识完成这次设计要求的内容，达到了学习目的。通过两星期的学习与努力，在客服了众多的困难后，我深深的认识到了自己在知识与学习能力上存在着非常大的不足，基础知识很薄弱，也没有什么实践经验，动手能力也不是很强，在实践方面还应该有很大的提升空间。 这一周里，课程设计的内容其实非常枯燥，我也沮丧过，尽管如此，我还是没有屈服于这些困难。因为我要努力，还有老师的帮助，同学的集思广益，这些都会让我有所收获，克服各种的困难。在这个过程中，我的自学能力及搜索资料整理资料的能力都得到了培养和锻炼。七天，确切的说是这五天，我们确实很辛苦，但是我们同学之间的团结互助精神也借此充分的体现了出来，我们的友谊更进一步。无疑，课程设计对我们大学生来说是一种锻炼，让同学们更加和谐，让我们将理论知识运用到实际当中。老师对我们的帮助是最大的，尤其是仿真软件的选择上，如果没有黄老师，我们都不知从何做起。五天里，我获得了宝贵的知识也得到了精神上的满足。更加让我明白了一个道理，一份耕耘，一份收获。向着目标前进！9 致谢 这一周的课程设计已经结束，之所以能短时间并且高效率的完成，最值得被敬佩并感谢的就是XX老师，感谢他的大力支持与指导。在设计过程中遇到很多的困难，每一次找到老师，老师都会认真的解答，即使到了吃饭的时间，老师也会把最后一个同学的问题解答后才去。我们对于课程设计没有什么概念，老师也抽出一节课为我们讲解，并且给我们提供了相关的仿真软件，这让我们不仅圆满的完成设计的要求，对书本知识也有了进一步认识。表示对黄老师真挚的谢意。 当然了，在设计过程中，还有我们同学间的互相帮助，大家一起努力，在一周时间内就完成设计；以及学校图书馆提供的资料，都对我有很大的帮助，谢谢你们！再次感谢所有对我完成设计有帮助的人！10 参考文献电子技术基础模拟部分 华中科技大学电子技术课程组 2006电子线路基础 高等教育出版社 1997模拟电子技术基础 高等教育出版社 198811 附录17