毕业设计（论文）-金属箔应变信号调理电路设计.doc

陕西理工学院毕业设计金属箔应变信号调理电路设计（陕理工物理与电信工程学院（系）电子信息工程专业1103班级，陕西 汉中 723000)指导老师： 摘 要本设计实现了对应变信号的放大，滤波处理。详细介绍了一种基于AD620和AD705仪表放大器构成的微弱信号调理电路设计方法，该电路主要由AD620设计的放大电路，RC无源滤波电路，50Hz带阻滤波器，及AD705调零电路组成。其放大电路，滤波电路设计完成后，用Multisim11.0软件进行仿真，调整了电路的主要参数，并对电路进行更改，调试，设计。该信号调理电路可以实现对传感器输出的信号进行124倍的放大，截止频率为1000Hz的RC低通滤波处理，最后经过50Hz带阻滤波器的滤波，使输出信号可以满足设计要求。 关键词AD620；AD705；放大；滤波IDesign of strain signal conditioning circuit for metal foilGong Ping(Grade03,Class11,Electronic Information Engineering,College of physical and telecommunication engineering,Shaanxi University of technology,HanZhong,723000,Shaanxi)Tutor:Qin Wei AbstractThe design of amplification, filtering processing for the strain signal. Described in detail the weak signal conditioning circuit design method and the circuit design method which is based on a AD620 and AD705 instrumentation amplifier,and the circuit mainly by the AD620 was adopted to design the amplifying circuit, passive RC filter circuit, 50Hz band stop filter, and the AD705 tune zero circuit. After the amplifying circuit and the filter circuit are designed, use Multisim11.0 software to simulate, adjust the main parameters of the circuit, and change, debug, design the circuit. The signal conditioning circuit can realize the sensor output signal of 124 times of amplification, cut-off frequency of 1000Hz RC low-pass filter processing, finally 50Hz band stop filter filter, the output signal can meet the design requirements KeywordsAD620;AD705;amplify;filteringII目录引言11 方案选择21.1 方案一21.1.1 电源电路21.1.2 应变片电路方案21.1.3 集成放大电路方案21.1.4 无源滤波电路方案21.1.4 设计总框图31.2 方案二31.2.1 电源电路31.2.2 应变片电路31.2.3 集成放大电路方案31.2.4 滤波电路方案31.2.5 总体设计框图41.3 方案对比42 芯片介绍52.1 AD620芯片52.1.1 AD620引脚图52.1.2 AD620特性52.1.3 AD620工作原理52.2 AD705芯片62.2.1 AD705引脚图62.2.2 AD705特性72.3 OP07芯片73 Multisim11.0软件介绍84 硬件电路设计94.1 电源电路94.2 应变片电路94.3 AD620一级放大电路94.4 RC无源低通滤波电路114.5 50Hz带阻滤波器电路124.6 AD705调零电路164.7 总体电路图175 测试数据结果与误差185.1 放大电路实际测量数据：185.2 RC低通滤波电路实际测量数据186 结果展望20致谢21参考文献22引言 随着现代数据采集系统的不断发展，对高精度信号调理技术的要求也越来越高，由于传感器的输出信号往往存在温漂，信号较小及线性度低等问题，它的信号通常不能被控制元件直接接收，这样一来，信号调理电路就成为数据采集系统中不可缺少的一部分，其电路优化程度直接影响到数据采集系统的精确度和灵敏度。 金属箔应变片是测量应变的一种传感器。它可以用于各种不同的金属、混凝土、砖、木材、橡胶、塑料等材料上。其中很多的应用已经深入到宇宙航行、机械、冶金、石油、仪器、建筑、水利、医学等各个工业部门及科学领域中。但是由于它的输出信号非常微弱，后续应用时需对信号进行一定的调理即放大，滤波处理。运算放大器历经数十年的发展，根据不同的应用需求，其主要分化出通用型、低电压型、高速型、高精度型等。由于近年来消费电子、通讯、网络等应用领域的不断发展，对运放产品也提出新的技术要求，在许多现代电子设备中，如数据采集系统、医疗仪器、信号处理系统等需要对弱信号进行高精度的处理时都较普遍地采用了仪表放大器。在本文中，应变信号经电阻式应变片传感器转变为电信号后，还是比较微弱，只是几十毫伏级的电压信号。因此，对后续的调理电路提出了明确的要求：要具有很好的直流特性，即有较低的温度漂移，较低的输入失调电压和较小的输入偏置电流；要有较高的共模抑制比和较大的增益(几百倍)；要有低功耗和低噪声等，根据设计要求，在本设计中采用AD620作为集成运放的放大器。AD620是一款低成本，高精度的单芯片仪表放大器，它不但具有较高的共模抑制比，而且仅需要一个外部电阻来设置RG来设置增益，增益范围为1到10000，最大误差在03，增益范围可调，且调节方便，此外，AD620具有高精度（最大非线性度40ppm),低失调电压（最大50uV）和低失调漂移（最大0.6uV/）等特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的最佳之选。无论用于何种系统，AD620都能以更低功耗和更低成本提供更高的精度1。根据AD620的特点，本设计采用以AD620为主体的集成运算放大，滤波电路选用RC低通无源滤波，在文中会有较为详细的介绍,在电路设计完成后，我们还可以利用Multisim11.0软件，对设计出来的放大器和滤波器进行仿真。其次，为了抑制50Hz的工频干扰，设计了一个50Hz左右的带阻滤波器，这样就会降低噪声对有用信号的影响。AD705在本设计中也起到了至关重要的作用，文中会有详细的介绍。1 方案选择1.1 方案一1.1.1电源电路 由于AD620是双电源供电，所以采用5V直流双电源供电，这样能够减小带来的误差。1.1.2 应变片电路方案 电阻应变式传感器是一种用金属弹性体作为弹性元件通过粘贴在弹性体敏感部位的电阻应变计组成的惠斯通电桥，并在外加电源的激励下可以将力转换为电信号的测量装置。而电桥电路是一种将非电量转换为电量来测量的一种常用方法。电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣环境条件下工作，并且易于实现小型化、整体化和品种多样化等2。惠斯通电桥电路主要分为单臂，半桥，全桥三种，由于全桥电路的灵敏度最高，因此选择全桥电路作为应变片电路。1.1.3 集成放大电路方案 传感器检测外部的物理信号，将其转变成电信号输出，其输出的电信号通常都是很微弱的，对这些微弱的信号无法显示，作进一步的处理也比较难，所以必须把它们放大到一定的数量级，这就需要用到放大电路。放大电路采用仪表放大，仪表放大电路的作用是把传感器输出的微弱模拟信号以差模方式进行一定倍数的放大。目前，仪表放大电路的实现方法主要有两类，一类是由分立元件电阻，电容和晶体管等组合而成，另一类由单片集成芯片直接实现；分立电路和集成电路各有优缺点。分立电路是由单个元器件组成的，如三极管，二极管，电阻，电容等，可以根据电路预期目标，很方便的设计每一个参数，通过调试，可以随时更改参数。如果选择合适的参数，而且元器件都是高性能的，通过设计，调试，更改这三个过程，就可以使电路性能达到最优，但是它也有弊端，虽然它可以调试，更改，如果其中一个环节出现问题，其性能就会低于一般集成运放。而集成电路因所有元器件都集成在一块硅片上，体积小且内部电路采用直接耦合，尤其是集成运放构成的电压放大电路，具有开环增益大，输入阻抗高，外围电路简单，工作稳定可靠等诸多优点。根据放大电路的结构，原理和设计要求，采用集成运算放大电路，输入信号为-30mV到30mV，需要放大的信号十分微弱，非常容易受到干扰，甚至会被淹没在过大的电路噪声中，因此，小信号的处理，尤其是放大电路的噪声，灵敏度，抗干扰等性能的提高对于整个信号调理电路有着举足轻重的作用3。按照要求我们要将传感器输出的信号放大至-5V5V左右，所以其最大放大倍数可做到(AU=UO/UI=5V/0.03V=167)为165倍左右。仪表放大器AD620的增益只由电阻RG控制，改变RG即可改变其增益。因其放大倍数只与RG有关，并且是仪表类放大常用的放大器，所以集成运放电路选择AD620作为放大芯片。信号调理电路中如果应变片电路中电桥的4个电阻不匹配，或者存在一定的误差，就会对放大电路的输出信号有影响，所以选择AD705构成的电压跟随器，作缓冲级，起阻抗变换调零作用。1.1.4 无源滤波电路方案 对信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，而阻止其它频率的信号通过。为了降低噪声和干扰，应变电桥输出的几十毫伏级的电压在放大后必须要进行一定的滤波处理。滤波器的种类有很多，按信号处理的方式不同，主要分为数字滤波器和模拟滤波器，因为要处理的信号是经应变片电路输出的模拟信号，而且为了达到最好的滤波效果，我们这次选用模拟滤波器，模拟滤波器又分为有源和无源，其中无源滤波器电路的主要由无源元件电阻R,电感L和电容C组成，其优点为成本较低，运行稳定，技术比较成熟，且电路简单，它的谐波滤除率一般最多可达80%左右4。该检测过程要求滤波器的截止频率为1000Hz，也就是低于1000Hz的信号可以通过，1000Hz以上的信号将会被衰减。RC滤波电路结构简单且应用较为普遍，因此，滤波电路采用RC低通无源滤波电路。并且为了抑制50Hz左右的工频干扰，降低噪声对有用信号的影响，还需在无源滤波电路后加一个50Hz左右的带阻滤波器。电源电路50Hz带阻滤波器AD705调零电路AD620放大电路RC低通无源滤波器应变片电路1.1.4 设计总框图 方案一的总体框图如下：电源电路由5V直流双电源供电，应变片电路将应变信号转变为电信号后，电压大概在-30mV30mV之间，然后经过AD620放大电路对信号进行124倍的放大，同时经过AD705调零电路，将调零后的信号反馈到AD620放大电路，AD620的输出信号再经过截止频率为1000Hz的RC低通无源滤波电路进行滤波，最后，经过50Hz带阻滤波器进行最后的滤波处理。图1.1 方案一设计框图1.2 方案二1.2.1 电源电路 由于5V直流单电源可以满足设计要求，所以电源电路采用5V直流单电源供电。1.2.2 应变片电路 由于电桥电路应用较为广泛且结构简单，所以应变片电路采用惠斯通全桥电路1.2.3 集成放大电路方案 根据传感器输出信号特点，放大器的设计主要的要求是高增益,低噪声。OP07是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成芯片，因为OP07具有非常低的输入失调电压（最大为25uV),所以，OP07在许多的应用场合不需要额外的调零措施，同时，OP07还具有输入偏置电流低（2nA)，开环增益高（300V/mV）的特点，这种低失调，高开环增益的特点使得OP07很适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面的应用。由前面的分析可知，OP07可以作为集成运放的放大芯片8。1.2.4 滤波电路方案 由于无源滤波的谐波滤除率一般最多只有80%，所以有时需要采用有源滤波，可以保证信号有更好的纯净度，而有源滤波器自身就是谐波源，虽然其价格昂贵，容量小，且技术不成熟，稳定性也不及无源，但它的滤波效果可以达到95%以上。有源滤波器由集成运放和电阻R,电容C组成，具有不用电感，体积小，重量轻等优点，为配合集成运放达到最好的滤波效果，滤波部分选用有源滤波器。有源滤波器是指除无源元件（电阻R，电容C，电感L）外，还采用具有放大作用的有源元件构成的滤波器。相比最基本的RC低通滤波电路，对于低频成分，电容C所呈现的容抗较大，所以信号能通过；对于高频成分，电容C的容抗较小，信号的消耗比较大，不易通过。这种电路有两个缺点：1.电阻R对所有的信号（包括低频信号）都具有衰减作用。2.带负载的能力很弱。如果把RC低通滤波电路与集成运放结合在一起，就可以构成如图所示的一阶（RC网络）有源滤波器。因为集成运放具有较大的增益，较高的输入阻抗和较小的输出阻抗，所以可以弥补无源滤波器的缺陷5。1.2.5 总体设计框图 方案二的设计总框图如下：电源电路采用5V直流单电源供电，应变片电路将应变信号转变为电信号后，电压大概在-30mV30mV之间，然后经过OP07放大电路对信号进行124倍的放大，OP07的输出信号再经过截止频率为1000Hz的RC低通无源滤波电路进行滤波，最后，经过50Hz带阻滤波器进行最后的滤波处理。有源滤波电路OP07放大电路应变片电路电源电路50Hz带阻滤波器 图1.2 方案二设计框图1.3 方案对比 在方案一和方案二中，因为AD620是双电源供电，为了减小误差，电源电路采用5V直流双电源供电，应变片电路均采用惠斯通全桥电路，而在放大部分，AD620的增益仅与外部增益调节电阻RG有关，这样放大倍数就可以很方便的进行控制，而且其只有一个输出端，一个反相输入端和一个同相输入端，这样可以使电路连接简单方便，而且AD620和AD705配合可以达到很好的放大效果；OP07和AD620的特性对比时，发现AD620的性能更优，且为仪表类放大常用的放大器。在滤波部分，有源滤波器的滤波效果要比无源滤波器的滤波效果好，但是无源滤波器采用RC低通无源滤波电路，其结构简单易于实现。综合以上因素，选用方案一。2 芯片介绍2.1 AD620芯片2.1.1 AD620引脚图图2.1 AD620引脚图6 AD620引脚功能如下： 引脚1，8：外接增益调节电阻RG 引脚2：反相输入端 引脚3：同相输入端 引脚4：负电源 引脚5：参考端 引脚6：输出端 引脚7：正电源2.1.2 AD620特性 增益通过一个外部电阻RG设置（增益范围：1至10000） 宽电源电压范围：（2.3V至18V） 性能高于3运放分立仪表放大器设计 采用8引脚DIP和SOIC封装 低功耗，最大工作电流1.3mA 输入失调电压:50uV(最大值) 输入失调漂移：0.6uV（最大值） 输入偏置电流：1.0nA（最大值） 共模抑制比：100dB（最小值，G=10） 低噪声 输入电压噪声：9nV/Hz（1kHz） 0.28uV峰峰值噪声（0.1Hz至10Hz） 带宽：120kHz(G=100)2.1.3 AD620工作原理图2.2 AD620工作原理图6AD620是一款单芯片仪表放大器，用户只需要改变RG阻值的大小，就可以实现对增益的控制。输入晶体管Q1，Q2提供一路高精度差分对双极性输入，反馈环路Q1-A1-R1和Q2-A2-R2使输入器件Q1和Q2的集电极电流保持恒定，从而可以将输入电压作用于外部增益设置电阻RG上，这样就产生了从输入至A1/A2输出的差分增益期，计算公式为： G=（RI+R2）/RG+1 （2.1）AD705用来消除共模信号，以获得折合到REF引脚电位的单端输出。RG阻值的大小还可以决定前置放大器级的跨导。当减小RG以获得更大的增益时，该跨导将渐近增大到输入晶体管的跨导。这样的话会带来三大好处：（1）开环增益得以提升将会提供更大的编程增益，从而可以减小与增益相关的误差;(2)增益带宽积随着编程增益的提高而增大，进而可以优化频率响应；（3）输入电压噪声降至9nV/Hz，其主要由输入器件的集电极电流和基电极电阻决定7。内部增益电阻R1和R2已调整至绝对值24.7k，因此利用一个外部电阻RG就可以实现对增益的精确控制。增益公式为： G=49.7k/RG+1 （2.2） RG=49.7k/(G-1) （2.3） 由此可见，仅改变RG的值的大小，就可以改变其增益的大小。2.2 AD705芯片2.2.1 AD705引脚图图2.3 AD705芯片引脚图8 AD705引脚功能： 引脚1，8：调零端 引脚2：反相输入端 引脚3：同相输入端 引脚4：负电源 引脚5：接地 引脚6：输出端 引脚7：正电源2.2.2 AD705特性 AD705是在每个集成块内只封装一个运算放大器。AD705是低功耗、双极型的运算放大器，它具有双极型场效应晶体管的输入级，因此，它具有输入阻抗高、输入失调电压低、输入偏置电流小、输入失调电压漂移小的特点。由于采用超双极性技术，AD705的失调电压可以达到微伏级，并且还具有精密双极型运算放大器的低噪声特性。与OP07相比，输入失调电压仅为OP07的1/15，温度漂移值为OP07的1/2。由于双极型场效应晶体管是输入级，因此，信号源阻抗可以比OP07高得多，但是它的直流精度却保持不变9。2.3 OP07芯片图2.4 OP07引脚图10 OP07引脚功能： 引脚1,8:调零端 引脚2：反相输入端 引脚3：同相输入端 引脚6:输出端 引脚5：空脚端 引脚7：正电源端 引脚4：负电源端3 Multisim11.0软件介绍Multisim11.0具有界面形象直观、操作方便、易学易用等突出优点，Multisim11.0的功能繁多，其主要的基本功能有：1. 建立电路原理图方便快捷。Multisim11.0为用户提供数量众多的现实元器件和虚拟元器件，分门别类的存放在18个元器件库中，绘制电路图方便快捷。2. 用虚拟仪器仪表测试电路性能参数及波形图准确直观。Multisim11.0为用户提供22种虚拟仪器仪表，包括数字万用表，函数信号发生器，功率表，双踪示波器，4通道示波器，波特图示仪，频率计，数字信号发生器等，这些仪器仪表不仅外形和使用方法与实际仪器相同，而且测试的数值和波形更加精确可靠。3. 完备的性能分析手段。Multisim11.0可以进行直流工作点分析，交流分析，噪声分析，失真度分析，直流扫描分析，灵敏度分析，参数扫描分析，温度扫描分析等，分析结果以数值或波形图直观地显示出来。Multisim11.0不但可以对模拟电路或数字电路分别进行仿真，而且可以对数模混合仿真和射频（RF）进行仿真。如果仿真失败时会显示错误信息并且会提示可能出错的原因，基本满足电子电路设计和分析的要求。4. 完美的兼容能力。Multisim11.0可以打开先前版本EWB和Multisim文件，还能打开Spice网络表文件，Ulticap文件等，并且会自动形成相应的电路原理图。也可以将Multisim11.0建立的电路原理图转换成网络表文件，提供给Ultiboard11模块或其他EDA软件进行印制电路板图的自动布局和自动布线。 对于从事电子技术产品的工程师们，使用Multisim11.0可以做到随时修改设计方案，完善电路设计，提高设计质量。目前电子行业普遍使用计算机软件进行产品开发，设计，制造，Multisim11.0是应用最为广泛的软件之一11。4 硬件电路设计4.1 电源电路本系统需要5V直流双电源电源供电，电路如图4.1图示：由设计的电路可以看出，电路前端是将220V的交流电通过9V的变压器转化成9V的交流电，然后通过整流桥将其整流，再通过两个C11（1000uF）和C4（33uF）进行滤波，最后通过稳压管7805和7905将其稳压成5V，就可以得到所需的5V直流电压。图4.1 5V双电源电路4.2 应变片电路 按照设计要求，选用电阻应变式传感器，电阻应变式传感器是以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。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的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形,电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，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，并将其转变成电信号。常用的电桥主要有单臂电桥，邻臂电桥，和全臂电桥，考虑到全桥的灵敏度是半桥的两倍，半桥是单臂的两倍，所以选用全桥电路，已知在静态时R1=R2=R3=R4=350，电桥的输入信号为5V，所以其输出信号在-30mV30mV之间，应变片电路如下图所示：图3.1 惠斯通全桥电路4.3 AD620一级放大电路 按照设计要求，一级放大倍数： G=1+（49.4K/RG） （4.1）由于在一次放大后，第二次放大的倍数只需几倍，就可以达到要求的100倍左右的放大倍数，为了让放大电路的放大性能更加稳定，将一级放大倍数做到20倍左右就可以，由公式4.1计算，可调电阻RG在2K就可以满足条件，2，3端是输入端与应变片电路连接，6端输出一次放大后的信号。通过仿真图我们可以发现，电压放大的倍数大概在120倍左右，也就是将30mV的电压放大到120倍左右，通过示波器的显示可以看出，输出没有失真，所以利用一级放大就可以满足要求。在仿真调试时，由于需要放大的信号最大为30mV，所以在调试时输入端接入正弦波的峰峰值为2mVPP，频率为50Hz,由于电压放大倍数只与RG有关，所以，在实际设计中1，8端口接入的电阻为600，并将其可调范围设置在66%，7，4端口接入的是+5V和-5V电压，3，2端口接入的是信号输入的正端和负端，调试结果可由示波器的输出得到，参考示波器的输出结果，我们可以得到放大倍数为：(973.498/7.848124倍），参考AD620的引脚图得出了一级放大电路图如下图示：图4.2 AD620一级放大电路利用Multisim软件，我们对所设计的放大电路进行了仿真，其输出波形如下：图4.3 AD620一级放大输出波形图 从示波器的输出可以看出，放大倍数约为（973.498mV/7.848mV约为124倍），波形没有失真，基本满足放大部分设计要求。4.4 RC无源低通滤波电路 对于幅频特性来讲，我们把能够通过的信号频率范围称为通带，把受阻或衰减的信号频率范围成为阻带，通带的界限频率和阻带的界限频率成为截止频率。根据通带和阻带的位置不同，滤波电路通常分为低通滤波电路，高通滤波电路，带通滤波电路，带阻滤波电路，全通滤波电路五种。无源滤波电路指仅由电阻R，电感器（线圈）L和电容器C等无源元件构成的滤波器。对于低通滤波，设截止频率为fc,频率低于fc,的信号能够通过，高于fc的信号将会被衰减12。按设计要求，低于1000Hz的信号可以通过,高于1000Hz信号将会被衰减。从电路简单方面来说，RC低通滤波器就可以达到要求的滤波效果，所以选用RC低通无源滤波。由于频率w=(1/)=2f，f=1000Hz，可以得出RC的关系： （4.3） 由RC的关系可以得出，当给定其中一个值时，就可以确定另外一个值，取电容值为0.1uF，那么R的值大概在1600左右，因此，我们可以选用2K的可调电阻，并将其可调范围设置在80%，由于任何稳态信号都可以分解成若干频率正弦信号的叠加，所以放大电路经常以正弦波作为测试信号，所以，在调试时，在其输入端接入的是正弦波，峰峰值为3V，频率为50Hz，示波器的B端口接输出信号，由于放大后的信号在3.7V左右，所以，在Y轴的每一格的电压刻度设定的比放大前大，在仿真时。我们可以通过调整可调电阻R的阻值来观察其滤波曲线，由于所设计的滤波器的截止频率为1000Hz，我们可以借助仿真观察在1000Hz左右时，其曲线的衰减是否在0.707V左右，如果观察到满足在1000Hz时，曲线的衰减在0.707V左右，说明在理论上，基本可以满足设计要求。但是在实际中，往往会由于噪声过大而导致滤波效果很不理想，有时有用信号很容易被淹没在噪声中，所以，在实际电路调试时，是比较麻烦的。由上面的计算，我们得出RC低通滤波电路如下：图4.5 RC低通滤波电路 利用Multisim11.0软件可得示波器的输出如下：图4.6 RC低通滤波输出波形图4.5 50Hz带阻滤波器电路带阻滤波器能将某一频率范围内的电压传输到输出端，滤掉该频率范围外的电压。按照设计要求，应滤掉50Hz左右的工频干扰信号，由低通滤波器和高通滤波器的幅频特性曲线，可以考虑将输入电压同时作用于低通滤波器和高通滤波器，再将两个电路的输出电压求和，就可以得到要求的带阻滤波器，考虑到电路比较复杂，代价高而且做出来的滤波效果也没有谐振回路好，我们可以参考高频振荡电路，串联谐振回路和并联谐振回路13。按照要求，并联谐振回路和串联谐振回路的参数分别由公式：,f=50Hz,从而可以确定RC的关系，得出电路的参数。如下图是由一个T型低通滤波器加一个T型高通滤波器组合得到的双T网络，其调试过程如下：输入端接正弦信号连接到示波器的A端口，输出端接示波器的B端口，由于放大后的信号不是很大，所以接入的正弦信号最大值为3V左右，频率为50Hz，调试结果如下：图4.8 双T网络 利用Multisim11.0得交流仿真图如下：图4.9 双T网络交流分析图 由仿真图可以看出，在频率为50Hz左右时，输出约为40mV，而不为0，当频率为15Hz时，其衰减约为707mV，所以15Hz为其低频段的截止频率，即在频率为0Hz15Hz左右时，信号可以通过，由图可知，其高频段的截止频率约为200Hz，所以在频率为15Hz200Hz左右时，信号被衰减。所以，在理论情况下，双T网络不满足设计要求。图4.10 并联谐振电路图 利用Multisim11.0软件可得仿真图如下：图4.11 并联谐振示波器的输出波形图图4.12 并联谐振电路交流分析图 由仿真图可以看出，在频率为50Hz左右时，输出约为70mV，而不为0，当频率为30Hz时，其衰减约为707mV，所以30Hz为其低频段的截止频率，并在频率为0Hz30Hz左右时信号可以通过，由图可知，其高频段的截止频率约为85Hz，所以在频率为30Hz85Hz左右时，信号被衰减，所以，在理论情况下，RLC并联谐振回路滤波效果不是很理想。图4.13 串联谐振电路图 利用Multisim11.0软件可得仿真图如下：图4.14 串联谐振电路交流分析图由仿真图可以看出，在频率为50Hz左右时，输出约为14mV，而不为0，当频率为30Hz时，其衰减约为707mV，所以30Hz为其低频段的截止频率，并在频率为0Hz30Hz左右时，信号可以通过，由图可知，其高频段的截止频率约为85Hz，所以在频率为30Hz85Hz，信号被衰减，所以，在理论情况下，RLC串联谐振回路滤波效果不是很理想。与双T网络相比，RLC并联谐振回路与RLC串联谐振的滤波特性要好一些，且两者在软件仿真时均不理想，但在50Hz时，串联谐振回路的输出最接近0，因此，选择串联谐振回路。4.6 AD705调零电路信号调理电路中如果应变片电路的四个电阻不匹配的话，就会导致共模电压不为0，所以必须要接入AD705构成的调零电路，此外，AD705构成的电压跟随器，不但可以起到调零作用，还可以作缓冲级，起阻抗变换作用，为后级滤波器高品质的工作提供保证。此外，还可以起隔离作用，隔离放大器放大过程、电压提升过程中的噪声。如图4.15所示，AD705调零后的信号反馈到AD620，AD620的输出信号经示波器的B端口可以看出，AD620的3，2端口分别接输入信号的正，负端，AD620的1，8端接可调电阻RG，AD620和AD705的7，4端口分别接5V电源。图4.15 AD705调零电路4.7 总体电路图 如4.16图为设计的总体电路图，全桥电路接5V电压，其输出的电压大小在-30mV30mV之间，全桥电路输出的信号正端接AD620的3端，负端接AD620的2端，AD620的1，8连接RG可调电阻，对电路的放大倍数进行控制，7，4接5V电压,5端口连接AD705的输出端6，如果全桥电路的四个电阻不匹配的话，就会导致共模电压不为0，AD705在这里起到一个调零的作用，经过AD620放大后的信号连接RC低通无源滤波电路，其截止频率为1000Hz,为了抑制50Hz的工频干扰，将RC低通无源滤波电路输出的信号连接到50Hz带阻滤波器，再对其进行滤波，这样就可以从示波器的B端口观察到最终输出的电压波形。图4.16 总体电路图5 测试数据结果与误差5.1 放大电路实际测量数据：表5.1 放大电路测试数据放大倍数输出电压（3次平均值）U/V3.72253.09522.46891.84901.23926.135006.15061.24131.84722.47053.10243.7098输入电压V/mV124.08123.81123.45123.27123.92122.700123.01124.13123.15123.53124.09123.66-30-25-20-15-10-5051015202530 电压放大倍数的理想值为124倍，本文用标准差来衡量这组测量数据的精确度，零输入的测量不计在内，12个数的平均值为：则标准差为:zzz则电压放大倍数可以表示为：K=123.5670.466这说明本文设计的信号调理电路的放大部分能满足设计要求。5.2 RC低通滤波电路实际测量数据表5.2 滤波电路测试数据输出电压值u/V频率f/Hz0.9880.9030.7800.5060.1090.4500.7040.9420.9851.020.1.0660.8650.7050.2680.12530354045505560657075.900950100010501100 由测试数据可以看出，滤波电路由一个截止频率为1000Hz的低通滤波器和一个50Hz的带阻滤波器叠加而成，在频率为30Hz时，输出开始缓慢的减小，在频率为45Hz时，频率下降的速度加快，在频率为50Hz时，输出的电压值为0.109V，达到最小，在50Hz以后，随着频率的增大，输出也开始增大，在频率75Hz时，达到最大，继续增大频率，发现频率达到950Hz时，输出有所下降，当频率达到1000Hz时，输出为0.705V，这是RC低通滤波器造成的。 从以上的测量结果中可以看出放大，滤波处理都已实现。从放大测试结果中可以看出，采用AD620设计的放大电路，其放大效果比较好，在低频点时误差较大。使用RC低通无源滤波和RLC串联谐振回路组成的滤波电路，滤波效果不是很理想。引起该种现象的原因有两个方面：一：所用器件都是非理想器件，加之制作粗糙二：由于我们测量仪器本身精度的限制。但总体来说，误差还在设计要求范围内。6 结果及展望 本设计金属箔应变信号调理电路可以对低频小信号进行放大，滤波处理，基本满足设计要求，电路具备了结构简单，精度高，实用性好和成本低廉等特点，能