【优秀硕士博士论文】icp传感器调理电路设计

重庆大学本科学生毕业设计（论文）传感器及电源通用控制器的设计学生赵磊学号20073079指导教师尹爱军专业机械电子工程重庆大学机械工程学院二O一一年六月GRADUATIONDESIGNTHESISOFCHONGQINGUNIVERSITYDESIGNOFSENORANDSOURCEGENERALCONTROLLERUNDERGRADUATEZHAOLEISUPERVISORPROFYINAIJUNMAJORMECHANICALELECTRONICENGINEERINGCOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGCHONGQINGUNIVERSITYJUNE2011摘要测试技术与测试仪器是获取信息、分析和处理测量数据的关键技术和手段，是从事科学研究、产品质量分析检验与控制不可获取的工具。机械科学里测试也是很重要的一个研究分支，机械里面的测试有机械的振动、噪声等测试，其中机械振动的测试及工程上很重要的一部分，随着生产的发展和科学理论技术的水平的提高，现代的振动测试过采用电测法，但是在机械行业里面机械式的测振法仍然是以振动传感器为理论基础的。现在工程测试中广泛采用的机械量的电测原理和技术，也就是首先使用各种转换装置传感器来将不同信号的物理特征转为具有物理特性的电信号。所以传感器在机械测试中是占有很重要的地位的。要做好机械测试这一块的工作，我得做好测试整个过程中的每一步。而传感器要很好的工作它肯定是需要完善的调理电路。而在机械的测试技术中常用到得就是两种传感器，普通的压电式加速度传感器和ICP加速度传感器，两者的应用都很广泛，在现代的机械测试中都应用的很多。本文将为读者介绍两种传感器的结构，在测试中的应用，以及两种传感器使用的差别。两种传感器之间又由于内部有小的细微差别使他们在测试的时候拥有不同的测试通道，这样我们的测试仪器上就需要给两种传感器配备不同的通道口，是仪器显得繁重而且给测试工作带来烦恼，在本文中将以简化测试人员的工作，简化测试仪器的为目的设计一个传感器自动识别及调理电路来实现传感器通道口的共用问题，同时也解决ICP传感器的恒流源供电。于此同时对于所设计的电路我们也需要为其设计一个专门的电源管理模块来实现的智能的电源管理。本电路系统结构简单，应用可靠，采用简单常用的电路实现。可以完成传感器的自动识别，完成传感器的调理，实现信号的准确采集。关键词压电式加速度传感器电荷前置放大器传感器自动识别恒流源电路电池的智能管理ABSTRACTTESTINGTECHNOLOGYANDTESTEQUIPMENTARETHEKEYTECHNOLOGIESANDMEANSTOOBTAININFORMATION,ANALYSISANDPROCESSINGOFMEASUREDDATA,WHICHISINDISPENSABLEINSCIENTIFICRESEARCH,PRODUCTTESTINGANDTHECONTROLOFQUALITYANALYSISTESTINGTECHNOLOGYISAVERYIMPORTANTBRANCHOFMACHINERYSCIENTIFIC,WHICHINCLUDINGTHEMECHANICALVIBRATIONANDNOISETESTING,VIBRATIONTESTINGOFTHEMACHINEISANIMPORTANTPARTOFENGINEERINGWITHTHEDEVELOPMENTOFPRODUCTIONTECHNOLOGYANDTHEIMPROVINGOFTHELEVELOFSCIENTIFICTHEORYVIBRATIONTESTINGUSINGMODERNELECTRICMETHOD,BUTINTHEMACHINERYINDUSTRYWHICHMECHANICALVIBRATIONTESTINGISSTILLBASEDONVIBRATIONSENSORSNOWELECTRICALMECHANICALPRINCIPLESANDTECHNIQUESMEASURINGAREWIDELYUSEDINENGINEERINGTESTING,WHICHTHEFIRSTSTEPISTOUSEAVARIETYOFCONVERSIONDEVICESSUCHASSENSORSTOCONVERTTHEPHYSICALCHARACTERISTICSOFTHEDIFFERENTSIGNALSINTOELECTRICALSIGNALSTHATHAVETHEPHYSICALPROPERTIESSOTHESENSORSPLAYSAVERYIMPORTANTPOSITIONINTHEMECHANICALTESTINGTOMAKESURETHETESTINGWORKWELL,ANDMUSTMAKEEVERYSTEPOFTHEPROCESSWORKWELLTOMAKESURETHESENSORWORKWELL,AIMPROVECONDITIONINGCIRCUITISABSOLUTELYNECESSARYTWOTYPESOFSENSORSAREOFTENUSEDINTHEMECHANICALTESTINGTECHNIQUES,THEAVERAGEICPPIEZOELECTRICACCELERATIONSENSORANDACCELERATIONSENSOR,THETWOAPPLICATIONSAREBOTHWIDELYUSED,WHICHAREOFTENUSEDINTHEMODERNAPPLICATIONOFMECHANICALTESTINGINTHISARTICLEITWILLSIMPLELYINTRODUCETHESTRUCTUREOFTHETWOSENSORSINTHETESTAPPLICATION,ANDTHEDIFFERENCEBETWEENTHETWOSENSORSBECAUSETHETWOSENSORSHAVEDIFFERENTSTRUCTURE,THEYHAVEADIFFERENTTESTCHANNELSWHENTHEYAREUSEDSOWENEEDATESTINSTRUMENTTHATAREEQUIPPEDWITHTWOSENSORSCHANNELS,WHICHHASCAUSEDTROUBLETOTHETESTINSTRUMENTINTHISPAPERWEWILLSIMPLIFYTHEWORKOFTESTERS,TESTEQUIPMENTFORTHEPURPOSEOFSIMPLIFYINGTHEDESIGNOFASENSORANDCONDITIONINGCIRCUITTOAUTOMATICALLYIDENTIFYTHESENSOROPENINGSCOMMONPROBLEMS,WHILEALSOADDRESSINGTHECONSTANTCURRENTSOURCEFORTHEICPSENSORELECTRICITYATTHESAMETIMEFORTHECIRCUITWEALSONEEDTODESIGNADEDICATEDPOWERMANAGEMENTMODULETOACHIEVETHEINTELLIGENTPOWERMANAGEMENTTHECIRCUITSYSTEMISVERYSIMPLE,BUTWHICHISRELIABLEINAPPLICATION,ANDTHECIRCUITAREMADEOFUSUALSIMPLECIRCUITSTHECIRCUITCANCOMPLETETHEAUTOMATICIDENTIFICATIONOFTWOSENSORSTOCOMPLETETHESENSORCONDITIONING,WHICHCANACHIEVESIGNALACCURATELYKEYWORDSPIEZOELECTRICACCELERATIONSENSORPREAMPLIFIEROFCHARGEAUTOMATICIDENTIFICATIONOFSENSORSCONSTANTCURRENTSOURCECIRCUITINTELLIGENTMANAGEMENTOFCHARGE目录摘要IABSTRACTII目录IV第一章绪论611课题的来源与意义612机械振动测试的意义613传感器调理及自动识别电路设计的意义6第二章传感器输出信号的分析921压电式加速度传感器的结构与原理8211压电式加速度传感器结构8212典型的电荷放大系统8213ICP传感器测试系统922非ICP传感器的输出信号的分析1023ICP传感器输出信号的分析1124两种传感器信号的比较12第三章恒流源模块的设计1331恒流源电路1332恒流源的实现13311采用集成运放构成的线性恒流源14322采用集成稳压器构成的开关恒流源14323采用LM334芯片实现恒流源1533LM334搭建恒流源15第四章传感器信号的识别与检测2041LM3339比较器电路2042所需比较器电路的搭建2443自动匹配的实现原理2444电路切换开关的选型分析24441电磁继电器24442模拟开关2545自动匹配的实现的原理2746非ICP传感器工作时信号的检测30461双限比较器检测信号30462单限比较器检测信号30463555单稳态电路3046474HC123单稳态31第五章电源管理以及整体电路图的设计3151电源管理3152辅助电路3253整体电路图的设计3354电路板得制作33第六章结论与展望3461工作总结与结论3462展望34参考文献36附录A电器原理图38附录BPCB图39致谢40第一章绪论11课题的来源与意义在机械的工作工程中，振动是不可避免存在的，但是振动的存在是不能忽视的，振动带来的影响可能是不可估计的，比如是在高速旋转的机械中如果有较大的振动的存在，就可能引起螺钉的松动等，造成很严重的事故。因此在机械的测试工程中，对于振动的测试是一个很重要的环节，为了测试出机械工作过程中所产生的振动信号我们就要用到测振动的传感器，在测试中用到的最多的就是压电式加速度传感器，通过测机械振动过程中的振动的加速度信号来测得机械的振动信号。12机械振动测试的意义随着现代科学工业技术的发展，除了对各种机械设备提出了低振级和低噪声的要求外，还应随时对生产过程或设备进行监测、诊断，对工作环境进行控制，这些都离不开振动测量。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计，找出薄弱环节，以改善抗振性能。另外，对于许多承受复杂载荷或本身性质复杂的机械结构的动力学模型及其动力学参数，如阻尼系数、固有频率和边界条件等，目前尚无法用理论公式正确计算，振动试验和测量便是唯一的求解方法。因此，振动测试在工程技术中起着十分重要的作用。振动测试的目的，归纳起来主要有以下几个方面1检查机器运转时的振动特性，以检验产品质量；2测定机械系统的动态响应特性，以便确定机器设备承受振动和冲击的能力，并为产品的改进设计提供依据；3分析振动产生的原因，寻找振源，以便有效地采取减振和隔振措施；4对运动中的机器进行故障监控，以避免重大事故。13传感器调理及自动识别电路设计的意义机械振动测试如此的重要而在测试过程中用到的最多的是压电式加速度传感器，压电式加速度传感器又主要是分为普通的压电式传感器我和ICP式压电式加速度传感器，在以后的章节中我们就称前者为非ICP式传感器，后者为ICP式传感器。两种传感器都是通过测振动的加速度来测得振动信号的，从应用上看他们的主要区别就是非ICP式传感器不需要外接电源供电，直接就能进行测试，得到信号。但是ICP传感器则需要外接恒流源对其进行供电才能使之正常的工作测出振动信号来（两种传感器的具体的不同之处我们将在接下来的章节里进行全面详细的介绍）。所以两种传感器在使用的工程中我们就必须给他们设计专门的借口电路，两者是不能共用接口的，但是两种传感器的外形上很难区分出来，所以我们就试着想要将两种传感器的接口融合起来使之一个接口可是适应两者不同的传感器，电路内部识别传感器的类型，选择要不要给传感器提供恒流源，这样一样就给我们的测试工作带来了方便，测试人员就可以专心的去研究测试信号的问题了。第二章传感器输出信号的分析21压电式加速度传感器的结构与原理211压电式加速度传感器结构基于压电效应的传感器，其机构原理图如图1所示，它是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量1。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。图1压电式传感器结构原理图212典型的电荷放大系统在上面已经提到了压电式传感器的特点就是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。但是缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，所以一般都需要配套的放大器电路，图2为典型的电荷放大测试系统。图2典型电荷放大测试系统压电加速度传感器在振动与冲击测试中应用最为广泛，但由于压电传感器的压敏元件具有很高阻抗，它产生的是微弱的电荷信号，所以需要一个前置放大器将传感器的高阻抗输出信号转换为低阻抗信号23。外置的前置放大器可分为电压放大器与电荷放大器两种，电压放大器虽然结构简单，线性度和稳定性好，但它的灵敏度受电缆分布电容的影响，当连接电缆长度发生变化时，电压灵敏度也会随之发生变化。电荷放大器的灵敏度虽然受电缆分布电容的影响很小，但电缆受到振动和弯曲时，电缆芯线和绝缘体之间、绝缘体和金属屏蔽层之间由于相对移动摩擦产生静电荷，会造成电缆噪声。这些都给测试工作带来了麻烦，因此就有了ICP传感器的产生。213ICP传感器测试系统ICP（INTEGRATEDCIRCUITSPIEZOELECTRIC）传感器就是指内置了集成电路的压电传感器。与前面所讲外置前置放大器的压电传感器相比，它可以克服以上缺点。典型的ICP系统采用恒流源供电，供电电缆同时做为信号输出线，输出信号为低阻抗信号456。整个系统包括ICP传感器，普通的双芯电缆和一个不间断电源，所有的ICP系统都需要一个不间断恒流电源为ICP传感器提供恒定的电流，就能进行测试，从中读取振动信号，典型的ICP测试系统如图3所示图3典型的ICP测试系统22非ICP传感器的输出信号的分析非ICP传感器没有外接电源，它就是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。通过对压电式传感器结构的分析知道当传感器进行检测时如果有震动存在那么由于质量块的惯性的存在就会对压电材料进行挤压，进而压电材料表面就会产生电荷，而产生的电荷量的大小与压电材料所受到的压力是成正比的因而也是与传感器移动的加速度成正比的，这就是压电式加速度传感器的工作原理。这样一来我们就会发现传感器在没有在没有振动信号存在的时候，它输出的信号应该就是0，因为没有外接电源，内部也不是有源结构，所以是没有直接偏置量存在的。一旦检测振动信号，那么它就将输出微弱的电荷信号。为了证明我们所分析的问题的正确性，将我们所要用到得压电式加速度传感器放在振动平台上面，开启振动实验平台，传感器的两根输出线接在示波器上观察，我们就得到了基于0V的上下波动的信号，由于我们的振动平台是基于正弦波得激振模式，所以我们观察到示波器上显示的为正弦信号，如图4所示图4非ICP传感器输出信号23ICP传感器输出信号的分析ICP传感器是由恒流源芯片供电，LM334芯片我们选中24V直流电对其供电，如图5所示图5传感器接线图5中，JP1和JP2处就可以接传感器和引出传感器的信号（ICP传感器有两根引线，它们即是给传感器供电的线，同时也是传感器信号的引出线），若还没接上传感器根据前面对于恒流源电路的分析，那么在JP1和JP2处可以用电流表检测到4MA的电流，如果没有检测到，或者是不为4MA，那么这个恒流源的电路就没有搭建好。对我们搭建好的电路进行检测，电流表的示数为4MA，证明我们所搭建的电路是正确的。查阅资料得知，这个时候JP1和JP2之间的电压应该为11V12V之间，对我们的电路测一下，为115V，这是一个很重要的电压，对于我们后续传感器信号的识别是很关键的1011。再接上我们的ICP传感器，将其接在JP1处，JP2作为我们信号的输出引线段，接在示波器上观察，开启我们的振动试验平台，调节我们的示波器选着交流耦合方式（也就是滤掉直流分量，只检测交流分量），观察示波器同样得到了一个正弦信号，信号的频率和我们振动实验平台的激振频率一样。说明我们所设计的恒流源能够使我们的ICP传感器正常工作。再调节示波器选择直流耦合（既测直流信号又测交流信号）观察示波器发现，和有一个直流分量存在。查阅资料上面说ICP传感器输出的信号不是基于0V的一个信号输出而是带有9V左右的直流分量的，用电压表测JP2两端的电压，测得一个9V的电压。传感器没有检测信号，只要接在了恒流源上面就会产生这样的一个信号。示波器上观察到如图6所示24两种传感器信号的比较通过上面对于两种传感器信号的分析，我们可以知道ICP传感器和非ICP传感器最大的区别就在于ICP传感器只要是接在了恒流源上面就会有9V左右的直流分量存在，工作的时候也是存在的。而非ICP传感器是没有直流分量的，那当它接在恒流源上会是什么的情况呢。刚开始很担心当我们的非ICP传感器接在恒流源上面会不会被烧坏，询问导师，导师说这个问题可以询问生成传感器的技术工程师，他们比较清楚，于是我就打电话询问了上海一个传感器制造公司的一位工程师，那位工程师说这些都是小电压对传感器没什么影响。这样我就大胆的将非ICP传感器接在恒流源上面，测两端的电压，看看两种传感器在恒流源上表现出现的情况的差别，发现非ICP接上去以后JP2两端的电压为0V，这是一个重大的发现，我们可以利用这一点来实现两种传感器在电路中的识别。因为我们的设计是将两种传感器都接在同一个通道口上，所以我们就必须知道两种传感器接在通道口上后表现出来的不同特性，然后通过电路来检测这些特性，来实现传感器的自动识别，我们已经找出了一个特性那就是他们接在恒流源之后的输出信号的直流分量有很大的差别。这就是我们自动识别的主要思路。图6ICP传感器传输信号第三章恒流源模块的设计31恒流源电路恒流源是输出电流保持恒定的电流源，而理想的恒流源应该具有以下特点A不因负载输出电压变化而改变；B不因环境温度变化而改变；C内阻为无限大（以使其电流可以全部流出到外面）。能够提供恒定电流的电路即为恒流源电路，又称为电流反射镜电路，如图7所示。图7恒流源电路系统ICP传感器的输出信号是带有一定量的直流分量的，因此不能直接被A/D采集电路获取，必须经恒流源电路为其供电，并将其信号调理成标准的信号（如5V）。其原理图见图图8ICP传感器工作图由于ICP传感器输出的就是放大的信号，所以干扰对其的影响小，信噪比高，即使在恶劣的工厂环境下，ICP加速的传感器也都可以利用。所以我们就要为ICP传感器设计一个合适的恒流源电路。32恒流源的实现恒流源的设计实现有很多的方法最简单的恒流源电路就是FET或者恒流二极管，但是这些电路实现的恒流源的稳定度也是比较差的，我们对折现恒流源电路进行分析，选出一种适合我们ICP传感器供电电路的。311采用集成运放构成的线性恒流源其结构原理图如图9所示图9集成运放构成的线性恒流源如图8所示其工作原理是如果电源波动使UIN降低,从而使负载电流减小时,则取样电压US也将减小,从而使取样电压与基准电压的差值USUREF减小。由于UIA为反相放大器,因此其输出电压UBR5R4UA升高,从而通过调节环节使US升高恢复到原来的稳定值,保证了US的电压稳定,从而使电流稳定7。调整RW,可实现电流值在04A之间连续可调。它实现的是较大的恒流源电流，而我们的ICP传感器所需要的是小电流，所不适合我们作为我们ICP传感器的恒流源。322采用集成稳压器构成的开关恒流源图10采用集成稳压器构成的开关恒流源如图10所示，MC7805为三端集成稳压器，RL为可负载电阻，RW为可调电阻器。工作原理三端集成稳压器工作在悬浮状态,在输出端2和公共端3之间接入一可变电阻RW,从而形成一固定恒流源8。调节RW的值,可以改变电流的大小,其输出电流为由于7805本身的稳压就存在误差，而且此电路实现的也主要是较大电流，因此也是不适合我们的ICP传感器的。323采用LM334芯片实现恒流源采用单片集成芯片LM334给ICP提供恒流源电路，LM334是三端恒流器，使用起来很方便。可调电流来源具有100001的工作电流范围，优秀的电流调节电压和宽动态范围1V至40V的。最简单的恒流源只需一个外部电阻而不需要其他地方电路就能实现。初始电流精度为3。图11LM334构成恒流源如图11所示用此电路结构简单，只需要一个外接电阻就能实现从4UA到10MA的恒流输出，因此我们选用LM来搭建我们的恒流源系统33LM334搭建恒流源LM334的特性1工作电压从1V40V2002/V电流调节。3可编程的电流范围1UA10MA。4真正的两端操作。5能够作为指定的温度传感器6初始精度为3如图11所示为我们所用到的LM334的封装图QWOUTLIRUI/图12LM334的封装芯片的典型的性能特性如图13所示图13LM334的性能特性图如图11所示，计算SETR通过LM334（I的）的电流的总和是通过设置电阻（RI）和LM334的偏置电流（BASEI）的和，如图11所示为电流的流过情况。使用时，只要在R端和U之间接电阻SETR就可构成不用独立电源的两端理想横流浮置源，改变SET可改变恒流源的电流值，并有SETI677MV/SETR选择不用的SETR可使恒流源从1UA到10MA连续可调。其工作电压可从1V到30V，典型的工作电压为24V，工作温度为070。BIASSETRBIASRSETVI/由于（给定的设置电流）在SETI中占很小的比例，因此可以等效的写成1/NRVISETSET图14温度影响在这里N是其中N是ISET的比例在指定的IBIAS电气特性部分，并显示在图14。由于N通常为2A18一毫安ISET的，该方程可进一步简化为作为一个零点温度系数电流源的应用增加一个二极管和一个电阻在一般的LM334电路上就能够消除LM334温度系数的影响特性。电路如图15所示图15改进后的LM334恒流源如图15所示，它通过加二级管来消除由于温度变化所引起的电流漂移，要设置的电流ISET是电流1I和2的总和每一端大概都是提供50的设置的电流。对SETRK/270591/UVRVISETSET于BIAS通常是包含在1I里面的大概增加了RV的值大约为59。BIASSETI21其中1/VIR利用下面的等式减少电路中的临时参数值。给出了一个例子用227UV/作为芯片的参数，25MV/作为二极管的参数（为了得到最好的结果，这个值应该直接被测量出来或者是从制造商那里得到这个二极管的参数值）。21IISET0R/MV52/7R/2711VDTLDTISE01/27/512M随着R1和R2之间的比例的确定，R1和R2的值就应该根据我们需要设置的电流来设置它们的值。计算T25时设定电流的计算公司如下面所示，接下来的这个例子就是在二极管是上的压降是06V，这个电压相交的电阻值R1是677MV（64MV59）R1/R210从前面的计算得知）。112210676RVMRVRIIDRBASSET134ISET这个电路会消除大部分LM334的温度影响，而且具有很好的效果即使这个二极管的特征值不是很准确。LM334功能强大，还有很多典型的应用电路，在这里我们就不一一介绍了，从上面对于LM334的分析在我们设计我们ICP传感器的恒流源的时候我们就只是考虑我们电路受到温度的影响，所以我们选用加一个二极管的那种消除温度影响的方式来设计我们的恒流源电路20。恒流源电路的计算由ICP传感器的参数知道ICP传感器的工作是所需要的恒流源提供的电流的大小是4MA，所以我们要利用上面介绍的LM334的典型电路22RD搭建一个为我们ICP传感器提供4MA电流的恒流源电路。选用带有一个二极管消除温度影响的电路。计算公式为1340RVISET所以MAISET1R134因为没有34电阻的存在，虽然可以利用其他阻值的电阻搭建，不过显得太麻烦，我们选用33的电路，计算一下得到的电流是406MA误差很小，只有1左右。所以R133。由R2/R110得R2330电路图如图16所示图16搭建的ICP传感器恒流源这样我们就完成了ICP传感器的恒流源的搭建，只需要将ICP传感器接在上面就能正常的工作了。恒流源为ICP传感器提供电流的线路同时也是ICP传感器信号的输出线路，我们只需要在这上面引出一线将ICP的输出信号分离出来即可。第四章传感器信号的识别与检测两种传感器的接在恒流源上后的电压不同，这是我们检测的出发点，那我们又要通过什么样的方法来检测我们的电压的不同。我们很容易就行到了比较器，通过比较电路我们很容易就将两种信号去分开了。只需做一次电压的比较就能知道传感器到底是ICP的还是非ICP的。比较器可以用的芯片有很多，LM324LM339等比较器芯片、集成运放芯片都可以拿来做比较器89，为了够买器材方便，比较电路容易搭建，我们就选用一般的常见的比较器芯片进行搭建。我们选用常见的比较器芯片LM339。41LM339比较器电路LM339系列的四输入独立比较器，拥有很低的比较电压，能够比较20MV的电压，能够在单电压供电下工作，也可以在正负电压双电压下工作。LM339芯片的特性1较宽的单电压供电20VDC36VDC或者双电压供2V18V2非常低的电流驱动（08MA）独立的电源供电3低的输入基极电流25NA4低的输入偏置电流5NA和偏置电压5输出电压能够与TTL，DTL，ECL，MOS和CMOS逻辑系统兼容LM339引脚图图17LM339引脚图LM339的一些典型应用1A/D转换器2MOS时钟生成器3高电压逻辑门LM339的输出端不具驱动能力，所以在输出端要加上拉电阻，也正是因为这样所以他具有很好的兼容性，能够兼容TTL，CMOS等芯片。应用也更为广泛了。典型应用的电路图】图18LM339典型应用电路LM339的应用很广，我们这里只是要用它来搭建比较器，比较器有很多类型有单限比较器，过零比较器，迟滞比较器，双限比较器等。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“”表示，另一个称为反相输入端，用“”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“”端电压高于“”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“”端电压高于“”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10MV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选315K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。单线比较器图给出了一个基本单限比较器。输入信号UIN，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）UR。当输入电压UINUR时，输出为高电平UOH。图19为其工作特性滞比较器迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。前面介绍的单限比较器，如果输入信号UIN在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏）。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。图给出了一个迟滞比较器，人们所熟悉的“史密特”电路即是有迟滞的比较器。图20为迟滞比较器的传输特性。双限比较器（窗口比较器）图21电路由两个LM339组成一个窗口比较器。当被比较的信号电压UIN位于门限电压之间时（UR11/99001HZ就能是单稳态连续被触发一直工作再暂稳态，所以只要传感器输入的信号的频率可以低到1HZ一下，具体的时间我们也可以根据自己的需要再做调整，这里就不在多少了。前面的内容已经很清楚的说了关于传感器的自动识别与匹配的问题了，那就是利用两路比较器的输出信号相与的结果来控制4066模拟开关的工作，当且仅当接入非ICP传感器的时候，这个时候引出的待比较的信号时低于我们的第一个比较器的比较电压5V，且又能是我们的第二个比较器输出触发信号触发触发器，使触发器一直工作在暂稳态，两者的信号相与来控制模拟开关。图38单稳态电路第五章电源管理以及整体电路图的设计51电源管理对于我们所设计的整个模块来说我们想要它即可以单独的工作作为一个恒流源的调理电路模块，也想让它能够嵌入到我们的其他的测试仪器里面简化我们测试仪器的接口。所以我们的供电就是它满足这样的特性。我们考虑用一块12V的可充电电池为其供电，在有市电的时候我们又可以对它进行充电同时满足电路的工作。整个电路所要实现的就是在没有外接电源的时候电池对整个电路供电，在有外接电源接入的时候，电池处于充电状态，同时外接电源为整个电路的工作供电。查阅了一些充电电路设计的书籍2324，对这些电路进行了分析和考虑之后我设计了如图所示的电池供电和充电管理电路图中电路是实现了电池充电管理，这电路里最重要，最和核心的就是晶闸管，晶闸管是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前也被简称为可控硅。晶闸管是PNPN四层的半导体结构，它有三个极阳极，阴极和门极；晶闸管具有硅的整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等诸多电子电路中，应用十分广泛。图39电源管理电路可控硅的工作原理如图40所示，当G与K极之间的电压大于0有电流流过是A，K之间就导通，A、K之间就出于了导通状态，A，K之间一旦导通控制电压UGK就失去了控制作用不在对A、K之间有影响。A、K会一直导通知道A、K之间的电流逐渐减小到0，A、K之间才断开不在有电流流过。在图（39）所示的电路中最左端的输入是电源适配器的直流电压（1416V），电源适配器市面上有现成的，可以很容易就买得到，价格便宜，也可以用笔记本电脑的电源适配器来替代。可控硅Q1是用来控制电池的充电的，通过2脚和1脚之间的电压差来控制晶闸管Q1的通断，调节电阻器R2就可以控制电池的充电截止电压。可控硅Q2是来控制电池为电路供电的，根据设计是有在没有外界电源的时候电池才为电路供电，Q2的1、2脚就实现了这一功能。当没有外接电源时，1、2脚之间电压大于0，晶闸管导通，电池为电路供电。当有外界电源存在时，1、2脚之间电压小于0，晶闸管是截止的，由电源适配器为电路提供工作的电流。到这里为止我们整个电路的大体就已经成形了，在整个电路里面我们用到了LM339，LM334，74HC123,74HC23等芯片，这些芯片的供电问题就是我们这个章节所要解决的问题。这些芯片的供电很简单，从上面的章节的电路图中我们已经大部分读画出来了，他们主要是需要12V和5V的电压为他们工作供电。所以我们所设计的电路就需要能够同时提供者两种电压。电路的总的电流是由我们的12V的电池来提供的，我们就需要将12V的电压到5V的转化。我们才用最长用的三端稳定集成电路芯片来实现，它能提供很大的电流，在添加了散热片后最高电流可达到1A，足够满足我们的所有5V电路的图40可控硅工作原理图功率。设计的电路如图所示三端集成稳压芯片7805能很好的实现12V直流电压到5V直流电压之间的转换，1脚为电压输入端，三端为输出端，2脚为接地脚，在1、2脚之间跨接022UF的电容，在3、2脚之间也接上01UF的电容。左端输出12V的直流电压，右端就将输出稳定的5V直流电。52辅助电路为了电路让电路充实，以及便于我们做调试我们将在电路中添加一些LED指示灯，LED指示灯工作简单，功耗小，应用方便。有了指示灯我们在电路调试的时候可以更简单明了的清楚电路的工作情况，简化我们的电路调试，为我们电路的开发节约了时间，减少了我们的工作量。有了指示灯电路工作的时候也便于测试人员观察测试的情况，比如说我们在电源处添加指示灯，当我们电路接入了电源适配器的时候指示灯就可以亮。在传感器的自动识别那里，电路一共有三种工作状态，没有接传感器，接入的是ICP传感器，接入的非ICP传感器，这三种工作状态，我们可以设计三种不同颜色的指示灯来指明电路的工作状态，以便测试人员了解到测试的状态，也可以知道接入到电路的传感器是哪种类型的。53整体电路图的设计电路图和PCB板子的制作我们都采用PROTEL软件制作，设计好的电路图与PCB板子图见附录54电路板得制作因为芯片较少，选用单面的直插式制作图415V电压的实现第六章结论与展望61工作总结与结论传感器在机械测试中应用很广泛，而近几年来国内测试技术迅速发展对于测试技术的要求越来约高，我们希望传感器能准确快速的应用到我们的测试电路中。在现在的测试中我们常用的两种传感器之间的不通用问题很是常见，在本文中我们就完成了两种传感器之间的通道共用，自动匹配调理电路，智能的电源管理，这些工作都将给我们测试技术带来很大的方便，与便于测试人员在应用传感器做测试的时候能全心的关注到所测试的传感器的数据上面，实现了我们测试技术的迅速、方便、快捷。本电路系统都是应用我们电路设计中最常用的基本电路来完成的，在电路的设计过程中我们对传感器的一些知识也做了写简单的介绍。本论文主要具有以下几个突出的特点1设计了恒流源调理电路模块，实现了对于ICP传感器的供电问题，使ICP传感器在恒流源供电下能很好的完成我们所需要的测试工作。2通过LM334搭建的各种比较器电路实现了我们两种传感器的识别问题，电路能通过比较电路自动识别。通过我们的指示灯，测试人员能清楚的指导电路是工作在ICP传感器状态，非ICP传感器状态还是在没有接入传感器的状态。同时通过此电路我们也可以判断出传感器是ICP式的还是非ICP的。3通过设计的4066模拟开关部分我们实现了两种传感器的自动匹配问题，为不同的传感器选择了不同的内部调理电路。4单稳态电路在我们设计中也得到了应用，是我们设计的一个巧妙的地方。5通过对可控硅的应用我们设计出了一个智能的电源管理系统，使这个电路系统的供电问题得到了解决，实现了我们电路系统智能的选着由外接电源供电还是内部电池供电的问题，以及我们电池充电的管理问题等都是智能的。本电路系统能完成我们传感器的自动识别与配对，以及传感器的恒流源调理电路的问题，也实现了我们电路电池、供电的智能管理功能，另外系统还需要一些后续的信号的放大、滤波等问题可以继续深究，是我们的电路系统更加的完善，应用更加的广泛。62展望将两种传感器的通道接口柔和在一起，实现两者的功用，为我们测试带来了极大的方便，同时此电路系统还兼具了传感器的调理电路在里面，我们传感器接在上面工作的时候就不用在考虑它的电路电路模块了。它还具有智能的电池、电源管理模块，因此电路的供电问题也得到了很好的解决。在这之中我们还可以做一些工作来完善我们的电路系统。我们可以将非ICP传感器的电荷放大器，前置放大器等电路引入其中，使系统的功能更加完善，因为非ICP传感器的信号很容易受到干扰，我们加入了放大电路以后可以很好的保证我们从电路中输出的传感器信号的质量。我们也可以将我们的滤波电路加入到电路系统中，让电路完成更多的工作，这样一来我们的电路系统模块就可以应用到更多的地方，因为从这里面输出的信号已经是经过处理的。在这里面我们没有用到处理器来管理我们的整个电路，我们也可以尝试用单片机等微处理器来管理和实现我们的整个电路，那样一来我们又可以再电路系统中添加更多的东西，因为有处理器的存在电路工作的协调性也将得到很好的解决。参考文献1秦树人机械工程测试原理与技术M重庆重庆大学出版社2002年2陶玉贵一种新型电荷放大器的研究与设计J安徽师范大学学报自然科学版2008年9月第31卷5期3BASSIN