基于基本的传感器原理实现转换电路仿真及电荷放大器电路的设计与焊接.doc

燕山大学课程设计说明书第一章 摘要本课程设计基于基本的传感器原理实现转换电路仿真及电荷放大器电路的设计与焊接。设计内容及要求如下：内容及安排： 1. Multisim仿真软件学习； 2.转换电路仿真调试及序理分析：（1）基本电路（2）低频功率放大器（3）交流电桥电路（4）整流电路（5）二阶低通滤波电路（6）二阶帯通电路（7）比例放大电路（8）直流差动电桥放大电路（9）单臂直流电桥电路（10）二阶有源低通滤波电路 3.电荷放大器电路设计与焊接； 4.电路测试及考核。要求:（1）认真学习仿真软件； （2）分析各转换电路的原理及其相关的结果并进行调试； （3）撰写报告，进行总结。关键字 Multisim仿真软件 转换电路 电荷放大器第二章 引言传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科,是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。同时我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已成为了测试测量不可或缺的环节。因此，学习、研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重大意义的。随着传感器的应用与发展，其种类也在不断地增加。其中一些比较常见的有电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等，其中应用最广泛的是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器（straingauge type transducer ）以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。第3章 基本原理3.1传感器基本原理国家标准CB7665-87对传感器的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器一般由敏感元件、转换元件、信号转换电路三部分组成，其工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。3.2 应变片测量原理电阻应变片（金属丝、箔式或半导体应变片）粘贴在测量压力的弹性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变形，这个变形应力使应变片的电阻产生变形，根据所测电阻变化的大小来测量未知压力，也实现本次设计未知质量的检测。 设一根电阻丝，电阻率为，长度为l,截面积为S，在未受力时的电阻值为 R= - 图一 金属丝伸长后几何尺寸变化 如图一所示，电阻丝在拉力F作用下，长度l增加，截面S减少，电阻率也相应变化，将引起电阻变化R，其值为 R/R=S/S/ -对于半径r为的电阻丝，截面面积S=，则有s/s=2r/r。令电阻丝的轴向应变为=l/l，径向应变为r/r=(l/l)= ，由材料力学可知，为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得 R/R=（1+2）+/) - 通常把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数，其表达式为 K(1+2) - 从可以明显看出，电阻丝灵敏系数K由两部分组成：受力后由材料的几何尺寸受力引起(1+2)；由材料电阻率变化引起的(/) -1。对于金属丝材料，(/) -1项的值比(1+2)小很多，可以忽略，故K=1+2。大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即为常数。可写成 R/R=K -第四章 电路仿真与分析4.1基本的电路原理的仿真直流叠加定理叠加定理验证电路先测R3两端的电压36.666V,这个电压为V1和I1共同作用的结果。叠加定理验证电路 1将I1断开，V1单独供电的验证电路，R3两端为3.333V.叠加定理验证电路 2将V1短路，I1单独供电的验证电路，R3两端为33.333V。叠加定理验证电路 3结果分析 V1和I1共同作用时R3两端的电压为36.666V，V1和I1单独工作时R3两端的电压分别为3.333V和33.333V，这两个数值之和等于前者，符合叠加定理的描述。戴维南定理戴维南定理仿真电路 分别测量流过R4的电流和R4两端的电压，万用表显示IR4=16.667 mAUR4=3.333 V戴维南定理仿真电路 1 断开负载R4，测量原来R4的电压为6V。 戴维南定理仿真电路 2 将直流电压源用导线替换掉，测原R4两端的电阻，测量结果为160.。戴维南定理仿真电路 3R4左边的电路等效为原R4两端电压和电阻串联形式，再与R4相连接。这时测量R4流过的电流和R4两端的电压分别为IR4=16.667 mAUR4=3.333 V戴维南定理仿真电路 4结果分析 前后步骤测量的两组数字基本一致，从而验证了戴维宁定理的正确性。4.2低频功率放大器闭合开关J1，观察放大器工作于乙类工作状态时的输出和输入电压波形（下图1所示）。断开开关J1，观察输出和输入波形（下图2所示），与上述步骤观察的内容进行比较。图1 交越失真的波形图2 不失真的输出波形4.3交流电桥电路结果仿真仿真分析交流电桥平衡要满足两个条件。即相对两臂复阻抗的模之积相等，并且其副角之和相等。所以交流电桥的平衡比直流电桥的平衡要复杂得多。对于纯电阻交流电桥，由于应变片连接导线的分布电容，相当于在应变片上并联了一个电容，如图，所以在调节平衡时，除使用电阻平衡装置外，还要使用电容平衡装置。4.4整流电路结果仿真仿真结果分析R1是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1D4结成电桥的形式，固有桥式整流电路之称。在桥式整流电路中，二极管D1D3和D2D4是两两轮流导通的。在电源的正负半周内电流通过电路时，负半周通过D2.4，正半周通过D1.3.通过负载R1的电流以及电压的波形如仿真图所示。显然，它们都是单方向的全波脉动波形4.5二阶低通滤波电路结果仿真仿真分析根据数字信号的知识可知，所有信号都是由无穷个正余弦信号叠加在一起得到，通过对信号进行快速傅里叶变换即可得到信号的频谱组成成分。通过仿真实验可知，要想达到较好的滤波效果，设置的截止频率必须大于信号基波频率的10 倍以上，具体的设置还要参考噪声的频率。4.6二阶带通电路仿真电路仿真分析二阶滤波器对于削减高频信号能起到更高的效果。这种类型的滤波器的波特图类似于一阶滤波器，只是它的滚降速率更快。其它的二阶滤波器最初的滚降速度可能依赖于它们的Q 因数，但是最后的速度都是每倍频 -12dB。本电路设计的二阶低通滤波的截止频率为放大倍数4.7比例放大电路结果仿真仿真结果分析 比例放大器设置的放大倍数为-5 倍，信号源的幅值设置为500MV，频率为1KHZ，根据仿真结果的波形 ，验证了比例放大器的正确性。电路中的R3 起阻抗匹配作用4.8直流差动电桥放大电路结果仿真仿真结果分析差动放大器的特点是静态工作点稳定，对共模信号有很强的抑制能力， 它唯独对输入信号的差（差模信号）做出响应，这些特点在电子设备中应用很广。集成运算放大器几乎都采用差动放大器作为输入级。这种对称的电压放大器有两个输入端和两个输出端，电路使用正、负对称的电源。根据电路的结构可分为：双端输入双端输出，双端输入单端输出，单端输入双端输出及单端输入单端输出四种接法。凡双端输出，差模电压增益与单管共发放大器相同；而单端输出时，差模电压增益为双端输出的一半，另外，若电路参数完全对称，则双端输出时的共模放大倍数为0，其实测的共模抑制比将是一个较大的数值，愈大，说明电路抑制共模信号的能力愈强。 本系统R5、R6、R7、R8 产生直流差动信号，经过差动放大器，放大有用信号的同时，抑制噪声。R1、R2、R3、R4 组成差动放大器，电路的输出 ： 4.9单臂直流电桥电路仿真分析如图为单臂直流电桥电路,R2，R3，R4全为400欧，R1为滑动变阻器。当为如图所示时,R1为500欧姆,划片为45%时加上12伏直流电压,输出为1.68伏。当R1变为0%时则输出电压变为6伏，此时电桥的输出电压为Uo=Ui.(1) 当应变片工作时，其电阻变化,此时不平衡电压输出为。 (2) 设桥臂比,由于,略去分母中的,式（2）变为 （3） 可得单臂工作应变电桥的电压灵敏度为。 当改变的阻值时可对应不同的输出电压，如图所示。 4.10二阶有源低通滤波电路仿真分析此电路是由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成的二阶有源低通滤波电路，如上图所示。考虑到集成运放的同相输入端电压为（）而和的关系为（）对于节点，应用定理可得（）将式（）（）联立求解，可得电路的传递函数为（）令（）（）则有（）式（）为二阶有源低通滤波电路传递函数的典型表达式。输出端接一个示波器，仿真后的波形如上图所示。第五章 电荷放大器5.1电荷放大器原理电荷放大器实际上是一种具有深度负反馈的高增益放大器，其等效电路如图。若放大器开环增益A足够大，则放大器的输入端a点的电位接近于地电位；并且由于放大器的输入级采用了场效应晶体管，放大器的输入阻抗很高。所以放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路，电荷q对反馈电容Cf充电，充电电压接近于放大器的输出电压： Uoucf=-Q/Cf Uoucf=-Q/Cf压电式传感器与电荷放大器连接的基本电路及等效电路如下由“虚地”原理可知，将反馈电容Cf和电阻Rf折合到放大器输入端：根据等效电路的放大器输出为对电荷前置放大器电路的特性，讨论如下。（1）当A足够大，且频率足够高时，满足(1+A)Cf （Ca+Cc），1/(1+A)Rf1/Ra，和Cf 1/Rf，放大器输出电压即为可见输出电压只取决于输入电荷Q和反馈电容Cf，改变Cf的大小即可得到所需的电压输出。在电荷放大器的实际电路中，考虑到被测物理量的不同量程，以及后级放大器不致因输入信号太大而引起饱和，反馈电容Cf的容量是可调的，一般在100104pF范围之间。（2）当频率足够高时，式变为（3）电荷放大器通常在反馈电容的两端并联一个大的反馈电阻Rf=1081010，其功能是提供直流反馈，以提高电荷放大器工作稳定性和减小零漂。当工作频率很低，但放大倍数A仍足够大，式 变成表明，输出电压不仅与有Q关，而且与反馈网络的元件参数Cf 、Rf和传感器信号频率有关，其幅值为:当1/Rf=Cf时，有 此时放大器输出电压仅为高频时输出的 ，由此可得电荷放大器增益下降3dB的下限截止频率为:此时放大器输出电压仅为高频时输出的 ，由此可得电荷放大器增益下降3dB的下限截止频率为:低频时，输出电压与输入电荷之间的相位差为在截止频率fL处 =45可见压电式传感器配用电荷放大器时，其低频幅值误差和截止频率只决定于反馈电路的参数Rf和Cf，其中Cf的大小可以由所需要的电压输出幅度决定，当给定工作频带下限截止频率fL时,反馈电阻Rf值可由下限截止频率公式计算确定。5.2仿真电路与分析理想条件下，工作频率足够高，放大器增益足够大，电荷放大器输为 增益下降3dB 对应的下限截止频率为此电路由电荷放大器电路、低通滤波电路及双积分电路构成的。在电荷放大器电路中C1为传感器本身的等效电容，R3为降压电阻，防止信号突变电压过大损坏放大器；C2为隔直电容，防止传感器本身的直流信号流入放大器影响信号质量；R2和C3共同构成低通滤波器，消除信号中的噪声；R6起到阻抗匹配的作用；一般R5的阻值比较大。仿真设计主要是为了确定电荷变换级的输出达到准静态特性的相关参数，而做的前期仿真，并为后面的实际电路的制作提供可靠的理论依据。电荷变换级对运算放大器的要求主要在于：低漂移(主要指低输入偏置电流、低输入失调电压)、宽频带、高增益、高输入阻抗。为了减小低频漂移，输入电阻必须尽量高，至少不应该低于反馈电阻。 在实际为了减少线路寄生电容的影响，得到必要的测量精度，C2的下限约为100pF。 根据以上电路进行仿真，信号的到了有效的转换。第六章 误差分析本系统的误差来源主要有传感器本身的寄生电容、电感、电阻，运算放大器的温漂、带宽、增益的影响，电阻、电容本身的寄生参数都会对本电路产生误差影响。第七章 结论本次课程设计借助Multisim仿真软件, 设计电路，快捷、方便的检验了电路的正确性。从电荷放大器的基础理论着手，推导了QV转换及满足准静态特性的基本参数要求。运用Multisim软件对所设计的电路进行了仿真，仿真结果表明：采用脉冲电流源等效电源的模型是合理的，理论分析结果和仿真结论一致。通过手动制作电荷放大器，连接示波器，观察效果波形，结果与仿真电路波形基本一致。心得体会经过此次的课程设计，感触最深的还是亲手制作电荷放大器，理论与实践相结合，更充分理解了理论知识，又增强了动手能力，很感谢老师能给予这次机会。我基本掌握了multisim模拟仿真软件的使用方法，传感器设计的基本思路。这次的课程设计，让我们对于传感器的设计仿真整个过程都有了一个很完整和客观的认识，并在参与其中的电路设计和仿真中积累了非常宝贵的经验。当然在进行设计的过程中，我也很快认识到了自己掌握的知识还不足，某些方面的能力还是不够。这也让我再次认识到知识的重要性，只有不断的充实自己、完善自己的知识理论体系，才能够更好的胜任自己以后的工作。这次课程设计接触到的许多应用都是前所未见的，但是我明白了，只要用心学习，一定能够学得会并且超越自己。而且，将理论在某平台的实现是要付出非常的努力和耐心、并不断修正错误多次试验、最后使理论和实践达成统一的过程。设计中的不足让我深刻的认识到认真的学习和尽量掌握各方面知识是很重要的。最后由于时间短促和自身水平的限制，设计中还有很多问题存在，还有这样或那样的遗憾，但我会在以后的学习中逐渐积累相关的知识和经验。总而言之，在这次课程设计中， 在各方面我获得了很多，对我有很大补充。我会铭记这段时间里的宝贵经验和老师的悉心教导。参考文献赵燕.传感器原理及应用.北京理工大学出版社.2010年张玉龙等.传感器电路设计手册.中国计量出版社.1989年李科杰等.新编传感器技术手册.国防工业出版社.2002年吴桂秀.传感器应用制作入门.浙江科学技术出版社.2004年杨宝清，孙宝元. 传感器及其应用手册. 2004年单成祥. 传感器的理论与设计基础及其应用. 国防工业出版社.1999年 殷淑英. 传感器应用技术.冶金工业出版社.2008年1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究 4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制 5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究 6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现 9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统 10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究 12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发 13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制 14. 基于单片机的自动找平控制系统研究 15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发 16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发 17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现 18. 一种基于单片机的轴快流CO,2激光器的手持控制面板的研制 19. 基于双单片机冲床数控系统的研究 20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制 21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制 22. 基于单片机的软起动器的研究和设计 23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究 24. 基于单片机的机电产品控制系统开发 25. 基于PIC单片机的智能手机充电器 26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究 27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究 28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制 29. 基于微型光谱仪的单片机系统 30. 单片机系统软件构件开发的技术研究 31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制 33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用 34. 基于单片机的光纤光栅解调仪的研制 35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制 36. 基于单片机的数字磁通门传感器 37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究 38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究 39. 单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制 40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪 41. 基于单片机的电机运动控制系统设计 42. 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