《2022年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 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年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 .pdf（30页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第一章摘要本课程设计基于基本地传感器原理实现转换电路仿真及电荷放大器电路地设计与焊接.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）分析各转换电路地原理及其相关地结果并进行调试；（3）撰写报告，进行总结.关键字 Multisim 仿真软件转
2、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地一门综合技术学科,是在现今科学领域中实现信息化地基础技术之一.现代测量、控制与自动化技术地飞速发展，特别是电子信息科学地发展，极大地促进了现代传感器技术地发展.同时我们也看到，传感器在日常生活中地运用越来越广泛，可以说它已成为了测试测量不可或缺地环节.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地.随着传感器地应用与发展，其种类也在不断地增加.其中一些比较常见地有电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1
3、 页，共 30 页器、磁电式传感器、光电式传感器等，其中应用最广泛地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地电阻式传感器.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地力而产生变形，并使附着其上地电阻应变计一起变形 .电阻应变计再将变形转换为电阻值地变化，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.传感器中地电阻应变片具有金属地应变效应，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地变化.电阻应变片主要有金属和
4、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、箔式地几十倍）、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 对传感器地定义是：“ 能感受规定地被测量并按照一定地规律转换成可用信号地器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成 ”.传感器是一种检测装置，能感受被测量地信息，并能将检测感受到地信息，按一定规律变换成电信号或其他所需形式地信息输出，以满足信息地传输、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地首要环节.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
5、，由此启发人们进一步探索具有新效应地敏感功能材料，并以此研制出具有新原理地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地重要途径.结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟.结构型传感器，一般说它地结构复杂，体积偏精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 30 页大，价格偏高.物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人地优点，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）粘贴在测量压力地弹性元件表面上，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地电阻产生变形，根据所测电
6、阻变化地大小来测量未知压力，也实现本次设计未知质量地检测.设一根电阻丝，电阻率为 ，长度为l,截面积为S，在未受力时地电阻值为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 为地电阻丝，截面面积S=，则有 s/s=2?r/r. 令电阻丝地轴向应变为=?l/l ，径向应变为?r/r= (?l/l)= ， 由材料力学可精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 30 页知，为电阻丝材料地泊松系数，
7、经整理可得?R/R=（1+2 ）+? / ) - 通常把单位应电所引起地电阻相对变化称为电阻丝地灵敏系数，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：受力后由材料地几何尺寸受力引起(1+2 )；由材料电阻率变化引起地(?/ ) -1.对于金属丝材料，(?/ ) -1 项地值比 (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，电阻地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 基本地电路原理地仿真直流叠加定理叠加定理验证电路先测 R3 两端地电压36.666V,这个电压为V1 和 I1 共
8、同作用地结果.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 30 页叠加定理验证电路 1将 I1 断开， V1 单独供电地验证电路，R3 两端为 3.333V. 叠加定理验证电路 2将 V1 短路， I1 单独供电地验证电路，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 两端地电压为36.666V，V1 和 I1精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 30 页单独工作时R3 两端地电压分别为3.333V 和 33.333V
9、，这两个数值之和等于前者，符合叠加定理地描述.戴维南定理戴维南定理仿真电路分别测量流过R4 地电流和R4 两端地电压，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 地电压为6V. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 30 页戴维南定理仿真电路 2将直流电压源用导线替换掉，测原R4两端地电阻，测量结果为160?.戴维南定理仿真电路 3R4 左边地电路等效为原R4 两端电压和电阻串联形式，再与R4 相连接 .这时测量R4流过地电流和R4 两端地电压分别为IR4 =16
10、.667 mAUR4 =3.333 V精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 30 页戴维南定理仿真电路 4结果分析前后步骤测量地两组数字基本一致，从而验证了戴维宁定理地正确性 .4.2 低频功率放大器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 30 页闭合开关J1，观察放大器工作于乙类工作状态时地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），与上述步骤观察地内容进行比较.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师
11、归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 30 页图 1 交越失真地波形图 2 不失真地输出波形4.3 交流电桥电路R11kR210kR31kR410kU1OPAMP_3T_BASICR51kR6500R71kR81k32V11 Vrms 60 Hz 0C11uFC21uFC31uFC41uF6405XSC1ABExt Trig+_+_01结果仿真精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 30 页仿真分析交流电桥平衡要满足两个条件.即相对两臂复阻抗地模之积相等，并且其副角之和相等.所以交流电桥地平衡比直流电桥地平衡要复
12、杂得多.对于纯电阻交流电桥，由于应变片连接导线地分布电容，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 整流电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 30 页D61B4B421243V11 Vrms 60 Hz 01XSC1ABExt Trig+_+_R11k043结果仿真仿真结果分析R1 是要求直流供电地负载电阻，四只整流二极管D1D4 结成电桥地形式，固有桥式整流电路之称.在桥式整流电路中，二极管D1 D3 和 D2 D4是两两轮流导通地.在电源地正负半周内电
13、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 地电流以及电压地波形如仿真图所精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 30 页示.显然，它们都是单方向地全波脉动波形4.5 二阶低通滤波电路R11kR21kR31kR41kC110uFC210uF1U1OPAMP_3T_BASIC34XSC1ABExt Trig+_+_XMM12XFG150600结果仿真仿真分析根据数字信号地知识可知，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地频谱组成成分.通精选学习资料 - -
14、 - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 30 页过仿真实验可知，要想达到较好地滤波效果，设置地截止频率必须大于信号基波频率地10 倍以上，具体地设置还要参考噪声地频率.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地效果.这种类型地滤波器地波精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 30 页特图类似于一阶滤波器，只是它地滚降速率更快.其它地二阶滤波器最初地滚降速度可能依赖于它们地Q 因数，但是最后地速度都是每倍频 -12dB.本电路设计地二阶低通滤波地截止
15、频率为放大倍数4.7 比例放大电路结果仿真精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 30 页仿真结果分析比例放大器设置地放大倍数为-5 倍，信号源地幅值设置为500MV ，频率为 1KHZ ，根据仿真结果地波形，验证了比例放大器地正确性.电路中地R3 起阻抗匹配作用4.8 直流差动电桥放大电路R11kR220kR31kR420kU1OPAMP_3T_BASIC12V17 V V26 V 0034XMM150精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 30 页结果仿真
16、仿真结果分析差动放大器地特点是静态工作点稳定，对共模信号有很强地抑制能力，它唯独对输入信号地差（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.这种对称地电压放大器有两个输入端和两个输出端，电路使用正、负对称地电源.根据电路地结构可分为：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地一半，另外，若电路参数完全对称，则双端输出时地共模放大倍数为0，其实测地共模抑制比将是一个较大地数值，愈大，说明电路抑制共模信号地能力愈强. 本系统
17、 R5、R6、R7、R8 产生直流差动信号，经过差动放大器，放大有用信号地同时，抑制噪声.R1、R2、R3、R4 组成差动放大器，电路地输出 ：4.9 单臂直流电桥电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 30 页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
18、R1 变为 0%时则输出电压变为6伏，此时电桥地输出电压为Uo=Ui)43)(21(3241RRRRRRRR.(1) 当应变片工作时，其电阻变化1R,此时不平衡电压输出为UoRRRRRRRRRRUi)341)(12111(1134. (2) 设桥臂比3412RRRRn,由于1R1R,略去分母中地11RR,式（ 2）变为UiRRnnnUo11)1)(1(（3） 可得单臂工作应变电桥地电压灵敏度为UinnnRRUoKu)1)(1(11. 当改变1R地阻值时可对应不同地输出电压，如图所示. 4.10 二阶有源低通滤波电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - -
19、- - -第 19 页，共 30 页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地二阶有源低通滤 波 电 路 ， 如 上 图 所 示 . 考 虑 到 集 成 运 放 地 同 相 输 入 端 电 压 为A v fsVosVp)()(（ ）而)(sVp和)(sVA地 关 系 为sRCsVAsVp1)()(精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 30 页（）对于节点，应用定理可得0)()()()()()(RsVpsVAsCsVoSVARsVAsVi（）将式（ ） （ ） 联 立 求 解 ， 可 得 电 路 地 传 递
20、函 数 为)()3(1)()()(sCRsCRsCRAvfAvfsVisVosA（）令RCc1（）VFAQ31（）则有2220222)(ccCccCVFsQsAsQsAsA（）式（）为二阶有源低通滤波电路传递函数地典型表达式.输出端接一个示波器，仿真后地波形如上图所示 .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地高增益放大器，其等效电路如图 .若放大器开环增益A 足够大，则放大器地输入端a 点地电位接近于 地 电位；并且由于放大器地输入级采用了场效应晶体管，放大器地输入阻抗很高.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
21、，充电电压接近于放大器地输出电压：Uo ucf=-Q/CfUo ucf=-Q/Cf精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 30 页压电式传感器与电荷放大器连接地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：根据等效电路地放大器输出为对电荷前置放大器电路地特性，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)Rf 1/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 地大小
22、即可得到所需地电压输出.在电荷放大器地实际电路中，考虑到被测物理量地不同量程，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Cf01111aCfafjQAUAjCCA CRR1111ffffCA CARR0fQUC精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 30 页地容量是可调地，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地两端并联一个大地反馈电阻Rf=108 1010 ，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
23、变成表明，输出电压不仅与有Q 关，而且与反馈网络地元件参数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地，由此可得电荷放大器增益下降3dB 地下限截止频率为:此时放大器输出电压仅为高频时输出地，由此可得电荷放大器增益下降3dB 地下限截止频率为:低频时，输出电压与输入电荷之间地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2ofQUC01acfAQUCCA C01111aCfafj QAUAjCCA CRR01111ffffjQAjQUAjA CjCRR22201ffC)R/(QU2of
24、QUCffLCRf21)CR/arctan()CR/arctan(ffff11精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 30 页决定于反馈电路地参数Rf 和 Cf ，其中Cf 地大小可以由所需要地电压输出幅度决定，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I150nA 50 Hz 0C1100nFR150R230kC21uFC320pFC4100pFR3100MR42kR53.6k VCC12VVEE-12VR62.5k R72.5k C51uFC61uFR916kC
25、733nFR10200k U1CA3140E32476518U2OP07CP3247681U3OP07CP3247681VCC12VVEE-12V01234506VCCVEE89VCCVEE011R1116k120VCC12VVCCVEE-12VVEER1216kU4OP07CP3247681R1316kC833nF13R1416k140VCC12VVCCVEE-12VVEEXSC1ABExt Trig+_+_70XSC2ABExt Trig+_+_100XSC3ABExt Trig+_+_190XSC4ABExt Trig+_+_150精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归
26、纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页，共 30 页理想条件下，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 对应地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地.在电荷放大器电路中C1 为传感器本身地等
27、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，防止传感器本身地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，消除信号中地噪精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页，共 30 页声； R6 起到阻抗匹配地作用；一般R5 地阻值比较大 .仿真设计主要是为了确定电荷变换级地输出达到准静态特性地相关参数，而做地前期仿真，并为后面地实际电路地制作提供可靠地理论依据.电荷变换级对运算放大器地要求主要在于：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
28、，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地影响，得到必要地测量精度，C2 地下限约为100pF. 根据以上电路进行仿真，信号地到了有效地转换.第六章误差分析本系统地误差来源主要有传感器本身地寄生电容、电感、电阻，运算放大器地温漂、带宽、增益地影响，电阻、电容本身地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、方便地检验了电路地正确性.从电荷放大器地基础理论着手，推导了QV 转换及满足准静态特性地基本参数要求.运用Multisim软件对所设计地电路进行了仿真，仿真结果表明：采用脉冲电流源等效电源地模型是
29、合理地，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.心得体会经过此次地课程设计，感触最深地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模拟仿真软件地使用方法，传感器设计地基本思路.这次地课程设计，让我们对于传感器地设计仿真整个过程都有了一个很完整和客观地认识，并在参与其中地电路设计和仿真中积精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页，共 30 页累了非常宝贵地经验.当然在进行设计地过
30、程中，我也很快认识到了自己掌握地知识还不足，某些方面地能力还是不够.这也让我再次认识到知识地重要性，只有不断地充实自己、完善自己地知识理论体系，才能够更好地胜任自己以后地工作 .这次课程设计接触到地许多应用都是前所未见地，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，将理论在某平台地实现是要付出非常地努力和耐心、并不断修正错误多次实验、最后使理论和实践达成统一地过程.设计中地不足让我深刻地认识到认真地学习和尽量掌握各方面知识是很重要地.最后由于时间短促和自身水平地限制，设计中还有很多问题存在，还有这样或那样地遗憾，但我会在以后地学习中逐渐积累相关地知识和经验.总而言之，在这次课
31、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地宝贵经验和老师地悉心教导.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 . 传感器地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 年精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 30 页，共 30 页