何传红的毕 业 设 计.doc

毕业设计（论文） 毕 业 设 计（论 文）题 目 应变式压力传感器后续处理电路设计姓 名 何传红 学 号 0815014106 所在学院 工程技术学院 专业班级 08gb测控一班 指导教师 许忠保 教授 日 期 2012年5月23日 摘 要 本文主要写应变式压力传感器和数码管显示的基本工作原理，后续处理电路的设计。主要让我理解从传感器获取信号后通过电桥传出电压信号，再通过设计的接口电路，接口电路是除去系统的误差，并将电压信号放大，还有将力与电压成线性关系的作用。接口电路输出的电压信号经过A/D转换，转换成数字信号，再通过单片机接口技术，最后在数码管显示器上显示物体的重量的这种方法。关键字：应变式压力传感器 数码管显示 后续处理电路 电压信号 数字信号 Abstract This paper writing strain type pressure sensor and digital display of the basic working principle, the follow-up processing circuit design. Let me understand mainly obtained from the sensors and signal through bridge outgoing voltage signal, through the design of the interface circuit, interface circuit is to eliminate system error, and the voltage of the signal amplification, and will force voltage linear relation to the role of. Interface circuit output voltage signal after A/D conversion, converted into a digital signal, through the single-chip interface technology, the last in the digital tube display the weight of objects of this method.Keywords: strain type pressure sensor digital display the follow-up processing circuit a voltage signal digital signal目 录摘要.IABSTRACT.II1 绪论.1 1.1 研究现状. 1.2 研究目的 1.3 研究意义2 传感器的概述 2.1 传感器的定义 2.2 传感器的组成 2.3 传感器的分类3 应变式压力传感器 3.1 应变式压力传感器的应用 3.2 电阻应变片的工作原理 3.3 电桥的工作原理4 接口电路设计 4.1 放大器的作用和原理 4.2 电路设计4.2.1 设计思路分析4.2.2 一级放大电路分析4.2.3 调零电路分析4.2.4 二级放大电路分析4.2.5 三级放大电路分析5 数码显示5.1 A/D转换的原理5.2 芯片的驱动原理5.3 数码管显示的原理结论.致谢.参考文献. 1 绪论 人类对自然界的认识与改造均离不开对自然界信息的获取，因此获取信息的活动是人类最基本的活动之一，然而知识的获取往往从测量开始。在日常生活中，人类可以通过感觉器官获取满足生活的大量信息。但是在浩瀚的科学技术领域中，欲获取揭示事物内在规律的信息，无论在获取信息的幅值上，还是时间、空间上，或在分辨信息的能力方面，人类的感觉功能是十分有限的。在今天，测量已渗透到人类活动的每个领域。从日常生活的三表（水、电、煤气表）、每日的天气预报、医院中的病人监护设施、汽车中的各种指示仪表，直至宇宙飞船的姿态控制装置、飞机的导航仪表，测量无处不在。所以测试作为定量地获取事物信息的一种手段，已成为现代科学技术研究的一个重要领域。在今天仅仅测量到信号也是不够，因为很多信号我们是无法很清楚的理解的，还有很多通过传感器测量到的信号里参杂的很多不需要的信号成分，我们需要去过滤掉不需要的信号成分，这都是需要我们去设计一些东西去完成这些问题的。但是在完成这些问题时，我们还要将这些信号转变成我们能很清楚的理解我们的所需，例如称重，我们得到信号是没什么意义，我们很难去知道它有多重，所以我们需要将这信号转变成我们能通俗易懂的重量，也就是数字显示。这就是需要将信号通过一系列的改变，最后通过重量来显示在我们面前。本文主要围绕这方面的研究和接口电路的设计。本文内容是主要围绕图11写的被测对象数据显示A/D转换信号处理传感器观察者图111.1 研究现状 传感器技术是当今世界令人瞩目且发展迅猛的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。无论是在工业生产领域，还是在日常的生活当中，每一项技术都离不开传感器。美国早在上个世纪80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通信、激光、半导体、超导和传感器）之一，日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。世界技术发达国家对开发传感器技术都十分重视。 在我们国家，传感器行业规模较小，应用范围较窄，更多的应用仍然停留在工业测量与控制等基础应用领域。据资料显示中国在这方面的奖项也是寥寥无几。在这种国际背景下，伴随着科学技术的高速发展，压力传感器已经在工农业领域正扮演着重要的角色。然而，据资料显示中国在这方面的奖项也是寥寥无几。因此，为了国家的传感器技术能有更高的突破，我们当代大学生有必要对传感器技术做一个省入的学习和研究。1.2 研究目的 根据我们中国在传感器方面的国际背景，我们作为当代青年的一员，很有必对这一问题作更深入的探讨，以便我们的国家能够在传感器技术上有长足的发展。同时从我们自身而言，研究怎样设计应变片压力传感器的后续处理电路，可以使我们对传感器技术有一个综合的学习。从信号放大器、数字电压表、数据采集器、计算机等组成测量系统出发，再到计算机对压力传感器数据进行自动处理后 ,给出了相应的性能指标、数据曲线和拟合曲线而去深刻认识，这些都是很有必要的。1.2 研究意义 在当代，应变式压力传感器的发展可用“四化”来概括，即设计技术虚拟化，制造技术柔性化，生产工艺网络化，企业管理信息化。 设计技术虚拟化：包括弹性体结构设计的拟实技术和工艺设计的虚拟技术。 结构设计的拟实技术：是指面向弹性体的结构和性能分析技术，包括动态仿真、动力学分析、强度和刚度有限单元法计算、敏感区应变大小与分布等，以达到优化设计的目的。 分析近年来电子衡器对称重传感器的新要求，不难得出小型化，集成化，多功能化和智能化将是称重传感器的重要特点和发展趋势。 小型化：是指称重传感器总体结构体积小、高度低、重量轻，即小、薄、轻。集成化：有结构集成和功能集成两种形式。结构集成是指弹性体与秤体合二为一的新型结构。功能集成是指将重量信息采集、放大、变换、传输、处理和显示都集于一体的称重传感器，例如：将敏感元件（弹性体）、转换元件（电阻应变计）、信号处理电路和称重显示控制都集于一体的轮辐式称重传感器，其数字显示位置就在传统轮辐式称重传感器的接线盒处，通常称为轮辐式称重仪。 多功能化：是指称重传感器本身除具有检测重量信息的功能外，还能同时检测其它信息。智能化：是由于模拟式称重传感器输出信号小，抗干扰能力差，传输距离短，称重显示控制仪复杂，组秤调试周期长，根本不适应数字式智能电子衡器的发展。称重传感器的智能化就是研制新型数字式智能称重传感器。有两种结构：整体型一一在称重传感器内部增加放大、滤波、A/D转换器、微处理器、温度传感器等数字处理电路，利用数字补偿技术与工艺实现各项补偿。分离型一-将整体型数字式智能称重传感器内的数字电路置于外部接线盒内，称为数字模盒。将普通模拟式称重传感器接入数字模盒，就可变模拟输出为数字输出，通常将其称为分离型数字称重传感器系统。 数字式智能压力传感器具有如下特点： l 输出信号大，抗干扰能力强，传输距离远，信噪比高； l 通过数字补偿电路和数字补偿工艺，可进行线性、滞后、蠕变等补偿，改善了性能； l 输出信号规格化； l 内装温度传感器，通过补偿软件可进行实时温度补偿，稳定性好； 最后希望我国称重传感器行业，尽快结束疯狂的价格大战，实施“质量竞争战略”和21世纪的“创新竞争战略”，以制造技术和制造工艺为突破口，迅速提高我国称重传感器的总体质量水平和信誉度，培养叫得响，用得好，站得住的名牌产品，尽快融入国际市场，参与国际竞争。而只有这样才能是我们国家的传感器技术向着更高的台阶发展。2 传感器的概述2.1 传感器的定义 人们通常将能把非电量转换为电量的器件称为传感器。传感器实质上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换为电信号。通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 nm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。2.1 传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源，又能够方块图表示，如图21所示。敏感元件（预变换器）：在完成非电量到电量的变化时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换为电量，往往是将被测非电量预变换为另一种易于变换成电量的非电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件，又称预变换器。如再传感器中各种类型的弹性元件称为敏感元件，并统称为弹性敏感元件。转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，例如压电晶体、热电偶等。需要指出的是，并非所有的传感器都包括敏感元件和转换元件，如热敏电阻、光电器件等。而另外一些传感器，其敏感元件和转换元件可合而为一，如固态压阻式压力传感器等。测量电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。测量电路的类型视转换元件的分类而定，经常采用的有电桥电路及其它特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、振荡回路等。非电量电量敏感元件转换元件测量电路辅助电源Error! No bookmark name given.图2-1 传感器的组成方块图2.3 传感器的分类可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。 根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 ： 传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应、磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。 化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。 有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。 常见传感器的应用领域和工作原理列于下表。 2.3.1 传感器按用途分类 压力敏和力敏传感器 位置传感器 液面传感器 能耗传感器 速度传感器 加速度传感器 射线辐射传感器 热敏传感器 24GHz雷达传感器 2.3.2 传感器按照其原理分类： 振动传感器 湿敏传感器 磁敏传感器 气敏传感器 真空度传感器 生物传感器等。2.3.3 传感器按照其输出信号为标准分类： 模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。 膺数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。 开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。 2.3.4 传感器按照其材料为标准分类： 在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类： (1)按照其所用材料的类别分 金属 聚合物 陶瓷 混合物 (2)按材料的物理性质分： 导体 绝缘体 半导体 磁性材料 (3)按材料的晶体结构分： 单晶 多晶 非晶材料 与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向： (1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。 (2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。 (3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。 现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。 2.3.5 传感器按照其制造工艺分类：集成传感器 薄膜传感器 厚膜传感器 陶瓷传感器 集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。 厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。 陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。 完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。 每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。 2.3.6 传感器根据测量目的不同分类物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成的。 化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成的。 生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。2.4 应变式压力传感器 应变计中应用最多的是粘贴式应变计（即应变片）。它的特点是输出信号小、线性范围窄,而且动态响应较差(见电阻应变计、半导体应变计)。但由于应变片的体积小,商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压力传感器仍有广泛的应用。按弹性敏感元件结构的不同,应变式压力传感器大致可分为应变管式、膜片式、应变梁式和组合式4种。四种应变式压力传感器1 应变管 又称应变筒式。它的弹性敏感元件为一端封闭的薄壁圆筒，其另一端带有法兰与被测系统连接(图1)。在筒壁上贴有2片或4片应变片，其中一半贴在实心部分作为温度补偿片,另一半作为测量应变片。当没有压力时 4片应变片组成平衡的全桥式电路;当压力作用于内腔时,圆筒变形成“腰鼓形”,使电桥失去平衡,输出与压力成一定关系的电压。这种传感器还可以利用活塞将被测压力转换为力传递到应变筒上或通过垂链形状的膜片传递被测压力。应变管式压力传感器的结构简单、制造方便、适用性强，在火箭弹、炮弹和火炮的动态压力测量方面有广泛应用。2 膜片式它的弹性敏感元件为周边固定圆形金属平膜片。膜片受压力变形时，中心处径向应变和切向应变均达到正的最大值，而边缘处径向应变达到负的最大值，切向应变为零。因此常把两个应变片分别贴在正负最大应变处，并接成相邻桥臂的半桥电路以获得较大灵敏度和温度补偿作用。采用圆形箔式应变计(见电阻应变计)则能最大限度地利用膜片的应变效果（图2）。这种传感器的非线性较显著。膜片式压力传感器的最新产品是将弹性敏感元件和应变片的作用集于单晶硅膜片一身，即采用集成电路工艺在单晶硅膜片上扩散制作电阻条，并采用周边固定结构制成的固态压力传感器（见压阻式传感器）。 3 应变梁式测量较小压力时，可采用固定梁或等强度梁的结构。一种方法是用膜片把压力转换为力再通过传力杆传递给应变梁。图3中两端固定梁的最大应变处在梁的两端和中点，应变片就贴在这些地方。这种结构还有其他形式，例如可采用悬梁与膜片或波纹管构成。 4 组合式 在组合式应变压力传感器中，弹性敏感元件可分为感受元件和弹性应变元件。感受元件把压力转换为力传递到弹性应变元件应变最敏感的部位，而应变片则贴在弹性应变元件的最大应变处。实际上较复杂的应变管式和应变梁式都属于这种型式。感受元件有膜片、膜盒、波纹管、波登管等，弹性应变元件有悬臂梁、固定梁、形梁、 环形梁、薄壁筒等。它们之间可根据不同需要组合成多种型式。 应变式压力传感器主要用来测量流动介质动态或静态压力，例如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、内燃机管道压力等等。3 应变式压力传感器本章主要介绍测试系统的第一级传感器的工作原理和最后一级数据显现的原理。传感器是从被测对象获取有用的信息，并将其转换为合适于测量的变量或信号。然后经过信号调理级来将从传感器所输出的信号作进一步的加工和处理，包括对信号的转换、放大、滤波、存储、重放和一些专门的信号处理。最后将经信号调理部分处理过的信号经A/D转换和数码显示器来显示出人们容易懂的信号。3.1 应变式压力传感器的应用 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。他的特点有：精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。下面我们主要介绍这类传感器。在了解应变式压力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU ）显示或执行机构。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。3.2 电阻应变片的工作原理 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。图31是应变片的基本结构图。 设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作，这种材料的泊松系数是。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R，如下图32所示：R=L/S（）（31）当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长L，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少r。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作。对式（3-1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有：R=L/S+L/SSL/S2（32）用式（31）去除式（32）得到R/R=/+L/LS/S（33）另外，我们知道导线的横截面积S=r2，则s=2r*r，所以S/S=2r/r（34）从材料力学我们知道r/r=-L/L（35）其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。是表示材料横向效应泊松系数。把式（34）（35）代入（33），有R/R=/+L/L+2L/L=（1+2（/）/（L/L）*L/L=K*L/L（36）其中K=1+2+（/）/（L/L）（3）式（36）说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.73.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。 图31应变片的基本结构图图323.3 电桥工作的原理传感器测量电路如图1所示。无差压时，电桥两臂电流相等。差压信号加到四个硅压敏电阻上，压敏电阻的阻值随差压而变化，引起电桥不平衡。电桥输出电压馈入放大器。放大器电压通过晶体管改变输出电流的大小。输出电流流过电桥的电阻反馈网络，使电桥恢复平衡。这样，电桥输出电压的变化与差压变化成对应比例关系。从而将差压的变化直接转换成电信号。如下图31： U是输出端，输出到接口电路端。图314 接口电路设计本章主要是围绕接口电路的设计，工作内容是通过传感器工作的特点和特性，还有A/D转换的结构特点，数码管显示来设计的。首先要从一整套的测试系统来说明，以下是测试系统的框架图：数码显示器A/D转换信号调理 传感器被测对象观察者图41从图41可知，该图的信号调理就是本章的接口电路设计。4.1 放大器的作用和原理放大器在电路中发挥重要的作用，其应用已经延伸到汽车电子、通信、消费等各个领域，并将在支持未来技术方面扮演重要角色。在运算放大器的实际应用中，设计工程师经常遇到诸如选型、供电电路设计、偏置电路设计、PCB设计等方面的问题。放大器的作用：运算放大器是运用得非常广泛的一种线性集成电路。而且种类繁多，在运用方面不但可对微弱信号进行放大，还可做为反相、电压 跟随器，可对电信号做加减法运算，所以。不但其他地方应用广泛，在音响方面也使用得最多。例如前级放被称为运算放大器大、 缓冲，耳机放大器除了有部分使用分立元件，电子管外，绝大部分使用的还是集成运算放大器。而有时候还会用到稳压电路上，制作高精度的稳压滤波电路。放大器的原理： 高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内 的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。 高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划 分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器 通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大 器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或 其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。在 “低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同。将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于 180o；丙 类放大器电流的流通角则小于180o。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工 作于开关状态的了类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的 还高，理论上可达100，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率）的限制。如果在电路上加以改进。使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高。这就是 戊类放大器。 我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必 须采用低频功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能 量转换为交流输出的能量转换器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特 点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大， 决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带 宽度却很宽。例如，自20至 20000 Hz，高低频率之比达 1000倍。因此它们都 是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。例如，调幅广播电台 （5351605 kHz的频段范围）的频带宽度为 10 kHz，如中心频率取为 1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或 乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽高频功率放大器，它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样，它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。 综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大，效率高；它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同，因而负载网络 和工作状态也不同。高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。 功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率， 它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽。电路时可以工作在乙类。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。 高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析， 工程上普遍采用解析近似分析方法折线法来分析其工作原理和工作状态。 这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。 以上讨论的各类高频功率放大器中，窄带高频功率放大器：用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能，通常工作于乙类、丙类状态。宽带高频功率放大器：用于对某些载波信号频率变化范围大得短波，超短波电台的中间各级放大级，以免对不同fc的繁琐调谐。通常工作于甲类状态。接口电路的设计思路：首先接口电路的信号是从传感器发送出来的，而传感器是由内部电桥的电阻的改变而导致电桥的两个输出端的电势不同产生电压，从而输出信号。由于是两端点的电势差引起的电压，所以很自然想到要用一个差分放大电路。差分放大电路是将输出的电压进行放大，也为此电路的一级放大。因为没有传感器是绝对理想的传感器，所以传感器也存在着系统误差，电桥上的金属电阻会受温度的影响而改变从而导致电桥的两个输出端一开始就有电压，不是零，因此就需要将此系统误差消除，于是想到要找一个与它电势相等的点，将那传感器输出的系统误差的电压综合为零，称为调零，于是想到了需要一个电压跟随器的电路。调零后还应该将传感器导出的信号进行放大，由于传感器输出的电压太小，由于精度的原因，所以还设计二级放大和三级放大电路。二级放大和三级放大可用反相输入放大电路或者通向输入放大电路。反相输入放大电路的最大特点是：它可十分方便的利用某一电路的输入电阻，来改变电路的比例关系，而不影响其它路的比例关系。我选用的是二级放大电路是反相输入求和放大电路，故我的三级放大必须是反相输入放大电路，反两次得到原电压信号的相位。由于要考虑经放大的输出电压要与被测的重量成线性关系，所以需要加一个滑动变阻器来解决这个问题。例如之前电压是9.58伏对应1千克这种线性关系，这如果是刻盘就不好分格的，所以插入滑动变阻器可以解决这个问题，可以通过调节滑动变阻器来改变这种不好分格的线性关系，可以变为10伏对应1千克。这就加滑动变阻器在三级放大器上的原因。一级放大电路图的分析：一级放大电路通过分析是用的差分放大电路，差分电路是用来实现两个电压相减的求差电路。从结构上来看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。通过理想的运放条件下，利用虚短和虚断的概念可以对电路图里输出电压的计算。设计的电路图42如下：输出图42选用的放大器是LM324型，两个电阻是56千欧。调零电路图的分析：调零电路图也就是接一个电压跟随器使传感器输出的系统误差电压综合为零。电压跟随器是利用虚短的概念使输出电压与输入电压的大小相等，相位相同。电压跟随器在电路中常作为阻抗变换器或缓冲器。它还可以消除负载变化对输出电压的影响。设计的电路图43如下：输出图43选用的放大器是LM324，滑动变阻器的最大值是2千欧，电阻是4.7千欧二级放大电路的分析：二级放大电路是用的反相输入放大求和电路。这个电路分析原因是因为引入了电压跟随器，增加了一个电压，有两个电压，所以用到求和电路。反相输入放大电路的最大特点是：它可十分方便的利用某一电路的输入电阻，来改变电路的比例关系，而不影响其它路的比例关系。它的电路设计图44如下：接地输入 输出图44选用的放大器是LM324，两个5.1千欧的电阻和两个1千欧的电阻。三级放大电路的分析： 三级放大一定要将相位反相位原始输出电压的相位，又由于反相输入放大电路的特点，上面提到的，所以三级放大器要用反响输入放大电路，此三级放大电路的作用是调整相位和调节电压与力的线性比例关系。电路图45如下：输入图45选用的放大器是LM324，一个最大阻值为2千欧的滑动变阻器，一个1千欧和一个4.7千欧的电阻。接口电路设计的总图46如下：图46第5章 数码显示二进制数 本章主要介绍数码显示的前奏，A/D转换是将调理过的电信号转变为数字信号，也就是二进制的编码数字，再通过芯片驱动传到八段式LED数码管，数码管得每段都是可以发光的，高电平就发光，低电平就不发光，这都是由芯片来控制的。这样就可以在数码管上显示数字。如图51数码管芯片驱动A/D转换电信号观察者图515.1 A/D的原理 首先介绍A/D转换的基本原理：它先将输入模拟电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，然后在此时间间隔内，计数器对时钟脉冲计数，所计得的数便是模数转换结果。A/D转换的工作过程分为采样和测量两个阶段。开始工作前，控制电路使开关K接地，积分器输