仪器仪表电路课程设计.docx

武汉理工大学仪器仪表电路课程设计说明书目 录绪 论1方案论证2第一章 放大电路设计31.1三运放高共模抑制比放大电路参数的计算31.2三运放高共模抑制比放大电路的搭建4第二章 相敏检波电路设计62.1开关式相敏检波电路的参数计算62.2开关式相敏检波电路的搭建7第三章 低通滤波器电路设计93.1压控电压源型二阶rc有源低通滤波器的参数计算93.2压控电压源型二阶rc有源低通滤波器电路的搭建10第四章 直流放大电路设计134.1直流放大电路设计参数的设计134.2直流放大电路的搭建13第五章 整体电路的组装与调试14总结15参考文件16附录17第17 页绪 论在科技发达的今天，传感器的用途越来越广泛，在工业，交通行业等诸多领域都会有很大的用处，而且，由于科技的日益发展，现代工业对传感器的要求越来越高，要求传感器不仅要多功能，更要精度高。测控电路在传感器的精度、准确度、正确度方面都有很大的影响。对于测控电路首先要求它具有高精度，要求测量装置能够准确地测量被测对象的状态与参数，这是获得高质量产品、推进科技发展的基础，也是精确控制的基础，使被测对象能够精确地按照要求运行。为了实现高精度，测控电路必须有低噪声与高抗干扰能力、低漂高稳定性、线性与保真度好等特点。在整个测控系统中，测控电路是最灵活的部分，它具有便于放大、便于转换、便于传输、便于适应各种使用要求的特点。设计好测控电路，对于测控系统具有很重要的意义，红啊的测控电路可以是整个的测控系统的精度提高，误差减小。而本次课程设计中各个部分所采用的是双运放高共模抑制比放大电路、开关式相敏检波电路、压控电压源型二阶rc低通滤波器电路、直流放大电路。方案论证本次课程设计的初始条件为差动变压器传感器用于测量位移，当所测位移在0 20mm范围时（铁芯由中间平衡位置往上为正，往下为负），其输出的信号为正弦信号为040mvp-p，要求将信号处理为与位移对应的02v直流信号，以便供三位半数显表头显示。在此初始条件下所设计的电路应该具有如下功用：（1）用长线将信号引出到信号处理单元，因此要考虑抑制共模信号；（2）由于测量现场工况复杂且传感器输出信号由长线引出到后续处理电路，要考虑抑制干扰信号；（3）由于两次级线圈几何、电、磁等因素的不对称，即使铁芯处于中间位置，也得不到零输出，总存在驱动信号的正交输出或高频输出，在电路上还要考虑抑制差动变压器的这一所谓零点残余电压。方案一：设计一个交流驱动器，驱动差动变压传感器来产生一个输入信号，之后经过放大，相敏检波，再经过整流得到直流电压，最后再经过直流放大后得到预期结果。方案二：用一个函数发生器来产生一个正弦输入信号，之后经过放大，相敏检波，低通滤波和直流放大后得到预期结果。经过比较后，可知方案一实现起来比较困难，而且用二极管整流电路来将交流电变为直流电，容易使低频的输入信号丢失，使得产生的结果不是理想的结果。方案二相对于方案一来说较为简单，容易实现，且用低通滤波器可以滤去高频噪声，留下低频的有用信号。所以，本次仪器仪表课程设计最终采用方案二来实施。第一章 放大电路设计1.1三运放高共模抑制比放大电路参数的计算来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压，所以放大电路一般采用差动输入集成运算放大器来抑制共模信号，但必须要求外接电路完全平衡对称、运算放大器具有理想特性。否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。一般运算放大器共模抑制比可达80db,而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路的共模抑制比可达100120db。所以，本次课程设计采用的放大电路为三运放高共模抑制比放大电路。电路图如图1-1所示。三运放高共模抑制比放大电路是由三个集成运算放大器组成，其中n1、n2是两个性能一样的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，用来进一步抑制n1、n2的共模信号，并适应接地负载的需要。图1-1三运放高共模抑制比放大电路ir=u02-ui2r2=ui1-u01r1=ui2-ui1r0 由此可以求得u01=1+r1r0ui1-r1r0ui2，u02=1+r1r2ui2-r2r0ui1于是，输入级的输出电压，即运算放大器n1、n2的输出之差为u02-u01=1+r1+r2r0ui2-ui1 其差模增益kd为kd=u02-u01ui2-ui1=1+r1+r2r0 所以，当n1、n2性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压相关，而其共模输出、失调及其漂移都在r0两端互相抵消，因此电路具有良好的共模抑制能力，同时也不必要求外部的阻抗匹配。但是，为了消除n1、n2偏置电流的影响，通常取r1=r2。另外，这种电路还具有增益调节能力调节r0可以改变增益而不影响电路的对称性。由上述内容可以得知，三运放高共模抑制比电路的各个阻值可以取r1=r2=5000 ，r0=10k。第三级放大器的放大倍数kd3=r5r0,要使三运放高共模抑制比放大电路的放大倍数为100，所以，可以取r5=50k,r0=1k。1.2三运放高共模抑制比放大电路的搭建三运放高共模抑制比放大电路的电路仿真图如图1-2所示，仿真结果如图1-3所示。 由图1-3可以得出，50hz,20mv的交流电压经过高共模抑制比放大电路后，输出电压为1.959v接近于2v，所以可以认为电压被放大了100倍，仿真结果正确。所以可以得出，三运放高共模抑制比放大电路设计师正确的。图1-2 高共模抑制比放大电路仿真图图1-3三运放高共模抑制比放大电路仿真结果第二章 相敏检波电路设计在精密测量中，进入传感器的除了输出的测量信号外，还往往有各种噪声，传感器的信号又十分微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来对于提高电路的测量精度有很大的影响，为了便于区别信号和噪声，需要对信号进行调制，之后再解调。从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。解调的方法可以分为包络检波和相敏检波。包络检波原理简单、电路简单，在通信中有很广泛的应用，但它有两个问题：保罗检波解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位，还有，包络检波本身不具有区分不同载波频率的信号的能力，对于不同载波频率的信号，包络检波都以同样的方式对其整流，以恢复调制信号，这证明包络检波不具有区别信号和噪声的能力。本次课程设计为了使检波电路具有判别信号相位和选频的能力而采用相敏检波电路。2.1开关式相敏检波电路的参数计算本次课程设计采用开关式的相敏检波电路，电路图如图2-1所示。图中，从us端输入要解调的电压信号，uc端输入方波参考信号。由于载波信号的频率远高于调制信号，可以认为载波信号与调幅信号具有相同的频率。在载波信号uc为正半周期时，v导通，同相输入端被接地，us只从反相输入端输入，放大器的放大倍数为-1，在uc的负半周期中，v截止，us同时从同相输入端和反相输入端输入，放大器的放大倍数为1。所以，取电阻r=2。图2-1 开关式相敏检波电路图2.2开关式相敏检波电路的搭建仿真电路如图2-2所示，仿真结果如图2-3所示。图2-2开关式相敏检波电路仿真图图2-3开关式相敏检波电路仿真结果第三章 低通滤波器电路设计传感器输入测量系统的信号中，除了有价值的信息外，往往还包含许多噪声以及其他与被测量无关的信号，并且原始的测量信号经过传输、放大、各种形式的变换、运算以及其他处理之后，也会混入各种不同形式的噪声，从而影响测量精度。滤波器分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器。由于本次课程设计要将传感器经放大后的低频信号分离出来，因此需要设计一个低通滤波器。对于低通滤波器，一阶低通滤波器具有结构简单、计算简单、容易实现的特点，但一阶低通滤波器的滚降太慢，滤波的效果不好，所以本次课程设计所设计的低通滤波器为压控电压源型二阶rc有源低通滤波器。3.1压控电压源型二阶rc有源低通滤波器的参数计算如图3-1是压控电压源型滤波电路的基本结构，运算放大器与电阻r和r0构成的同相放大器称为压控电压源，压控电压源可由任何增益有限的电压放大器来实现，如果使用的是理想的放大器，压控增益kf=1+r0r，通过基尔霍夫定律可以得到，该电路传递函数为hs=kfy1y2y1+y2+y3+y4y5+y1+1-kfy3+y4y2。式中y1y5所在位置元件的复导纳，对于电阻元件yi=1ri，对于电容元件yi=sci。对于压控电压源型二阶rc有源低通滤波器，取y1与y2为电阻，y3与y5为电容，y4=0开路，可构成低通电路。kp=kf=1+r0r 0=1r1r2c1c2 0=1c11r1+1r2+1-kfr2c2 由于需要使经过相敏检波后的信号作为压控电压源型二阶rc有源低通滤波器的输入信号时，输出的信号需要是一个直流信号，因此压控电压源型二阶rc有源低通滤波器得截止频率应该很小，本次课程设计所设计的压控电压源型二阶rc有源低通滤波器的截止频率为0=45hz，所以，取r1=r2=10 ,c1=c2=2.23uf 。图3-1压控电压源型滤波电路3.2压控电压源型二阶rc有源低通滤波器电路的搭建仿真图如图3-2所示。仿真结果图如图3-3所示。图3-2压控电压源型二阶rc有源低通滤波器电路仿真图图3-3压控电压源型二阶rc有源低通滤波器电路仿真结果图由波特测试仪所显示的数值可知，所设计的压控电压源型二阶rc有源低通滤波器的截止频率大约为43.3hz，与理论值相差无几，由示波器所示波形可知，输入的相敏检波后的波形经压控电压源型二阶rc有源低通滤波器电路后变为一条直线，可以认为仿真正确，所以设计的压控电压源型二阶rc有源低通滤波器电路仿真图也是正确的。第四章 直流放大电路设计经过滤波器后，电压信号有所衰减，需要再次放大来达到所要求达到的电压值。放大电路的电路图如图4-1所示。图4-1 直流放大电路电路图4.1直流放大电路设计参数的设计从滤波器输出的电压值为1v，因此直流放大电路大放大倍数为2就可以得到所要求的2v的电压输出。所以可以用一个同相放大电路来放大。4.2直流放大电路的搭建放大电路的仿真电路如图4-2所示，仿真结果如图4-3所示。 图4-2 放大电路的仿真电路 图4-3 放大电路的仿真电路结果第五章 整体电路的组装与调试经过将四部分的电路惊醒组装后可得到总体电路图，整体电路的仿真图见附录。对于整体电路，有与有输入和输出阻抗匹配的要求，部分电阻或电容的值应该进行适当的调整，以达到最好的预期效果。低通滤波器部分的阻值和容抗进行了一定的调整，由原来的阻值 r1=r2=10 ,c1=c2=2.23uf 改为r1=r2=50 ,c1=c2=10nf 。r由一个最大阻值为1000kd的滑动变阻器代替。经过调试之后，所得的仿真结果如图5-1所示。图5-1总体电路仿真结果总结经过这次仪器仪表电路的课程设计，我对multisim软件的使用越来越熟练，虽然在课设过程中，对于软件的操作我遇到了很多问题和错误，不过通过自己上网查询和询问同学，这些问题和错误都得到了解决。而且经过了解决这些问题和错误的过程，我也学到了很多知识，也得到了很多启示。在这一次课程设计中，我对自身的优点和缺点有了更进一步的了解。经过这次课程设计，我发现自己在软件操作和资料查询的能力有不足，遇到的问题不知道怎么解决，盲目无助，不知如何下手。所以，以后在学习理论知识的同时，我也应该更多的去实践，去学习一些有用的软件，为自己以后的学习提够方便。还有在我遇到问题的时候，我最开始想到的不是如何自己解决，一遇到问题就不假思索的请教同学，上网查资料，没有经过一个思考的过程，当我意识到这个问题之后，我开始试着自己先独立解决，独立思考，能够自己解决的就不再请教他人。 在设计的过程当中，我遇到了很多问题，起初是不知道该做什么，能做出来什么，这个问题一直影响我的进度，后来想通之后，我认识到， 要敢于下手，要敢于做，不是没有思路而是不敢动手做而已。之后遇到的都是一些软件的使用和原理上的问题，通过上网查询资料和询