信号调理电路设计论文--大学毕业设计论文.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10KΩ左右
（4）匹配的负载在100kΩ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)/R3

5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10KΩ左右（4）匹配的负载在100kΩ左右，信号传输的损失尽量小
电路信号源幅度为100mV，内阻10kΩ，频率范围在50Hz~10kHz。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1kΩ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100Ω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:0°C to +70°C
　　封装类型:SOIC
　　3dB带宽增益乘积:1.2MHz
　　变化斜率:0.5V/μs
　　器件标号:324
　　器件标记:LM324AD
　　增益带宽:1.2MHz
　　工作温度最低:0°C
　　工作温度最高:70°C
　　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, +:15V
7.1.4 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

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