电子测量实验台制作论文.doc

黄冈职业技术学院学生毕业论文湖北黄冈二零零七年十一月黄冈职业技术学院05级毕业生毕业论文 课题名称:电子测量实验台制作 系 别 ： 专 业 ：班 级 ：姓 名 ：学 号 ：指导教师 ： 黄冈职业技术学院毕业论文ZY13Sens12BB传感器实验台的制作摘要：随着科学技术的迅速发展，在工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设等国民经济的领域都广泛应用电子技术，而电子测量又是电子技术中进行信息推测的重要手段，它是一门发展快、应用面宽、实践性强、重要的应用学科，在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。 电子测量技术，是以电子技术为基本手段的一种测量技术，它是测量学和电子学结合的产物，电子测量运用电子科学的原理，方法和设备对各种电量，电信号及电路元器件和参数进行测量外, 还可以通过各种敏感器件和传感器装置对非电量进行测量,而且往往更加方便、快捷、准确有时是用其他测量方法所不能替代的。电子测量仪器是采用现代信息技术对物质世界的信息进行测量与控制的基本手段和工具。我们通常所说的电子信息技术包括三个支柱：信息的获取电子测量技术；信息的传输电子通信技术；信息的处理电子计算机技术。显然如果没有对原始数据准确、可靠的测量，则对任何信息的转换、处理和传输都将失去实际意义， 因此电子测量技术及电子测量仪器产品是电子信息产业基础中的基础。关键词：传感器技术 相敏传感器 移相器 气敏传感器 差分放大电路 电桥平衡 低通滤波器ZY13Sens12BBSensor laboratory bench manufactureAbstract：Along with the science and technology rapid development, in national economy and so on the industry, agriculture, transportation, aerospace, national defense development domains all widely applies the electronic technology, but the electronic surveying also is in the electronic technology carries on the information extrapolation the important method, it is one develops, the application breadth, the practicality quickly strong, the important application discipline, holds the pivotal function and the status in the modern science and technology. The electronic surveying technology, is take the electronic technology as the essential method one kind of survey technology, it is the surveying and electronics union product, the electronic surveying utilization electronic science principle, the method and the equipment to each kind of electric quantity, the electrical signal andElectric circuit primary device and the parameter carry on outside the survey, but also may carries on the survey through each kind of sensitive component and the sensor installment to the non-electrical quantity, moreover often even more is convenient, quickly, accurate sometimes is cannot substitute with other measuring technique. The electronic surveying instrument is uses the modern information technology to carry on the survey and the control essential method and the tool to the material world information. We usually said electronic information technology including three props: Information gain - electronic surveying technology; Information transmission - electronic communications technology; Information processing - electronic accounting machine technology. If obviously not to primary data accurate, reliable survey, then to any information transformation, processing and the transmission all will lose the practical significance, therefore the electronic surveying technology and the electronic surveying instrument product will be in the electronic information industry foundation foundationKey word：The sensor technology sensitive sensor phase inverter is madthe sensitive sensor difference enlargement electric circuit bridgebalance low pass filter黄冈职业技术学院毕业论文目 录引言 6第一章ZY13Sens12BB传感器技术实验台简介61.1 实验台简介 61.2 技术性能 71.3 可用测量台制作的电路 7 1.4 整机原理框图 7第二章 所有电路的设计及工作原理 82.1 电源电路及相敏检波器 8 （一）、相敏检波器及电源电路简介 8 （二）、相敏检波器及电源电路工作原理 92.2 移相器 10 （一）、高性能晶闸管三相移相二触发集成电路 10（二）、TC787/TC788应用 122.3 差动放大电路 13 （一）、气敏传感器的简介 13 （二）、差分放大电路的设计与应用 152.4 电桥平衡 18（一）、电桥平衡的简介 18（二）、电桥平衡的工作原理 192.5 低通滤波器 21（一）、低通滤波器的简介 21（二）、实际电路的使用 25第三章 传感器实验仪实验指导 27实验一 金属箔式应变片- -交流全桥 27实验二 交流全桥的应用电子秤之一 28实验三 气敏传感器（MQ3）实验 29实验四 湿敏电阻（RH）实验 30实验五 光电传感器（透射型）测转速实验 31结束语 32致谢 32参考文献 32附录：整体电路图 33黄冈职业技术学院毕业论文引言我国加入世贸组织后，在全球经济一体化和国际产业转移加快的形势下，各类产业和特色工业经过二十余年的励精图治，已成为我国发展高新科技产业的重要力量和承接世界先进制造业技术、吸引国际资本、拉动我国经济增长、推动全球技术资本互动的重要平台和重要载体。其中发展迅速的就是能源计量设备，因此要求各大院校加强电子测量实验台的设施，培养学生的实际动手能力。现阶段的电子测量实验台主要有电力信息技术电测仪器、电力用变频器、传感器、继电器；电力用光学仪器、环保仪器、分析仪器、检测仪器、电力试验技术及设备、电力测试测量及无损检测技术设备、电力仪器仪表工艺装备与加工设备、电力仪表元件与材料等技术的设计。而ZY13Sens12BB实验台主要用于各大、中专院校及职业院校开设的传感器原理与技术、自动化检测技术、非电量电测技术、工业自动化仪表与控制、机械量电测等课程的实验教学。实验台普通型包含主控箱，实验桌，十个模板、十八种传感器，能进行近四十个实验。第一章 ZY13Sens12SB传感器技术实验台的简介11 实验台简介ZY13Sens12SB传感器技术实验台由主控台、三源板（温度源、转动源、振动源）、18个传感器、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验台桌等六部分组成。 一、主控台部分：提供高稳定的15V、5V、2V4V6V8V10V可调及2V24V可调四种直流稳压电源；主控台面板上还装有测电压、气压、频率、转速的数显表及计时表。音频信号源（音频振荡器）1kHz10kHz（可调）；低频信号源（低频振荡器）1Hz30Hz(可调)；气压源020kpa可调；高精度温度转速两用仪表（控制精度0.5），RS232计算机串行接口；流量计；漏电保护器。其中电源、音频、低频、均具有断电保护功能。2V4V6V8V10V电源与其它电源、信号Fin、Vin部分不共地。如果与其它电源同时使用时，应将其共地。因断路无输出重新开机即恢复正常。调节仪置内为温度调节、置外为转速调节。 二、 三源板：装有振动源1Hz30Hz（可调）；旋转源02400转分（可调）；加热源常温150（可调）。 三、传感器：包括：电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式传感器、霍尔式传感器、霍尔转速传感器、磁电转速传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器、集成温度传感器、K型热电偶、E型热电偶、Pt100铂电阻、Cu50铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器共十八种。 四、实验模块部分：应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相相敏检波滤波十个模块。 1.2技术性能一、数字式电压/频率表：3位半显示，电压范围0-2V、0-20V，频率范围3Hz-2KHz、10Hz-20KHz，灵敏度50mV。 二、指针式毫伏表85c1表，分500mV、50mV、5mV三档，精度2.5%。 三、音频振荡器：0.4KHz-10KHz输出连续可调，Vp-p值20V，输出连续可调， 180、0反相输出，Lv端最大功率输出电流0.5A。 四、低频振荡器：1-30Hz输出连续可调，Vp-p值20V，输出连续可调，最大输出电流0.5A，Vi端可提供用做电流放大器。 五、直流15V，主要提供温度实验时的加热电流，最大激励1.5A。六、2V10V分五档输出，最大输出电流1.5A。提供直流激励源。1.3 可用测量台制作的电路：一、电源电路及相敏检波器二、移相器三、差动放大电路四、电桥平衡五、低通滤波器14整机原理框图相敏检波器低通滤波器电压表示波器电桥平衡网络应变片21 第二章 电路的设计及工作原理2.1 相敏检波器及电源电路一、相敏检波器及电源电路简介（一）相敏检波器的简介：振幅调制波的解调简称检波，其作用是从振幅调制波中不失真地检出调制信号来，调幅波的解调也称为检波而完成调幅作用的电路称为检波器。相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向、在性能上最主要的区别是相敏检波电路具有判别信号相位和频率的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。参考信号应与所需解调的调幅信号具有同样的频率，采用载波信号作参考信号就能满足这一条件。相敏检波器是用来将高幅波还原或原来的信号波形，即起解调的作用，相敏检波器与普通检波器不同，普通检波的电压或电流输出，不能辨别正负极性，而相敏检波器的特点是能根据从放大器来的输入的相位辨别原始被测信号的极性，因此称为“相敏”检波器。当相敏检波器的输入信号与开关信号同相时，输出为正极性的全波整流信号，电压表指示正极性方向最大值，反之，则输出负极性的全波整流波形，电压表指示负极性的最大值。（二）相敏检波器电路原理图图2.1.1（三）相敏检波器的组成及工作原理：1、组成：一个是由运算放大器N1构成的整形电路部分，即施密特开关电路，用于对参考信号进行预处理，它的主要功能是将正弦信号转换成方波信号，其中C1耦合电容。V5端输入2V的直流电源信号，用于对V1端输入的信号进行相位控制。V5端输入交流信号， N1为开环放大器，增益很高，在放大器的输出端变换成方波，并由该信号控制结型场效应官3DJ6的导通或截止,从而来控制相敏检波器。另一个是由场效应管和二级管构成的电子开关电路部分，控制运算放大器；最后是由运算放大器N2构成的相敏检波器部分。2、工作原理：当V6端的控制电压为高电平时，二极管D1截止，开关管栅极G为低电平，G1截止，相当开关断开,3DJ6截止，N2同相端“+”与参考信号断开，这时N2又相当于跟随器，Ka= 1，此时，相敏检波器为反相运算放大器，输入与输出信号反相。当V6端的控制电压为低电平时，二极管D1导通，开关管栅极G为高电平，3DJ7导通，相当开关接通。在3DJ6导通时，N2同相端“+”相当接地，N2可视为倒相器，这时Ka = -1,此时，相敏检波器为同相运算放大器，RD1S= R3/RF，输入与输出信号同相，输入信号通过R3或者R4加到集成运放的输入端，而输出信号通过电位器 RF也回送到输入端，RF为反馈电阻，构成深度电压并联负反馈。相敏检波器输入信号V1与参考信号V2同相，V2为正半周时如图（2.1.2）所示；V2由N1反相后输出方波V6为负，二极管D1导通V7为负，3DJ7截止，N2相当于跟随器。相敏检波器输出V3跟随V1。V2为负半周时，D1截止，V7=0， 3DJ7饱和导通，这时N2相当于倒相器，相敏检波器输出V3和输入V1相位相反。此时若相敏检波器输出正极性脉动波，经低通滤波后输出可获得正的最大输出。相敏检波器输入信号V1与参考信号V2反相，如图（2.1.2）所示；这时相敏检波器输出V3为负极性脉动波，经低通滤波后，输出端可获得负的最大值。相敏检波器输入信号V1与参考信号V2相差900时，如图（2.1.2）所示；这时相敏检波器输出V3经低通后为零输图2.1.22.2 移相器一、高性能晶闸管三相移相二触发集成电路TC787/TC788应用（一）实验内容：TC787和TC788是采用独有的先进IC工艺技术，并参照国外最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路。它可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和变流装置。它们是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ(或KC)系列移相触发集成电路的换代产品，与TCA785及KJ(或KC)系列集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一只这样的集成电路，就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ(3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042)(或KC)系列器件组合才能具有的三相移相功能。因此TC787、TC788可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，从而取代TCA785、KJ004、KJ009、KJ041、KJ042等同类电路，为提高整机寿命、缩小体积、降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。 （二）引脚排列、引脚功能和用法及主要参数限制TC787及TC788是标准双列直插式18引脚的集成电路，它的引脚排列如图1所示。 图2.2.1 TC787(或TC788)的引脚排列(脚朝下)各引脚的名称、功能及用法如下：1、同步电压输入端：引脚1(Vc)、引脚2(Vb)及引脚18(Va)分别为三相同步输入电压连接端，应用中分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC787或TC788的工作电源电压VDD。2、脉冲输出端：在半控单脉冲工作模式下，引脚8(C)、引脚10(B)、引脚12(A)分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚7(-B)、引脚9(-A)、引脚11(-C)分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。当TC787或TC788被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端，引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端，引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端，引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端，引脚7为与三相同步电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端，引脚10为与三相同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端，应用中均接脉冲功率放大环节或脉冲变压器。3、控制端：引脚5(Pi)为输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787或TC788的输出，高电平有效，应用中接保护电路的输出。 引脚14(Cb)、引脚15(Cc)、引脚16(Ca)分别为对应三相同步电压的锯齿波电容连接端。该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值，应用中分别通过一个相同容量的电容接地。引脚6(Pc)为TC787或TC788工作方式设置端。当该端接高电平时，TC787或TC788输出双脉冲；而当该端接低电平时，输出单脉冲。引脚4(Vr)为移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787或TC788输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出，其电压幅值最大为TC787或TC788的工作电源电压VDD。引脚13(Cx)。该端连接的电容Cx的容量决定着TC787或TC788输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。4、电源端：TC787或TC788可单电源工作，亦可双电源工作。单电源工作时引脚3(VSS)接地，而引脚17(VDD)允许施加的电压为818V。双电源工作时，引脚3(VSS)接负电源，其允许施加的电压幅值为-4-9V，引脚17(VDD)接正电源，允许施加的电压为+4+9V。（三）设计特点1、主要设计特点(1)TC787适用于主功率器件是晶闸管的三相全控桥或其它拓扑电路结构的系统中作为功率晶闸管的移相触发电路。而TC788适用于以功率晶体管(GTR)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)为功率单元的三相全桥或其它拓扑结构电路的系统中作为脉宽调制波产生电路，且仍一种芯片均可同时产生六路相序互差60的输出脉冲。(2)TC787及TC788在单、双电源下均可工作，使其适用电源的范围较广泛，它们输出三相触发脉冲的触发控制角可在0180范围内连续同步改变。它们对零点的识别非常可靠，使它们可方便地用作过零开关，同时器件内部设计有移相控制电压与同步锯齿波电压交点(交相)的锁定电路，抗干扰能力极强。电路自身具有输出禁止端，使用户可在过电流、过电压时进行保护，保证系统安全。(3)TC787及TC788分别具有A型和B型器件，使用户可方便地根据自己应用系统所需要的工作频率来选择(工频时选A型器件，中频100400Hz时选B型器件)。同时，TC787输出为脉冲列，适用于触发晶闸管及感性负载；TC788输出为方波，适用于驱动晶体管。因两种集成电路引脚完全相同，故增加了用户控制用印制电路板的通用性，使同一印制电路板只需要互换集成电路便可用于控制晶闸管或晶体管。(4)TC787或TC788可方便地通过改变引脚6的电平高低来设置其输出为双脉冲列还是单脉冲列。2、主要电参数和限制(1)工作电源电压VDD：818V； (2)输入同步电压有效值：(1/22)VDD；(3)输入控制信号电压范围：0VDD； (4)输出脉冲电流最大值：20mA；(5)锯齿波电容取值范围：0.10.15； (6)脉宽电容取值范围：3300pF0.01F；(7)移相范围：0177； (8)工作温度范围：0+55。3、TC787或TC788应用举例TC787、TC788独特而巧妙的设计，使它们可方便地用于主功率器件为普通晶闸管、双向晶闸管、门极可关断晶闸管、非对称晶闸管的电力电子设备中作移相触发脉冲形成电路。而TC788可用于主功率器件为功率晶体管、功率场效应晶体管、功率IGBT或功率MCT的电力电子设备中。限于篇幅，本节仅以TC787为例说明其应用。二、典型应用接线图单电源工作的典型接线图2给出了TC787单电源工作时的典型接线图。这种使用方法需要加很多辅助元件，图中电容C1C3为隔直耦合电容，而C4C6为滤波电容，它与R1R3构成滤去同步电压中毛刺的环节。另一方面随RP1RP3三个电位器的不同调节，可实现060的移相，从而适应不同主变压器接法的需要。图2 需同步电平移位网络的单电源使用方法2.3 差动放大电路一、气敏传感器的简介 （一）半导体气敏传感器简介气敏传感器能够有选择地将气体浓度转化为相应的电信号。早期的气体检测手段主要采用电化学和光化学方法。这种方法检测速度慢，设备复杂，成本高，使用不便。随着科技进步与人类环保意识的增强，人们对在家庭、环境生活中及生产现场危害健康、造成窒息的气体、或那些易燃易爆以及其它有害于工农业生产过程的各种气体的检测越来越重视。因而对高性能价格比的气敏元件的社会需求越来越强烈。自从1962年用金属氧化物多晶制成的可燃性气体传感器面世以来，金属氧化物、半导体传感器在世界范围内得到了广泛的研究和开发，在气敏传感器中占据了重要地位，应用领域也被不断拓宽。其中薄膜型元件尤其受到重视，除了元件体积小、功耗低、特性一致性好等种种优点之外，薄膜技术可与集成电路的制造工艺兼容，这是极为重要的。近30年来，微电子学的发展令人瞩目，以集成技术为核心构造微电子系统已成为当前微电子技术发展的主要趋势之一，其关键就在于实现传感器与集成电路的兼容和集成化。气敏器件（又称气敏传感器）是一种对环境气氛中某些氧化性气体、还原性气体、有机溶剂蒸汽十分敏感的电子器件，被广泛应用于对可燃性气体和有毒性气体的检测、检漏、报警和监控等领域。半导体气敏传感器依控制机理可分为两类：一类是电阻控制型气敏传感器，主要是金属氧化物半导体气敏传感器；另一类是非电阻型气敏传感器，这类型常用关导体材料硅制成的气敏传感器。实际应用中，气敏传感器应满足下列要求：1、具有良好的选择性，即对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。2、具有较高的灵敏度和宽响应动态范围，即在被测气体浓度低时要有足够强的输出信号；在被测气体浓度较高时，有较好的线性响应值。3、性能稳定，即传感器受工作环境影响不能太大。4、响应速度快，重复性好。5、具有良好的选择性，即对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。6、具有较高的灵敏度和宽响应动态范围，即在被测气体浓度低时要有足够强的输出信号；在被测气体浓度较高时，有较好的线性响应值。7、性能稳定，即传感器受工作环境影响不能太大。8、响应速度快，重复性好。9、保养简单，价格便宜等。（二）气敏传感器的原理及原理图1、工作原理： 气敏传感器的核心器件是半导体气敏元件，不同的气敏元件对不同的气体敏感度不同，当传感器暴露于使其敏感的气体之中时，电导率会发生变化，当加上激励电压且负载条件确定时，负载电压就会发生相应的变化，由此可测得被测气体浓度的变化。具体方法是- 当被测可燃气体或可燃蒸汽通过气敏元件的表面时,会发生热化学反映,使电阻阻值发生变化。由此敏感元件与电阻组成的平衡电桥桥路失去平衡将非电量转换成电信号，其大小与被测气体浓度成一定比例，通过测量这一变化，就可知被测气体浓度的大小。开启主、副电源，预热约5分钟后，用浸有酒精的棉球靠近传感器，并轻轻吹气使酒精挥发并进入传感器金属网内，同时观察电压表的数值变化，它反映了传感器AB两端间的电阻随着发生了变化。说明MQ3检测到了酒精气体的存在与否，如果电压表变化不够明显，可适当调大差动放大器的增益。图2.3.22、工作原理图：二、差分放大电路的设计与应用（一）差分放大电路的简介1、电路的主要类型 （1）按输入输出方式分：有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出四种类型。 （2）按共模负反馈的形式分：有典型电路和射极带恒流源的电路两种。 2、电路的主要特点 （1）电路结构具有对称性 -两个晶体管的参数相同，电路两边完全对称。 （2）抑制零点漂移 由于电路两边完全对称，两个晶体管集电极的零点漂移也相等，双端输出时电路的零点漂移为零；单端输出时射极电阻RE的共模负反馈具有抑制零点漂移的能力。即 差分放大电路 利用电路的对称性和共模负反馈抑制零点漂移。 （3）抑制共模信号当两个输入信号为大小相等、方向相同的“共模信号”时，由于电路的对称性和共模负反馈的作用，输出共模信号很小。双端输出时，输出共模信号近似为零。（4）放大差模信号当两个输入信号为大小相等、方向相反的“差模信号”时，由于电路的对称性，两个输出端有大小相等、方向相反的“差模信号”输出。双端输出时，输出差模信号等于两边输出电压之和，即该电路对差模信号有较大的放大能力。 （5）共模抑制比 KCMR差分放大电路对差模信号有较强的放大能力，而对共模信号有较强的抑制能力。即差模放大倍数 Aud大，而共模放大倍数Auc小。为了综合评价差分放大电路性能定义共模抑制比KCMR=Aud/Auc,KCMR越大越好。（二）差分放大电路动态分析方法1、小信号差模特性 按差模信号的性质画出差模等效电路，分析计算差模电压放大倍数、差模输入电阻和输出电阻。，当电路输入差模信号时，流过射极电阻 R E 的信号电流等于零。分析差模电压放大倍数时射极按“交流地”处理，分析差模输入电阻时射极电阻 R E 按开路处理。根据电路的对称性，双端输出时负载电阻折半处理，单端输出时负载电阻不必折半。 2、小信号共模特性 按共模信号的性质画出共模等效电路，分析计算共模电压放大倍数、共模输入电阻和共模抑制比。当电路输入共模信号时，流过射极电阻 R E 的信号电流等于单管射极电流的两倍，共模等效电路中的射极电阻按 2 R E 处理。 3、任意输入信号分解 如果电路的两个输入信号既不是差模信号又不是共模信号，这时可将两个任意输入信号uI1和uI2 分解成差模和共模两种性质的输入信号。 uI1=uI+uId/2, uI1=uI-uId/2其中uId=uI1-uI2，uIc=(uI1+uI2 )/2电路的总输出信号为： 差分放大电路的单端输入方式相当于双端输入方式时uI1或uI2等于零的情况。4、大信号特性 当输入信号在 26mV 范围内，电流与电压之间有良好的线性关系。当输入信号超过 100 mV 后，两个放大管的电流几乎不再随输入电压变化，出现了一个管子进入截止区，而另一个管子的电流则接近 I E （ = I E1 + I E2 ）的情况，这是很有用的限幅特性。如表2.3.1所示表2.3.1典型差分电路的技术指标双端输出 单端输出AudAuc0KCMRRid(2Rc+2rbe)Ric两个输入端分别各用一个信号源时为： ； 两个输入端共用一个信号源时为： Ro2RcRc（三） 差分放大电路设计原理1、电路图图2.3.12、电路设计原理：在保持共模抑制比KCMRI不变的前提下，可实现差动增益连续可调，电路中四个电阻R2和两个电阻R1的阻值必须分别相等，图中给出了典型应用时的数值，仅供参考，调整电位器R3，可实现连续调整电压放大倍数，若增益调整电阻R3调到5，相应的比值R2/ R3=104 ，此时电压的放大倍数AV = 104（2R2/ R1），虽然该电路增益的调整范围很宽，而且调整方便，但需强调指出，电压增益不能过大，因为当其增益大到V0接电源电压时，输出电压将出现严重的非线性失真，另外，在引脚1、8之间引入了RC补偿支路，在引脚5、6之间也引入了补偿电容C2，用以提高电路的稳定性，防止产生寄生振荡。该电路的基本关系为 V0= （2 R2/ R1）（1+ R2/ R3）（Vi1- Vi2） AV=V0/（Vi1-Vi2）= （2R2/ R1）（1+ R2/ R3）当R1=10K，R2=50，R3=5K时，AV = -110。3、工作原理图：图2.3.2图2.4.124电桥平衡一、电桥原理 测量电路有多种，最常用的是桥式测量电路。R1、R2、R3、R4四个电阻依次接在A、B、C、D （或1、2、3、4）之间，构成电桥的四桥臂。电桥的对角AC接电源，电源电压为E；对角BD 为电桥的输出端，其输出电压用UDB表示。可以证明UDB与桥臂电阻有如下关系：UDB = E（ ）若4个桥臂电阻由贴在构件上的4枚电阻片组成，而且初始电阻R1 = R2 = R3 = R4，当输出电压UDB = 0时，电桥处于平衡状态。构件变形时，各电阻的变化量分别为R1、R2、R3、R4。输出电压的相应变化为：UDB+UDB = E( )在小应变 1的条件下，可以证明桥路输出电压为：UDB =（+）如果R仅由机械变形引起、与温度影响无关，而且4枚电阻片的灵敏系数Ks相等时，根据 ，可以写成：UDB = Ks（1234）如果供桥电压E不变，那么构件变形引起的电压输出UDB 与4个桥臂的应变值1、2、3、4成线性关系。式中各是代数值，其符号由变形方向决定。一般拉应变为正、压应变为负。根据这一特性：相邻两桥臂的（1、3或 2、4）符号一致时，两应变相抵消；如符号相反，则两应变的绝对值相加。相对两桥臂的（ 1 、2或 3、4）符号一致时，两应变的绝对值相加；如符号相反，则两应变相抵消。实验如果能很好地利用电桥的这一特性，合理布片、灵活组桥，将直接影响电桥输出电压的大小，从而有效地提高测量灵敏度、并减少测量误差。这种作用称做桥路的加减特性。电阻应变仪是测量应变的专用仪器，桥路输出电压UDB的大小，是按应变直接标定来显示的。因此与UDB对应的应变值仪仪可由应变仪直接读出来。二、组桥方式一般贴在构件上参与机械变形的电阻片称做工作片，在不考虑温度影响的前提下，应变片接入各桥臂的组桥方式不同、与工作片相应的输出电压也不同。几种典型的组桥方式如下：1、单臂测量只有一枚工作片R1接在AB桥臂上。其它3个桥臂的电阻片都不参与变形应变e为零。这时电桥的输出电压为：UDB =（）=Ks（1）单臂测量的结果UDB代表被测点的真实工作应变。2、半桥测量 两枚工作片R1、 R2分别接在相邻两个桥臂AB、BC上。其它两个桥臂是应变仪的内接电阻。这时电桥的输出电压为：UDB =（ ）=Ks（12）3、对臂测量 两枚工作片R1、 R3分别接在对臂AB、CD上。温度补偿片R2、 R4分别接在其它两对臂BC、AD上。这时：UDB =（+）=Ks（13）一般贴在构件上参与机械变形的电阻片称做工作片，在不考虑温度影响的前提下，应变片接入各桥臂的组桥方式不同、与工作片相应的输出电压也不同。几种典型的组桥方式如下：4、单臂串联测量 两枚串联的工作片2R接AB臂。而两枚串联的温度补偿片2R接BC臂。其他两个桥臂接仪器的内接电阻这时：UDB=（）工作片串联后R1 = 2R，同样R1= 2R ，因此UDB的测量结果不变，与两枚阻片电阻变化率的平均值成正比。图表2.4.1典型的组桥方式如下：（- -工作片；- -补偿片；- -内接电阻） 表2.4.1组桥方式组桥图输出电压 UDB桥臂系数 B温度补偿单臂测量Ks(1)1BC臂需接一枚补偿片R半桥测量Ks(1-2)1=-2时B=2不需接补偿片温度影响自动消除对臂测量Ks(1+3)1=3时B=2非工作对臂接补偿片续表2.4.1全桥测量Ks(1-3+1-3)1=-2=3=-4时B=4不接补偿片,温度影响可自动消除串联测量()B=1阻值与工作片相会地补偿片串联后接BC臂三、温度补偿温度补偿是运用桥路的加减特性，合理布片、有效利用温度补偿片正确组桥，以消除温度给应变测量带来的影响。下面讨论桥路原理在温度补偿中的几种典型应用。1、单臂测量工作片R1接AB臂，温度补偿片R2 接BC臂，剩下的两个桥臂是不参与变形的内接电阻。由于温度的影响，这时电桥的输出电压为：UDB = （）+(R1/ R1)T(R2/ R2)T相邻两桥臂的电阻片因温度变化引起的电阻变化率：(R1/ R1)T= (R2/ R2)T。根据桥路特性二者在桥路中相互抵消。从而使DUDB 消除了温度的影响。即：UDB =（）2、半桥测量 两枚工作片R1、 R2分别接在相邻的两个桥臂AB、BC 臂上，其它两个桥臂是应变仪的内接电阻。这时电桥的输出电压为：UDB =（+(R1/ R1)T+(R2/ R2)T）R1、R2的温度电阻变化率相等，即：(R1/ R1)T=(R2/ R2)T。根据桥路特性，二者在桥路中相互抵消。从而不必接温度补偿片就消除了温度的影响。这时桥路的输出电压为：UDB =（）3、对臂测量两枚工作片R1、 R3分别接在对 臂AB、 CD 上；两个温度补偿片R2、 R4。分别接其他两对臂BC、AD上由于4个电阻片都处于同一温度条件下，而且各电阻片由温度引起的电阻变化率相等，温度影响即在桥路中相互抵消。这时电桥的输出电压仍为：UDB =（+ ）4、全桥测量 4枚工作片R1、 R2、R3、 R4依次接在电桥的4个桥臂上。由于各工作片由温度引起的电阻变化率相等，温度影响在桥路中相互抵消。这时：UDB=（+- ）四、读数修正应变仪是应变测量的专用仪器。应变仪测量电路的输出电压UDB 是被标定成应变值仪 直接显示的。与电阻片的灵敏系数KS相对应,应变仪也有一个灵敏系数K仪，多数仪器的K仪是可调的，测量时一般经过调节令K仪 = KS，这样应变仪的读数值仪与桥路输出的应变值测相等,即仪 = 测不必修正。某些应变仪的K仪是固定不变的不能调节，当K仪KS时，读数值仪 会存在一系统误差，必须按下式进行修正，即：K仪仪 = KS测 。此时桥路输出的实际应变值应为：测=E仪五、桥臂系数同一个被测值，由于布片和组桥方式不同，桥路的输出电压UDB有很大的不同，与单臂测量相比仪 将不同程度的被放大。即测量灵敏度有不同程度的提高。为说明这种变化，测量灵敏度的大小一般用桥臂系数B来表示。定义如下：B =仪/单 ,仪-应变仪指示的应变值（K仪 = KS时）,单 - 被测点的真实应变值，单 一般由单臂测 量测定。 2.5低通滤波器图2.5.1阶线性相位低通滤波器的拓扑结构一、针对音频系统，采用GIC方法，设计出了高性能的低通滤波器 广义阻抗变换滤波器的特点用广义阻抗变换的拓扑结构来设计滤波器，给设计者带来了很多方便，可以使设计者很容易地从无源滤波器的设计中实现有源滤波器的功能；广义阻抗变换滤波器具有非常好的低失真、低噪声的特性，且价格也较合理，与人们熟悉的反馈滤波器相比（例如SallenKey滤波器拓扑结构），有更好的噪声和增益特性，非常适合在音频系统和DSP系统中应用；GIC滤波器有很好的线性相位特性，在音频系统中采用这种滤波器可以大大改善声音质量 二、无源网络滤波器及其有源变换本设计是基于一个3阶线性相位低通无源T型滤波器，其拓扑结构如图2.5.1所示这是一个截止频率1 rs的归一化设计，它既不是Butterworth响应，也不是Bessel响应，而是一个介于二者之间的滤波器。图2.5.2 3阶线性相位低通滤波器的有源变换图2.5.1 3阶线性相位低通滤波器的拓扑结构通过计算机模拟和经验分析，找到了线性相位和截止频率衰减等性能得到优化的元件值将这个无源网络所有的元件乘以1s因子，图2.5.1的无源网络就变为有源网络，所有的电感变成电阻，所有的电阻变成电容，所有的电容变成依赖频率的负阻抗（FDNR）这些负阻抗的特性阻抗为1（s2 C）电路中的负阻抗可以用广义合成阻抗（GIC）电路来实现这样L1变成R1，C2变成1（s2 C），L3变成R3，R4变成C4如图2.5.2 三、有源网络的实现及参数确定图2.5.2中1s2 C是一个依赖频率的负阻抗，可以采用布鲁吞（Bruton）提出的广义合成阻抗（GIC）电路来实现其电路如图2.5.2示图2.5.3 FDNR的GIC的实现其中，FDNR的值为：假设R11R121，C13C151，那么D的值仅由R14来决定对于图2.5.2的FDNR电路来说，R140874 6整个3阶滤波器如图4所示这种无源网络的有源实现是针对截止频率1 rs的电路设计的为了使滤波器具有我们所期望的截止频率，必须按照理想的截止频率和合理的元件值对各元件值进行修正对于音频设计来说，截止频率为20kHz但是，线性相位滤波器衰减较慢，在截止频率之前的通带内要引起12dB的衰减；而通常的音频系统频率响应达到20kHz，并且通带内的衰减要控制在01dB以内因此，在音频系统中，防混频滤波器的截止频率一般设为40kHz才能达到 要求若截止频率取40kHz，电路中所有电容都要除以频率标定因子2fc，使1F电容值变为398F由于大电容和小电阻给实际应用设计带来困难，因此，电路中的电阻要进行阻值变换当电阻值变化时，电容值也要作相应的调整，这样才能保证滤波器的截止频率保持不变其方法为：首先，选定易于购买的小电容值，然后，将电路中的所有电阻乘以阻抗调整因子，值由下式确定：图2.5.4 3阶线性相位LPF