燕山大学-电荷放大器课程设计.doc

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燕山大学
课 程 设 计 说 明 书

题目：传感器转换电路仿真及电荷放大器转换电路设计

学院（系）：
年级专业：
学 号：
学生姓名：
指导教师：
教师职称：

精品资料
燕山大学课程设计（论文）任务书
院（系）： 电气工程学院 基层教学单位： 自动化仪表系
学 号

学生姓名

专业（班级）

设计题目
传感器转换电路仿真及电荷放大器转换电路设计
设
计
技
术
参
数
1测量范围:
2输出电压0-10V；
3线性度:
4灵敏度：
5精度：

设
计
要
求
1学习电路仿真软件Multisim.
2设计与仿真调试各种传感器转换电路；
3设计直流电桥转换电路、放大电路、滤波电路；
4电荷放大器转换电路电路调试；
5撰写报告、完成答辩。
工
作
量

第17-19周（完成资料查阅、方案设计、电路仿真、硬件调试、测试及误差分析等内容）
工
作
计
划
设计时间共10天。
第1-2天 资料查阅(图书馆及网络)；理论工作原理学习。
第3-4天 设计方案制定。
第5-6天 电路仿真，各器件选型。
第7-8 传感器转换电路调试。
第9-10天 撰写报告，完成答辩。
参
考
资
料
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
指导教师签字
陈颖 朱丹丹
基层教学单位主任签字
谢平
说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。
2011年12月26 日
燕山大学课程设计评审意见表

指导教师评语：

1、认真、很好的完成课设各阶段的任务。【 】
2、能够较好的完成课设各阶段的任务。【 】
3、能够按时完成课设各阶段的任务。【 】
4、不按时完成课设各阶段的任务。【 】

成绩：
指导教师：陈颖 朱丹丹

2012年 12月28日

答辩小组评语：
1、全面、得体的回答老师的提问。【 】
2、能够简要回答老师的提问。【 】
3、能够回答部分老师的提问。【 】
4、不能回答老师的提问。【 】

成绩：
组长： 童凯

2012年 12月28日
课程设计总成绩：
答辩小组成员签字：
童凯 吴飞 王志斌 赵彦涛 陈颖 朱丹丹

2012年 12月28日

精品资料
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目 录

第1章 摘要…………………………………………………………………………………5
第2章 引言…………………………………………………………………………………6
第3章 基本原理……………………………………………………………………………7
第4章 基本电路仿真及分析………………………………………………………………9
第5章 电荷放大器的设计 ………………………………………………………………15
第6章 误差分析 …………………………………………………………………………16
心得体会 ……………………………………………………………………………………16
参考文献 ……………………………………………………………………………………17

第1章 摘要

电荷放大器作为一种将电荷信号转换成电压信号的放大器,用做传感器的转换电路,被广泛地应用在自动控制测量领域。本文从电荷放大器的基本设计电路及原理出发，深刻理解电荷放大器的电路结构设计与参数分析，了解了电荷放大器在传感器中的实际应用。同时通过电路的仿真设计与调试以及实际电路板的焊接,验证了该电路的可行性和可靠性。通过设计，掌握了电路设计的基本方法与技能，达到了课程设计的目的。

第2章 引言
电荷放大器作为组成压电传感器测试系统中的重要部分得到了越来越广泛的应用，在配合电子测压使用的电荷放大器的研制工作中。在很多压电测试场合，需要把电荷量的信号转换成电压或电流的信号，此时，就需要用到一种特殊的放大——电荷放大器。
电荷放大器把电荷量变成与之相应的输出电压，要求输入阻抗极高，输出对输入具有良好的积分关系。电荷放大器有线路简单，线性度和稳定性好等特点，因此对电荷放大器转换电路的研究与设计十分必要。电荷放大器的原理是利用放大器输入虚地的概念，把电荷信号直接积分到电路中的积分电容，从而放大器的输出，便是所有电荷量的总和的输出。本文利用Multisim软件对电荷放大器的电荷变换单元进行了仿真，得出了与理论分析相吻合的结论，对电荷放大器的研制提供了理论依据。

第3章 基本原理
电荷放大器的基本电路如图2所示，压电晶体受到压力作用产生电荷Q；Ca 是传感器级间电容，Qa 是此时充到Ca 中的电荷；Cc 是传感器传输电缆的电容，Qc是此时充到Cc 中的电荷，Gc 是输入电缆漏电导；Ci是电荷放大器的输入电容，Qi 是此时充到Ci 中的电荷，Gi 是放大器的输入电导；Ud 是此时在运算放大器反相输入端上产生的差动电压；Cf 是电荷放大器的反馈电容，作用到Cf 两端的电压是Ud 和输出电压U0 的差值，Qf 是此时充入Cf 的电荷，Gf 是放大器的反馈电导；
运算放大器的开环系数为A，由于电压是反向输入，
所以：
U0=-A×Ud
因此作用在Cf 两端的电压为：
　　 Ucf=Ud-（-A×Ud）=Ud×（1+A）
假设反馈电阻Rf的阻值为无限大：
　　 Q=Qa+Qc+Qi+Qf=Ud×（Ca+Cc+Ci+（1+A）Cf）
所以 Ud=Q/(Ca+Cc+(1+A)Cf)
UO=-Q/Cf
在精度的范围内可以忽略部分数量级小的部分，可以认为：
UO= -Q/Cf

根据传感器的电荷灵敏度、量程和反馈的电容计算出输出的最大电压。

电荷放大器的仿真电路图如下：

输出波形如下：

第4章基本电路仿真及分析
4.1 比例放大电路
4.1.1 电路设计

4.1.2 输出波形

4.1.3 结果分析
比例放大器设置的放大倍数为-5倍，信号源的幅值为500MV，频率为1KHZ，UO=-(R1/R2)UI仿真波形如上所示，波形与预期结果相符合。

4.2 差动放大器电路
4.2.1 电路设计

4.2.2 输出及分析

所示电路是用来实现两个电压相减的求差电路，从电路结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。在理想运放的条件下，利用虚短和虚断的概念，有(V1-V2)→0，Ii→0。分析电路得输出电压为VO=R4/R3(UI2-UI1)，代入图中参数求得输出电压为10V，所得结果满足电路原理输出要求，验证电路设计的正确性。
4.3交流电桥

4.3.1电路设计

4.3.2 电路原理分析:

对于交流电桥，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，在调节平衡时，除了使用电阻平衡装置外还要使用电容平衡装置。满足平衡条件 交流电桥平衡要满足两个条件，即相对两臂复阻抗的模的积相等并且其幅角之和相等。
单臂电桥的输出电压为

4.4 整流电路

4.4.1 电路设计

4.4.2 电路原理分析

整流电路主要由整流二极管组成，桥式整流器利用四个二极管，两两对接。

利用二极管的导通性制成桥式整流电路，将交流信号的半周翻折到X轴上方。

经过整流电路的波形：

4.5 直流电桥

4.5.1 电路设计

4.5.2 工作原理
电桥的输出电压 U=
当R1=R2、R3=R4时单臂电桥的输出为

4.6 二阶低通电路

4.6.1电路设计

4.6.2电路原理分析

二阶低通滤波电路是由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是

输入阻抗高，输出阻抗低。

输出波形如下：

第5章 电荷放大器的设计
5.1 参数设计与运算
5.1.1 电路设计

5.1.2 电路原理分析
电容C与交流电源构成电源，电阻R起到降低压降的作用，避免交流电源输出过大烧坏放大器。电容C起到隔直流阻交流的作用，使后续电路中的信号恒为交流信号。电阻R与电容 C以及放大器一同构成反馈回路，对整个电路起反馈作用。电阻R为配合电阻，起到减小误差提高精度的作用。
5.1.3电荷放大器的运算
设输出电压为U
由图可得 Z1=1/jwc1+R5 Z2=1/jwc2
Z3=Z1Z2/(Z1+Z2)
Uo=-Z3/R1

5.2 电荷放大器的焊接与调试
5.2.1 焊接
通过实际电路板依照设计好的电路图进行电路的焊接，实现了电荷放大器设计的最后工艺。
5.2.2 调试
将焊接好的电路板接入已经调试好的测试电路中，得出了正确的输出波形。通过观察分析输出波形，验证了电路设计的正确性。
第6章 误差分析

电路的仿真结果是基于理想的理论依据输出的，但是实际的焊接过程中

因为焊接的不牢固等原因会造成一些输出偏差，导致出现误差。另外，

因为测试信号中夹杂着干扰信号，干扰信号对于输出波形有一定的干扰

信号，使得波形出现毛躁，变形等现象。

经过分析，在一定的误差允许范围内，所得的输出结果与波形理想情况

基本吻合。
心得体会

通过这次课程设计的实训，掌握了常用基本电路的原理与设计，学会了电路

分析的常用方法，明白了课程设计的基本步骤与要求，对课堂上所学的知识

有了更深刻的理解。学习并掌握了电路仿真软件Multisim的基本使用方法。

此外，通过电路板的实际焊接，增强了动手动脑能力，掌握了电子工艺设计

的基本工序，对课题有更深刻的了解。并且极大地激发了对电子工艺的兴趣，

增强了实践能力。

参考文献

【1】阎石.数字电子技术基础（第五版） 高等教育出版社.2006年

【2】康光华.电子技术基础模拟部分（第五版）高等教育出版社.2006年

【3】张玉龙等.传感器电路设计手册.中国计量出版社.1989年

【4】李科杰等.新编传感器技术手册.国防工业出版社.2002年

【5】百度搜索相关资料

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