仪器仪表电路课程设计实训.docx

武汉理工大学仪器仪表电路 课程设计 仪器仪表电路课程设计任务书学生姓名： 林静初 专业班级： 测控1302 指导教师： 魏莉 工作单位： 机电学院测控系 题 目: 仪器仪表电路课程设计 5 KHz正弦交流驱动信号长线nnn输出正弦0-40mVP-P0-20mm铁芯初始条件：某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（如图所示），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。要求完成的主要任务:1、设计方案与分析（可供选择的两种以上方案的比较和选择论证）；2、各个模块电路原理图的设计（5kHz正弦驱动信号和相敏检波所需参考信号产生电路 必须自己设计，三位半数显部分选做，做者加分）；3、各个模块电路参数的计算（必要的设计计算，元器件型号及数值选择等）；4、各个模块电路仿真（要求至少其中一个模块电路仿真成功）；5、按规范撰写课程设计说明书（4000汉字以上打印），说明书最后要求附元器件清单及价格，完成设计项目经费预算。 6、一张符合有关标准的完整电路原理图（A3以上，画在正规图纸上），鼓励用电路CAD软件设计电路原理图。 时间安排：序号设计内容所用时间1查找资料，方案比较和确定2天2硬件设计4天3电路仿真和方案调整，撰写设计说明书3天4答辩1天合 计10天指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目录1绪论.12方案论证与原理分析.2 2.1方案论证.2 2.2原理分析.23单元电路设计.3 3.1 RC正弦振荡器.33.1差动放大电路.4 3.3开关式相敏检波电路.5 3.4低通滤波器.6 3.5 直流放大电路. 74电路调试与仿真. 85小结与体会. .96参考文献. 107元件清单. 111 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，测控电路可以是整个的测控系统的精度提高，误差减小。本次课设我们的任务就是对一个位移传感器得到的信号进行处理。某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040mVP-P（如图所示），要求将信号处理为与位移对应的0-2V直流信号，以便供三位半数显表头显示。因此各个部分所采用的是三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。2 方案论证与原理分析2.1 方案论证方案一：通过一个三运放高共模抑制比放大电路对输出信号进行放大，然后通过一个精密相敏检波电路对其进行检波，最后通过一个低通滤波器对其进行滤波，最终达到一个恒定的电压值。方案二:先通过一个双运放高共模抑制比放大电路，然后通过一个开关检波电路对其进行检波，最后通过一个低通滤波器进行滤波，最后达到恒定的电压。方案分析：由于双运放高共模抑制比放大电路具有良好的共模抑制能力且相对三运放高共模抑制比放大电路结构简单容易链接，而且相对精密检波电路来说，开关式检波电路更简单一些，因此我选择了方案二。2.2 原理分析由传感器得到的正弦电压信号，首先通过一个RC正弦波振荡器产生正弦信号，再经传感器转换后输出，然后用差动放大器对其进行放大，用相敏检波电路对其进行检波，再通过低通滤波器对其进行滤波，最后通过直流放大电路对其进行放大。 正弦波振荡器 传感器 差动放大 直流放大 相敏检波低通滤波 3 单元电路设计3.1 RC正弦波振荡器 RC正弦波振荡器是由电阻R和电容C元件作为选频和正反馈网络的振荡器。RC文氏电桥震荡电路可以建立震荡并且利用反向并联二极管实现稳幅。 图3-1a RC文氏电桥震荡电路 由A=R4+R5/R13 3-1取R1=1k, R5=1.6k, R4=2k 的滑动变阻器由于存在零点残余电压，会对电路的准确性造成影响，故采用补偿电路。其中电阻和电容可以减少电路电势差和相位差，反馈支路可以提高线性性，减少谐波分量。图3-1b 补偿电路3.2 差动放大电路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双运放高共模抑制比放大电路。电路图如图3-2所示。图3-2 同相串联型放大电路如图中取R2=R3=1K,根据下列公式 Uo1=1+R12R10Ui1 3-2Uo1-Ui2R11=Ui2-UoR9 3-3Uo=1+R9R11Ui2-1+12R11R9R11Ui1 3-4去掉共模电压，得 Kd=1+R9R11 3-5放大100倍，所以R1=R4=99K.这种电路采用了两个同相输入的运算放大器，很好的抑制了共模电压。3.3 开关式相敏检波电路 由于包络检波原理简单、电路简单，在电路中有广泛的应用。但是磁心由它的平衡位置向上或向下移动同样的量，传感器的输出信号幅值相同，只是相位差180，从包络检波电路的输出无法确定磁心上下移动，而且包络检波本身不具有区分不同载波频率信号的能力，所以我选择了相敏检波，在相敏检波里开关式类的相敏检波电路比较简单，因此选择了开关式的。用相敏检波需要一个载波信号，载波信号需要和调幅信号有相同的频率，所以我用一个过零比较器来产生方波信号。下图3-3为开关式相敏检波图。图3-3 开关式相敏检波取R1=R2=R5=5K,在为正的时候，同相输入端被接地，只从反相输入端输入，放大器的倍数为-1，在为0的半周期,V截至，同时从同相和反相输入端输入，放大的倍数为+1。3.4 低通滤波器由于位移传感器产生的调试信号的频率比较低，约为30Hz左右。而低通滤波器容许低频信号通过，但减弱或减小频率高于截止频率的信号的通过。RC滤波器具有电路简单、抗干扰性能强，有较强的低频性能，电阻、电容元件标准、易于选择的特点。因此，在测试电路中，我选用一阶有源RC低通滤波器。理想低通滤波器器能够让零频（即直流）到截止频率fc之间的所有信号毫无损失的通过，而高于截止频率fc的所有信号都将消失。滤波电路图如下3-5。图3-4 一阶有源RC滤波电路取R5=5K,=30Hz,根据公式 3-6 求得C=1uF.3.5 直流放大电路由于滤波后的直流电压为0.67V，而题目要求为2V，故加入一个同相放大电路进行放大。图3-5直流放大电路由公式K=1+RfR1 3-7取R1=67 ， R2=133 4电路调试与仿真按单元电路在Multisim中连线进行仿真，下面是仿真的电路图和仿真图。图4-1 仿真电路图 图4-2 差动变压传感器电路及差动放大电路波形图可以看出，经过差动变压传感器电路输出电压为21mV左右，而在差动放大电路放大后变为2V左右，放大了100倍。波形较正弦波有失真，判断是补偿电路的参数值没有调好。 图4-3 滤波后及同向直流放大后波形图、用万用表测得的电压滤波后得到约0.67V的直流电压，经同向放大电路放大后最终为1.999V,符合设计要求。 5 小结及体会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。 总的来讲，我对各部分测试电路有了更清晰的认识，如放大电路、检波电路、滤波电路等，对其中差动电桥、运算放大器、相敏检波器、低通滤波器的结构原理及参数选择有了更进一步的了解。通过本次课设锻炼了我的实际操作能力，使我所学的理论知识有了实用的价值，得以与实践操作充分结合。因此在以后的学习生活中，我将更努力地学习理论知识，同时注重理论和实践的结合。 6 参考文献1程开明.模拟电子技术.重庆：重庆大学出版社，1993.2张国雄.测控电路.北京：机械工业出版社，2011.3刘迎春、叶湘滨.传感器原理与应用.长沙:国防科技大学出版社,2006 4孙传友，孙晓斌.测控电路及装置.北京：北京航天航空大学出版社，2002.5 史健芳、陈惠英、李凤莲. 电路分析基础.北京：人民邮电出版社6吴运昌.模拟集成电路原理与应用.广州：华南理工大学出版社，1995.7 元件清单表7-1 元件清单数量描述标号价格7LM-324ADU1, U2, U3, U4, U5, U7, U82元1POTENTIOMETER, 10kR10.5元1RESISTOR, 5.0kR20.1元5RESISTOR, 5kR3, R11, R12, R13, R160.1元1RESISTOR, 1kR40.1元5RESISTOR, 1.0kR5, R6, R7, R14, R150.1元1RESISTOR, 100kR80.1元1RESISTOR, 50kR90.1元1POTENTIOMETER, 200kR100.5元1TRANSFORMER, 1P2ST10.5元1POWER_SOURCES, GROUND00.5元1OPAMP_3T_VIRTUAL, U61元1CAPACITOR, 1FC10.3元1POWER_SOURCES, VCCVCC0.2元1POWER_SOURCES, VEEVEE0.2元1RESISTOR, 3.00kR170.1元1RESISTOR, 1.00kR180.1元1RESISTOR, 3.0kR190.1元2CAPACITOR, 0.01FC2, C30.3元1RESISTOR, 1.6kR200.1元3P