调理电路课程设计(lihaitao).doc

华东交通大学

课程设计报告

题目： 信号调理电路课程设计
院系： 机电工程学院
专业： 测控技术与仪器
姓名： 李海桃
学号： 20080310110132
指导老师： 李鹏

2011年7月6日

目 录

设计任务书 3
序言 5
一：信号调理电路方案选择 6
1.1 信号调理电路的功能及目的 6
1.2 信号调理电路的要求 6
1.3 信号调理电路的基本组成 7
1.3.1 放大电路 7
1.3.3 滤波电路 8
二：信号调理电路各部分电路设计 8
2.1 放大电路的设计 8
2.1.1 放大电路的基本要求 8
2.1.2 同步放大电路的设计 8
2.2 滤波器的设计 10
2.2.1 低通滤波器的设计 11
2.2.2 高通滤波器的设计 13
2.2.3 带通滤波器的设计 16
三、心得体会 17
四、主要参考文献 18
五、附录 19

设计任务书

一、 总要求
能够独立进行小型检测模块系统方案的设计及论证，选择合理的传感器、设计必要的接口电路等，以及合理选择有关元器件及正确使用相关工具与仪器设备等，并且能结合实际调试与实验进行有关精度分析与讨论。
二、 总任务
针对总要求进行原理及方案论证、模块设计、接口电路设计、焊接或插接与调试、精度分析以及撰写报告等工作。
三、 设计题目
信号调理电路
四、设计内容
设计一个放大电路以及三个滤波器（低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器）
五 设计进度或计划
1、 准备及查阅资料 一天
2、 方案设计及论证（总体方案） 二天
3、 硬件电路设计、画图（PROTEL） 三天
4、 实验室调试及结果分析 二天
5、 整理报告及准备答辩 二天
六、设计说明书包括的主要内容
1、 封面
2、 目录
3、 设计任务书
4、 正文（可按下列内容撰写、仅供参考）
1） 序言
可包括系统工作原理的介绍等。
2） 方案设计及论证
可按模块进行方案设计与论证；
各模块设计中应包括适当的精度分析及选型等。
3） 实验或系统调试
可包括实验调试工具仪器、实验结果及适当的分析等。
4） 心得体会
5） 主要参考文献

另：说明书的撰写格式应符合一定的要求，可参照华东交通大学本科生毕业论文撰写规范进行。
七、考核方法
考核可根据学生平时学习态度（含出勤率）20%、设计完成情况（样机）40%、图纸及说明书质量（含答辩）40%确定。

序言

信号的调理是测试系统不可缺少的重要环节。被测物理量经传感器后的输出信号通常是很微弱的或者是非电压信号，如电阻、电容、电感或电荷、电流等电量，这些微弱的信号或非电压信号难以直接被显示或通过A/D转换器送入仪器或计算机进行数据采集，而且有些信号本身还携带有一些我们不期望的信号或噪声。因此，经传感器的信号尚需经过调理、放大、滤波等一系列的加工处理，以将微弱电压信号放大、将非电压信号转换为电压信号、抑制干扰噪声、提高信噪比，以便后续环节处理。
其中信号放大电路是为了将微弱的传感器信号，放大到足以进行各种转换处理，或推动指示器、记录器以及各种控制机构。放大电路的种类多种多样，如差分放大电路、电荷放大电路、电桥放大电路、同相放大电路、反相放大电路等。为此本人在这次信号调理电路中用了同相放大电路，与反相放大电路相比，同相放大电路具有高输入阻抗，但也有易受干扰和精度的不足。
而滤波器电路可以从频率中对噪声的抑制，提取所需的测量信号，是测试系统必不可少的组成成分。其工作原理是当信号与噪声分布在不同频带中时，可以在频率中实现信号分离。在实际测量系统中，噪声与信号往往有一定的重叠，如果重叠不是很严重，仍课利用滤波器有效的抑制噪声功率，提高测量精度。一般来说，测量精度在很大程度上由测量信号频带内有用信号功率之比，即信噪比决定。除滤去噪声外，滤波器号可以分离各种不同的信号，例如将传输线路中不同信号分开，将调制信号与载波信号分开，提取特定频率成分的信号等。
当信号经过调制解调后再依次经过以上两种电路，通常会得到所需的较理想的信号。

一：信号调理电路方案选择
1.1 信号调理电路的功能及目的
大多数传感器（有源或无源）的满度输出都是相当小的电压、电流或电阻的变化。因此，在进一步作模拟或数字之前，必须对他们的输出作适当的调理。据此，便发展了通常称为信号调理电路的一大类电路。放大、电平变换、电隔离、阻抗变换、线性化、滤波均是可能需要的基本信号调理功能。
然而，不论采取那种调理方式，调理结构的性能都取决于电特性和输出。利用一些适合于应用的参数，例如，灵敏度、电压和电流大小、线性度、阻抗、增益、失调、漂移、时间常数、最大电参数额定值以及其他一些重要因素来精确表征传感器。
信号调理电路目的有：1）分离信、噪，提高信噪比；2）从信号中提取有用的特征信号；3)修正测试系统的某些误差，如传感器的线性误差、温度影响等。
1.2 信号调理电路的要求
对信号调理电路的主要要求了概括为精、快、灵、可靠，当然也还有一些其他的要求，例如量程和经济性等。
1.2.1 精度高
精度是信号调理电路的关键，要求测量装置准确地反映被测对象的状态与参数。为了实现高精度，信号调理电路应具备低噪声与高抗干扰能力、低漂移、高稳定性、线性度与保真度好等性能。
1.2.2 合适的输入与输出阻抗
若测量电路的输入阻抗太低，在借入电路后，就会使感器的状态发生变化。从不影响前级的工作状态出发，要求是使电路有高输入阻抗。但输入阻抗高，输入端的噪声也就越大，因此合理的要求是使电路的输入阻抗与前级输出阻抗相匹配。同样若电路的输出阻抗太大，在接入输入阻抗较低的负载后，会使电路输出下降。要求电路的输出阻抗与后级的输入阻抗相匹配。
1.2.3 动态性能好
测量电路没有良好的频率特性、高的响应速度，就不能准确地测出被测对象的状况，无法对被测系统进行准确地控制。
1.2.4 高识别力和分辨力
一个实际的信号中不仅包括信号与噪声，而且信号中包含具有不同特征的信号，例如不同频率的信号。这些不同特征的信号可能由不同的源泉产生，可有不同的物理含义。对于这些信号进行分析、辨别的任务首先落在调理信号身上，其次通过调理电路对信号进行转换，与计算机一起完成进一步的识别与分辨。
1.2.5 可靠性高
一种电路，无论在原理上如何先进，在功能上如何全面，在精度上如何高，若可靠性差，故障频繁，不能稳定工作，则该电路就无使用价值。因此电路的可靠性要求是十分必要的。可靠性要求，就是要求电路在一定时间、一定条件下不出故障地发挥其功能的概率要高。
1.3 信号调理电路的基本组成
1.3.1 放大电路
由于很多信号幅度比较小,所以需要通过放大器来提高测量的精度。放大器通过匹配信号电平和A/ D 转换器的测量范围,来达到提高测量分辨率的目的。
1.3.2 信号调制解调电路
在测量中，进入测量电路除传感器输出的测量信号外，往往还有各种噪声。而传感器的输出信号一般也很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测量电路的一项重要任务，。为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定的特征，这就是调制的主要功用。在将测量信号调制，并将它和噪声分离，再经放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，着一过程称为解调。
1.3.3 滤波电路
通常被测信号是由多个频率分量组合而成的，而且在检测中得到的信号出包含有效信息外，还有噪声和不希望得到的成分，从而导致真实信号的畸变和失真。所以希望采用适当的电路选择地过滤掉不希望得到的成分或噪声。滤波和滤波器便是实现上述功能的手段和装置。其中滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。
1.3.4 信号调理电路工作的框架图
传感器
放大电路
解调器
滤波器
运算电路
A/D
转换
计算机

显示
振荡器

二：信号调理电路各部分电路设计
2.1 放大电路的设计
2.1.1 放大电路的基本要求
由于传感器的输出电信号是很微弱的，通常对放大电路的基本要求有1）放大电路的输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；2）稳定的放大倍数；3）低噪声；4）低的输入失调电压和失调电流，以及低的漂移；5）足够的带宽和转换速率(无畸变地放大瞬态信号)；6）高共模输入范围和高共模抑制比；7）可调的闭环增益；8）线性好、精度高等
2.1.2 同步放大电路的设计
基于以上要求和实验室条件，本次课程设计我们采用了同步放大电路。其原理图如图所示

由上图可知，(Uo-Ui)/R2=Ui/R3
Uo/Ui=1+R2/R3
即其闭环增益为 Kf=1+R2/R3,
由于传感器输出电压一般为几十毫伏，R2取可变电阻，其变化范围为0~10K。R3取1K。从而采取两级放大。可知，其放大倍数可达120倍。则可根据需要调整放大倍数，从而得到相应的输出电压。
其两级放大仿真电路如下：

可知，在上图放大倍数为36倍的电路中，当输入为0.1V时，输出可得3.598V。
从而达到良好的放大目的，但实际电路中并不能达到这样的理想效果。输出电压略有偏差，放大倍数只能达到20倍左右。上图的运算放大器型号为OP07CP，
管脚图如下

2.2 滤波器的设计
• 自60年代以来，集成运算放大器获得了迅速的发展。由集成运算放大器和R、C组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等特点。此外，由于集成运算放大器的开环增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。不过，因受运算放大器带宽的限制，这类滤波器目前还仅多应用于低频范围。根据频率范围可将其分为低通、高通、带通与带阻等四种滤波器。四种滤波器的衰减特性如下图所示。
•

2.2.1 低通滤波器的设计
2.2.1.1 低通滤波器的作用与组成
为了降低信号调制频率以外的高频干扰信号,加入了此低通滤波器将之滤除。低通滤波由双运放集成电路OP07构成。OP07高精度、低偏置、低功耗等特点片内集成两个运放电路,可灵活构成各类放大和滤波电路。
2.2.1.2 低通滤波器的设计
低通滤波电路如图所示：
图中R11、R12、C11、C12 构成二阶压控有源低通滤波器为不损失其高频成分, 截至频率设计为:
f=ω/2π=sqrt(C11C12R11R12)/ 2π.
可得其截止频率为1000Hz。

根据课设要求可用以上二阶切比雪夫低通滤波器，其响应特性如下：

二阶切比雪夫低通滤波器响应曲线
切比雪夫滤波器的特点是在通带内，具有相等的波纹。在阶数N一定时，波纹越大，截频衰减陡度越陡。相位响应也是非线性。
在实验中，当输入频率为100Hz有效电压为0.1V的正弦波时，经过上述放大电路和低通滤波器时，可得到一频率仍为100Hz有效电压为3.598V的正弦波。
输出波形如下图所示：

而当输入频率为2000Hz有效电压为0.1V的正弦波时，经过上述放大电路和低通滤波器时，其输出很小，电压只能达到383.28mV。如下图所示：

可知，该低通滤波器设计较合理。可达到较理想的结果。

2.2.2 高通滤波器的设计
2.2.2.1 二阶高通滤波器的传递函数

由此可知，高通滤波器可以由低通滤波器以w0/s代替s/w0
因此巴特沃斯或切比雪夫高通滤波器的二阶传递函数为：

2.2.2.2 高通滤波器的作用与组成
为了降低信号调制频率以外的低频干扰信号，加入了此高通滤波器将之滤除。其由R、C、和运算放大器OP07组成。
2.2.2.3 高通滤波器的设计
压控电压源高通滤波器

由此可知：

解得：

若k＝1，则R3所在之路相当于开路，而R4可为任意值，一般，在实际使用中，将R4所在支路短路，此时该运放实际上起电压跟随器的作用，电阻R1和R2的值不变。
由上可知，得实际高通滤波器如下图：
图中R11、R12、C11、C12 构成二阶压控有源低通滤波器为不损失其高频成分, 截至频率设计为:
f=ω/2π=sqrt(C11C12R11R12)/ 2π.
可得其截止频率为5000Hz。

根据课设要求可用以上二阶切比雪夫高通滤波器，其响应特性如下：

二阶切比雪夫高通滤波器响应曲线

在实验中，当输入频率为10000Hz有效电压为0.1V的正弦波时，经过上述放大电路和高通滤波器时，可得到一频率仍为10000Hz有效电压为3.564V的正弦波。
输出波形如下图所示：

当输入频率为1000Hz时，经过上述放大电路和高通滤波器时，可得到一频率仍为1000Hz有效电压为350.463mV的正弦波.
输出波形如下图所示：

亦可知，该高通滤波器设计较合理。可达到较理想的结果。

2.2.3 带通滤波器的设计
2.2.3.1 带通滤波器的作用
带通滤波器可认为是上述低通滤波器与高通滤波器的组合，可实现两频率之间的信号通过，滤去高频和低频成分。
2.2.3.2 带通滤波器工作原理
带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。比如RLC 振荡回路就是一个模拟带通滤波器。一个理想的带通滤波器应该有平稳的通带（bandpass，允许通过的频带），同时限制所有带外频率的波通过。但是实际上，没有真正意义的理想带通滤波器。真实的滤波无法完全过滤掉所设计的通带之外的频率信号，在理想通带边界有一部分频率衰减的区域，不能完全过滤，这一曲线被称做滚降斜率(roll-off)。滚降斜率通常用dB 度量来表示频率的衰减程度。一般情况下，滤波器的设计就是把这一衰减区域做的尽可能的窄，以便该滤波器能最大限度接近完美通带的设计。
2.2.3.3 带通滤波器的设计
本次设计的上下截止频率分别为：fL=1000Hz,fH=5000Hz。
带通滤波电路如图所示
带通滤波器的中心频率f0 和带宽BW 之间的
关系为：
Q= fo/BW = fo/(fH –fL)
（1）
Fo= sqrt(fH fL ) （2）
由（1）（2）可得：
fL=1000Hz,fH=5000Hz

根据课设要求可用以上二阶切比雪夫带通滤波器，其响应特性如下:

二阶切比雪夫带通滤波器响应特性
通过仿真可得到以上相同的输出波形，可知该带通滤波器设计合理。

三、心得体会
这次课设时间虽然只有短短的两周时间，但却让我学到了很多东西。学到了除了书本上的东西，还有许多书本以外的很多东西，同时让我将理论和实际相结合。在课程设计期间我学到了很多知识和技巧，而最重要的就是学到了科学实验中的不可缺少的毅力和耐心。
在最开始选定这题目之后，真有点不知该如何下手做下去。于是就去图书馆查找了许多资料和已学课程的资料，便有了一些头绪。我的这次课程设计主要是对传感器输出信号的处理，放大和滤波。我首先选好放大电路，通过Protel画出原理图，再在Multisim仿真软件上进行仿真。在仿真上能得到比较理想的情况，但用元器件进行连接实际电路图时，却与实际情况有着不少的差别。在设计滤波器时，我设计了低通滤波器，高通滤波器和带通滤波器三种。滤波器的仿真与实际更有着非常大的不同。因为在显示时有着许许多多的影响因素，使得出来的波形有着很多的干扰波。
传感器的应用是非常广泛的，生活中处处可见到传感器的应用，所以传感器是非常重要的，但是传感器输出的信号有时很小的，而且干扰因素太多，因此需要进行信号的调理。
这次课程设计深深地让我懂得了理论与实际是有着很大的差别。
在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前学过的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固。通过这次课程设计，我懂的了学习的重要性，了解到理论知识与实际相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。
课程设计不仅考的是学生对课本知识的掌握，而且让我们学到了怎样去查资料，从而很好的完成课程设计。

四、主要参考文献
[1] 张国雄，《测控电路》，北京，机械工业出版社，2008年
[2] 和卫星等，《电子电路CAD实用技术》，合肥，中国科技大学出版社，2008年
[3] 高光天，《传感器器与信号调理期间应用技术》，北京，科学出版社，2002年
[4] 吴兴惠等，《传感器与信号处理》，北京，电子工业出版社，1998年
[5] 熊诗波等，《机械工程测试技术基础》，北京，机械工业出版社，2006年
[6] 王丽敏等，《电路仿真与实验》，哈尔滨，哈尔滨工程大学出版社，2000年

五、附录
附录一

（a）

（b）
信号调理电路原理图（a:滤波器为低通；b:滤波器为高通）

信号调理电路实物图
附录二

原始输入信号波形

未经滤波的波形

经滤波器后的波形