氧气浓度传感器信号调理电路设计与仿真课程设计

课 程 设 计 报 告学生姓名 : 张雨强学 号：2014303020108学 院 : 自动化工程学院班 级 : 测控 141 班题 目 : 电子工艺设计氧气浓度传感器信号调理电路设计与仿真指导教师： 兰建军 职称: 讲师 2017 年 1 月 8 日目 录第 1 章 绪 论 .11.1 设计背景 .11.2 设计目的 .11.3 设计要求 .1第 2 章 设计内容 .22.1 设计原理 .22.1.1 氧化锆氧量传感器工作原理 .22.1.2 差分式精密放大电路 .22.1.3 同相比例加法电路 .32.2 器件说明 .42.3 电路设计 .52.4 仿真调试 .52.5 PCB 板设计 .62.6 可靠性和抗干扰性设计 .7第 3 章 设计体会及收获 .9参考文献 .10附录一：电路原理图 .11附录二：PCB 图 .12附录三：PCB 效果图 .13-1-第 1 章 绪 论1.1 设计背景纵观我们的生活，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。在矿用工作和通行的井下空气中，为安全工作要保证一定的氧气浓度，需要氧气浓度传感器进行监测。在火力发电厂燃煤锅炉来说，为经济燃烧要检测炉内氧量来调整风量，也离不开氧气浓度传感器的应用。因此，设计出技术和性能优良的氧气传感器是很必要的。分析氧含量在工业生产、医学和环境保护等领域都有着十分重要的意义。1.2 设计目的针对本次课程设计，其设计目的具体有以下五点：(1)解常用电子元器件基本知识（电阻、电容、电感、二极管、三极管、集成电路） ；(2)了解印刷电路板的设计和制作过程；(3)掌握电子元器件选型的基本原理和方法；(4)了解电路焊接的基本知识和掌握电路焊接的基本技巧；(5)掌握 pH 值传感器信号调理电路的设计，并利用仿真软件进行电路的调试。1.3 设计要求选用氧化锆氧量传感器进行烟气含氧量测量，要求测量范围 0.1%-20.0%、精度为0.1%。设计传感器的信号调理电路，实现以下要求：(1)设计信号调理电路将传感器输出 112-0.6mV 的信号转换为 0-5V 直流电压信号；(2)对信号调理电路中采用的具体元器件应有器件选型依据；(3)电路的设计应当考虑可靠性和抗干扰设计内容；(4)电路的基本工作原理应有一定说明；(5)电路应当在相应的仿真软件上进行仿真以验证电路可行性（不限制 EDA 软件类型） 。-2-3-第 2 章 设计内容2.1 设计原理本次氧气浓度传感器信号调理电路设计与仿真课程设计，其原理主要是由氧化锆氧量传感器输出 112-0.6mV 的信号，设计信号调理电路将传感器输出信号转换为 0-5V 直流电压信号。接下来介绍一下氧化锆氧量传感器工作原理和具体的信号调理电路设计原理。2.1.1 氧化锆氧量传感器工作原理氧化锆氧量传感器主要由氧化锆（ZrO2）和护套组成。它可以对燃烧气氛进行测量和控制，稳定和提高生产质量，又可缩短周期，节约能源。氧化锆氧量传感器是采用氧化锆固体电解质组成的氧浓度差电池来测氧的传感器。锆管的陶瓷体是多孔体，氧气可以渗入该多孔体固体电解质内 。温度较高时，氧气发生电离。只要锆管内（大气）外（废气）侧氧含量不一样，存在氧浓度差，则在固体电解质内部氧离子从大气一侧向排气一侧扩散，使锆管形成微电池，在锆管铂极间产生电压。当混合气稀时，排气中氧含量多，两侧氧浓度差小，产生的电压小；当混合气浓时，排气中氧含量少，CO、CH、NOx 的含量较多，这些成分在锆管外表面的铂的催化作用下，与氧发生反应，消耗废气中残余的氧，使锆管外表面氧浓度变成零，这样使得锆管内、外两侧的氧浓度差突然增大，两极间产生的电压也增大。电动势与温度、氧气浓度构成了一定的关系.利用这个关系,在温度一定的条件下,通过测取电动势,就可以知道氧气浓度了。2.1.2 差分式精密放大电路首先氧化钴传感器输入信号与一个 0.6mV 电压信号作差，使信号变为 0-111.4mV的电压信号，完成将下限调为零的作用。然后将所做的减法信号进行放大，最终实现的结果是从 112-0.6mV 的信号到 0-5V 直流电压信号的转换。此设计电路由三运放组成的如图 2-1 所示的精密放大电路完成的。-4-图 2-1 差分式精密放大电路设计图该放大电路分为两级，由运放 U1A、U1B 组成第一级电路，U1C 构成第二级电路，两级电路属于差分式电路。在第一级电路中，信号电压分别加到运放 U1A、U1B 的同相输入端，R3 、 R4 和 R7 位电路引入了深度的电压串联负反馈，使得运放 U1A、U1B 的输入端具有“虚短”和“虚断”的特征，而流过的电阻 R3、R4 和 R7 的电流相等，因此有.(1)12=(23)73+4+7整理得.(2)23=(1+3+47)(12)作为第二级差分放大电路的输入信号，由于 U1C 两输入电阻相等，且23R1=R5，R2=R6，有.(3)1=21(23)将 代入上式，便得到精密放大电路输出电压与输入电压的关系式23.(4)1=21(1+3+47)(12)由上式可知，此电路对输入信号的差进行了有效的放大。2.1.3 同相比例加法电路加法电路可采用同相输入方式，如图 2-2,所示。它可以实现将两个输入信号电压Uo1、U3 先求比例，然后相加。-5-此电路属于深度电压并联负反馈。运放两输入端仍然存在“虚短”和“虚断”的特征。为了获得输出电压 Uo 与输入端电压 Uo1、U3 的关系，可以利用叠加定理。若当 Uo1 单独作用时，应将 U3 输入端接地，在输出端的电压 Uo为.(5) =(1+28)=(1+28) 9108+(910)1再让 U3 单独作用，将 Uo1 输入端接地，此时在输出端的电压 Uo为.(6) =(1+29)=(1+29) 8109+(810)3按叠加定理，两个输入信号共同作用时，输出端的电压为.(7)= + =(1+28) 9108+(910)1+(1+29) 8109+(810)3适当选取电压中的阻值，可以使上式中的比例系数得到简化。图 2-2 同相比例加法电路设计图2.2 器件说明电路元件清单如表 2-1 所示。表 2-1 元器件列表型号 氧化钴传感器 运算放大器 可变电阻 电阻数量 1 个 4 个 1 个 11 个-6-2.3 电路设计由上述原理，可设计原理图如图 2-3 所示，信号调理电路实现了将传感器输出 112-0.6mV 的信号转换为 0-5V 直流电压信号的功能，通过差分式精密放大电路将 112-0.6mV 的信号放大为一个对输入信号的差成负比例放大关系的信号，再通过同相比例加法电路使负信号相加一个正信号，具体信号调理电路如图 2-3 所示。图 2-3 调理电路设计图2.4 仿真调试通过 proteus 对所设计电路进行仿真，由于仿真次数过多且连续，故只列出三种特殊情况下的仿真示意图，如图 2-4 所示，此为输入电压为 0.6mV 时输出电压为 5.00V。图 2-4 输入电压为 0.6mV 的仿真示意图如图 2-5 所示，此为输入电压为 56.3mV 时输出电压为 2.52V。-7-图 2-5 输入电压为 56.3mV 的仿真示意图如图 2-6 所示，此为输入电压为 112mV 时输出电压为 0.02V。图 2-6 输入电压为 112mV 的仿真示意图通过 proteus 仿真，改变传感器输出值大小测得调理电路输出值大小关系，具体仿真数据如表 2-2 所示。表 2-2 传感器输出值与调理电路输出值大小关系表传感器输入/mV 0.6 11.2 22.3 33.5 44.6 56.3 66.9 77.0 100.3 112.0调理电路输出/V 5.00 4.51 4.01 3.51 3.01 2.52 2.02 1.52 0.52 0.022.5 PCB 板设计针对调理电路原理图，通过 proteus 设计 PCB 板。其设计流程为原理图设计，规划电路板，自动布局，进行元件的布局和调整。定义为单层，布线规则设置以及布线等。布线完毕后要检查布线的完整性。其 PCB 图如图 2-7 所示，其 PCB 板效果图如图 2-8 所示。-8-图 2-7 PCB 图图 2-8 PCB 效果图2.6 可靠性和抗干扰性设计在印制板电路设计中，可靠性和抗干扰设计是其中重要的一个环节只有很好地解决干扰问题，才能提高设备电磁兼容特性，真正实现设计电路的各种功能。印制