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精品文档任务一：电容传感器电路的仿真（5天）一、主要内容及步骤理解电容传感器电路的主要构成及其工作原理，并应用multisim软件对电容传感器电路进行仿真分析，步骤如下：1、理解电容传感器电路的工作原理。2、熟悉multisim软件的基本使用方法。3、在multisim环境中构建电容传感器电路。4、对电容传感器电路进行仿真分析。二、电容传感器电路 电容传感器电路实现了对电容式传感器的电容值的检测。当传感器电容值变化时电路的输出也会产生相应的变化。在本次仿真研究中应用RC振荡电路产生正弦电压信号，应用交流型电容电压转换电路实现由传感器电容值到正弦电压信号幅值的转换，应用整流滤波电路实现交直转换，应用差动及反向放大电路对直流电压信号进行处理，最后应用电压电流转换电路实现420mA电流输出。 1、交流型C/V转换电路 正弦信号Vi对被测电容C2进行激励，激励电流流经由反馈电阻R3,反馈电容C1，和运放组成的检测器转换成交流电压 Vo。 Vo=-jR3C2jR3C1+1Vi当jR3C11时，有Vo=-C2C1Vi 此时，输出电压值正比于被测电容值。振荡电路2、电路结构图C/V转换电路整流滤波电路放大电路V/I转换电路 在本任务中，除使用指定的C/V转换电路外，其它各部分电路的实现形式不作限制。三、电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。平板电容器是由两个金属极板、中间夹一层电介质构成的。当忽略边缘效应时，其电容器的电容量为 C=A1*A2*S/D=A*S/D式中：A1真空介电常数 A2相对介电常数 A电容极板间的介电常数 D极板间的距离 S极板正对面积由式可知，要想使电容器的电容量发生变化，有三种方法：改变面积（S）、改变极距（D）、改变介质（A）四、具体电路图与分析（1）总体结构连线图XSC# 示波器 XMM 万用表 GND 接地端（2）振荡电路（zd）产生正弦波信号，采用文氏桥式RC振荡器，起振条件：R5+R22R3，振荡频率F0=1/(2RC)，C1、C2取值在nf级，且取在130nf之间为宜，相对地C1、C2取值越小F0越大，正弦信号产生迅速。D1、D2作用：为了使输出幅度稳定，同时在运放反向端加入负反馈支路，支路中D1、D2起稳幅作用，当输出幅度增大时，处于导通状态的二极管的正向压降随之增大，正向电阻减小，使负反馈深度加深，迫使输出减小，达到稳幅的目的。R5用于调节负反馈的大小，以便使输出符合设计要求，此处R5取40%左右电阻量适宜，过大过小都会产生振荡发散。（3）C/V转换电路（cv）此处我采用了一个补偿电容C7，使得对可变电容地变化范围可控，同时改变C7、C3可以调节零点和C4地测量范围（具体见第五部分方案一）。具体操作时：R3取值尽量大，C1最好与振荡电路中电容级别一致，保证较快的响应速度（原因见第二部分讲析）。（4）直流滤波电路（zllb）整流电路的任务是将交流电变换成直流电。二极管具有单向导电特性，可以将交流变换为单一方向的直流，此处采用桥式整流电路。滤波电路是尽量降低输出电压的波纹，同时还要尽量保留其中的直流成分，使输出电压更加平滑，接近直流电压。电容器和电感器是基本的滤波元件，主要利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器两端的电流不能突变的特点，此处采用电容型滤波电路。具体操作时：C5、C6相等且为nf级以保证高响应速度，R8取值尽量大，才能达到平稳的电压输出信号。(5)放大电路（fd）放大电路（差动比例运算电路）：当R9=R11、R10=R12时，I02=K*（I03-I01），K=R12/R11。（I03-I01）前向整流滤波电路的输出电压K放大倍数具体操作时：K的取值取决于输入输出信号所需满足的比例关系，R11、R12的取值最好在千欧级以接近理想运放的虚短条件。（6）V/I转换电路（vi）采用同相输入的电压/电流变换器。设流过R16两端电流为i，同相端输入为Ui。则 i*R14=U-=Ui i=Ui/R14=K*Ui （K=1/R）由于 Ui=15V，i=420MA所以 R14=250欧图1：振荡电路产生的正弦波信号图2：振荡电路产生的正弦波与其经C/V转换后形成的正弦波信号叠加图3：可变电容量在10%,90%时放大电路输出信号波形与V/I输出电流值五、零点调整与量程调整方案一：改变C/V转换电路中的C7和C3值，达到零点调整和量程调整。 原因：信号经过C/V、整流滤波、放大、V/I环节，输入输出都成线性关系。如图：C7=1.75nf C3=10nf C4=8.25nf（不变）零点未迁移前当C4=8.25*10%=0.825nf时，对应输出1V-4MA. 此时，设A=（C7+C4）/C3=0.2575，对应输出1V-4MA. 零点未迁移前当C4=8.25*90%=7.25nf时，对应输出5V-20MA. 此时，设B=（C7+C4）/C3=0.9175，对应输出5V-20MA. 零点迁移后，设此时迁移至8.25*20%，即C4=1.65nf 要求：C4=1.65nf时，对应输出1V-4MA. C4=7.25nf时，对应输出5V-20MA. 此时只能调整C3、C7的值满足线性关系 设此时调整C7=X，C3=Y A=（C7+C4）/C3=(X+1.65)/Y=0.2575 B=（C7+C4）/C3=(X+7.25)/Y=0.9175 解上列方程组可得：X=0.6nf，Y=8.75nf 故，将C7，C3调整为上面值即可得到正确输出。（以上方法适用在已知零点偏移量的情况）若只知道迁移以后的零点输出Z，则可以由C=（1.75+X）/10=(0.9175-0.2575)*Z/4+0.0925求得X=8.25*n%,即X为迁移后的零点位置。再由上面介绍的方法即可求得C7，C3的调整值。方案二：改变放大电路的放大倍数和添加附加电源，达到零点调整和量程调整。 原因：信号经过C/V、整流滤波、放大、V/I环节，输入输出都成线性关系。 对于放大电路（差动比例运算电路）：当R9=R11、R10=R12时，I02=K*（I03-I01），K=R12/R11。（I03-I01）前向整流滤波电路的输出电压K放大倍数如图：零点未迁移：I02=K*X=15V，（I03-I01）= X 零点迁移后：（I03-I01）范围发生变化，I02=K*（I03-I01）15V 可以通过改变K值和添加附加电源达到输出要求设：输出I02=Y，输入（I03-I01）=X1，调整后K=K1则有Y=K1*X1+B所以K1=K*（MAX（X）-MIN（X）/（MAX（X1）-MIN（X1）=4/（MAX（X1）-MIN（X1）（调整后放大倍数） B= 5-K1*MAX（X1） （附加在I01端电压值）例如：若零点迁移前（I03-I01）=X=0.21V，K=5若零点迁移后（I03-I01）=X1=0.41V则 K1=20/3，B=-5/3则 Y=20*X/3-5/315V应用如下：如图：为零点调整和量程调整电路输入信号为整流滤波的输出信号，输出信号为15V直流电压信号。当XHH6示数不为零时则出现零点迁移，此时改变滑动变阻器R38使得XHH6示数为零，经减法器后R32导线上无电压，此时由V1提供1V电压使得输出为1V（对应4MA），即达到零点调整。零点调整后还要调整放大倍数使得在特定范围得到15V输出信号。此时即可使用方案二的方法，通过调节R31得到合适的放大倍数，在此次应用中无须附加电压B，因为在减法器中已经把迁移量屏蔽掉了！方案三：改变V/I转换电路的R14和添加附加电源，达到零点调整和量程调整，原理同方案二。任务二 铂电阻温度变送器制作(6天)一、 实验设备和元件 DT9208万用表一只 ，+5/24V 万能电路板一块 ，镊子一只， 导线若干， XTR106 OPA2277芯片各一个， 电阻若干，变位器2个，电容一个，二极管，三极管各一个，滑动变阻器5个，焊烙铁等二、 实验内容及步骤1、 回顾两线制变送器的工作原理，理解两线制变送器电路设计的原则。2、 了解电阻式传感器原理、测量转换线路，熟悉万用表、电路板、电烙铁等功和原材料的使用方法。3、 阅读XTR106芯片厂家英文资料，掌握芯片基本工作原理。阅读OPA2277芯片工作原理。4、 分析一下电路的工作原理。桥路电阻要求采用100电阻，传感电阻模拟PT100热电阻阻值。5、 利用万能电路板搭建上述电路。6、 上述电路具有调整零点、量程功能，7、 进行变送器性能测试。进行负载实验，给出负载范围，考虑如何实现PT100热电阻温度变送器的功能，包括非线性补偿问题该如何处理，并实现非线性补偿，测试补偿前后的变送器特性。8、 测试变送器的线性工作范围及其非线性误差。三、 铂热电阻的非线性铂热电阻具有测量精度高、测温范围宽、稳定性好等优点，但铂热电阻是一种非线性测温元件。根据国际电工委员会提供的数据，铂热电阻的电阻-温度关系式为：其中，A=3.9080210-3；B=-5.80210-7；C=-4.2735010-12。显然，随着测量范围的增大，非线性越来越严重。当温度测量范围为-200850时，铂热电阻的最大非线性达到4.6%。当然，减小温度测量范围，将使非线性减小。但是，当精度要求高或测温范围宽时，就必须解决非线性问题。四、 不平衡电桥的非线性常用的不平衡电桥测温电路如图31所示，图中Rt为铂热电阻。由图31可知，这时，输出电压U0与传感器电阻的变化量Rt/（R0+R1）近似成线性关系，此时对测量精度的影响较小。但随着传感器电阻的相对变化量Rt/（R0+R1）的增大，非线性误差越来越大 ，因而极大地影响了电桥的测量准确度。另外，由式（32）可知，电桥输出电压U0与电桥供电电源的电压成正比关系，因此，供电电源电压的波动也将直接影响测量精度。铂热电阻的非线性和不平衡电桥的非线性都给最后的温度测量带来一定的非线性误差 。所以，当精度要求高或测温范围宽时，就必须解决这个线性化问题。五、XTR106的工作原理XTR106是高精度、低漂移、自带两路激励电压源、可驱动电桥的420 mA两线制集成单片变送器，它的最大特点是可以对不平衡电桥的固有非线性进行二次项补偿，它可以使桥路传感器的非线性大大改善，改善前后非线性比最大可达201。其原理框图如图41所示。图中，VREF为两路精密基准电压源2.5V和5V，基准电压源的精度为0.05%；VREG提供大约5.1V的电压源，可带2.5mA的负载电流，若超过2.5mA会影响4mA的零点输出电流；RG为外接量程控制电阻。XTR106的使用要求：a.整个电路的电压电流传递函数为：其转换精度为0.05%。 b.电源电压范围宽：7.5V36V。当桥路非线性大于3%，且用5V基准电压源作为桥路激励时，要求电源电压为8V36V；c.当用在高精度场合时，需要外接一个NPN三极管，将外部电源电流与消耗严格地分开 ，这可大大降低XTR106的内部功耗及发热，减少热漂移，从而提高了性能。由于这个外接三极管位于反馈回路中，其参数要求如下：VCEO45V，min=40，PD=800mW。当对精度要求不高时，可直接在8脚与6脚之间连接一个3.3k的电阻。d.由于XTR106由单一电源供电，为了保证工作在线性区域，要求输入端相对公共地6脚的电压满足：的增加而提高，所以为了提高测量精度，应尽量使VIN大一些，VIN应满足：0VIN2.4V。当VIN t=0:0.001:200; Rt=-0.00005802.*t.2+0.390802.*t; U=(1000+5.*Rt)./(26360+66.9.*Rt); U0=(U.*Rt)./(2.*(200+Rt); plot(t,U0) z=0.006032./200.*t; plot(t,U0,t,z) m=U0-z; B1=max(m)B1 = 3.1114e-004 B=B1/0.006032B =0.0516 Rlin=abs(9905*4*B/(1-2*B)Rlin = 2.2788e+003 Rg=2043/43*0.006032*(1+2*B)/(0.0004*(1-2*B)Rg = 881.3105任务三 电路的PCB布线（4天）一：任务一电路图绘制的8管脚芯片，由两个放大电路组成，在PCB板上就是U1 、U2任务一电路PCB电路板图二：任务二电路图绘制的8管脚芯片OPA2277，在PCB板上就是*OPA绘制的14管脚芯片XTR106，在PCB板上就是*XTR106任务二电路PCB电路板图任务四 实习总结通过近半个月的暑期实习我学到了很多专业相关的知识，同时也加深了对测控技术与仪器专业的认识，本次实习是紧张而忙碌的，同时也是充实丰富的。本次实习共分三个阶段：一、电容传感器电路的仿真主要通过学习MULTISIM电路仿真软件实现对电容传感器的设计，使其输出为420MA标准电器信号以供模/数转换，使得仪器仪表能够实现数字信号传输与处理。因此，此项工作着重于仪表所应用的现场的信号采集，然后通过一定的模拟电路实现输出为420MA电流信号。此次设计我采用了分层分模块的设计思路，逐层设计电路、测量参数、调试电路、以得到理想的信号，在设计过程中着重参考了模拟电路的相