传感器转换电路仿真及电荷放大器转换电路设计

燕山大学课程设计说明书题目传感器转换电路仿真及电荷放大器转换电路设计燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）电气工程学院基层教学单位自动化仪表系学号学生姓名专业（班级）自动化仪表3班设计题目传感器转换电路仿真及电荷放大器转换电路设计设计技术参数1测量范围2输出电压010V；3线性度4灵敏度5精度设计要求1学习电路仿真软件CIRCUITDESIGNSUITE1002设计与仿真调试各种传感器转换电路；3设计直流电桥转换电路、放大电路、滤波电路；4应变片转换电路电路调试；5撰写报告、完成答辩。工作量第1719周（完成资料查阅、方案设计、电路仿真、硬件调试、测试及误差分析等内容）工作计划设计时间共10天。第12天资料查阅图书馆及网络；理论工作原理学习。第34天设计方案制定。第56天电路仿真，各器件选型。第78传感器转换电路调试。第910天撰写报告，完成答辩。参考资料张玉龙等传感器电路设计手册中国计量出版社1989年李科杰等新编传感器技术手册国防工业出版社2002年吴桂秀传感器应用制作入门浙江科学技术出版社2004年杨宝清，孙宝元传感器及其应用手册2004年单成祥传感器的理论与设计基础及其应用国防工业出版社1999年殷淑英传感器应用技术冶金工业出版社2008年指导教师签字童凯基层教学单位主任签字谢平说明此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语1、认真、很好的完成课设各阶段的任务。【】2、能够较好的完成课设各阶段的任务。【】3、能够按时完成课设各阶段的任务。【】4、不按时完成课设各阶段的任务。【】成绩指导教师答辩小组评语1、全面、得体的回答老师的提问。【】2、能够简要回答老师的提问。【】3、能够回答部分老师的提问。【】4、不能回答老师的提问。【】成绩组长课程设计总成绩答辩小组成员签字目录一、摘要2二、六种转换电路原理与仿真321比例放大电路322差动放大电路423直流电桥电路624交流电桥电路925二阶低通滤波器电路1026整流电桥电路12三、电荷放大器转换电路设计1431基本原理1432参数设计1633仿真结果1634改进17四、心得体会18五、参考文献18一、摘要电荷放大器是压电传感器标定和压电测试系统的重要组成部分。可以有效的转换压电式传感器的输出量，本文在MULTISIM仿真软件中，仿真练习了各种转换电路，并得到了与理论数据相符的仿真结果，在此基础上，设计仿真了电荷放大器的电路，并考虑了一些实际因素，对其基本原理图作出改进，以消除实际因素的干扰，得到较好的电荷放大作用。关键字MULTISIM仿真软件；电荷放大器；零漂；截止频率二、传感器转换电路仿真传感器转换电路是二次仪表，可以把传感器的输出量转换成显示仪表的可控制量，起着重要的转换作用。21反相比例放大电路211原理如图1所示，输入电压通过作用于运放的反向端，跨接1R2R在运放的输出端和反向端，同向端接地。由运放的虚短虚断可知12VAIO的存在可以防止零漂，可以使运放的同向端和反向端输入3R电阻相同。21/图1212参数设计电源电压。,102,1KR10R2AV,0MU213仿真结果在仿真中，输入，可以得到示ULTISMM60,10VIHZF波器的仿真输出如图2所示。图2214改进可以看到在开始的时间里波形不同，这是由于输入电压与电源之间存在着一定的相移，使波形失真，消除或抑制正交分量的方法是采用相敏检波器。22差动放大电路221原理如图3所示电路是用来实现两个电压相减的差动放大电路，21,IV它是反向端和同向端输入相结合的放大电路，在理想运放条件下，利用虚短和虚断的概念，在的条件下，输出电压4321/R2143IOVRV图3222参数设计使可以方便计算运放的放大倍数，得。KR1043240AV223仿真结果在仿真中，输入，可得到示波器的仿ULTISMMMVVII10,521真输出如图4所示。224改进差动技术是改善传感器性能的一种非常有效的方法，它的应用可以显著减小温度变化、电源波动、外界干扰对传感器精度的影响，有效的抵消共模误差，减小非线性误差，提高灵敏度等。图423直流电桥转换电路231原理应变片把应变的变化转换为电阻的变化，为显示或记录应变的大小，还要把电阻的变化转换为电压或电流的变化，这时候就要采用直流电桥电路来实现微小阻值变化的转换。四臂直流电桥如图5所示，假定电源的电阻为零，当四个桥臂上电阻满足时，电桥平衡。在实际应用中，电桥3412/R后面通常需要接运算放大器，由于运算放大器的输入阻抗都很高，比电桥输出内阻大很多，可以把电桥输出端看成开路，此时电桥的输出电压为43214RUIO图5232参数设计电路电阻值及电源电压值如图5所示，由于运算放大器的输入电阻非常大，所以的阻值要尽量的大，以防支路电8765R，流过小，不能精确显示出直流电桥的电压变化。233仿真结果在仿真中，四臂电桥电阻构ULTISMMKRR12431、成单臂电桥，示波器仿真输出如图6所示。234改进直流电桥还可以变换成双臂差动电桥、四臂全桥的电路，可以提高电路的灵敏度，减小非线性误差。在实际应用中为避免电路其他环节对电桥的影响，常在电桥中加入直流平衡电位器，这样可以减小零点漂移现象，能更好的反应输入和输出的关系。其电路如图7所示。图6图724交流电桥转换电路241原理将电容传感器（用一个可调的电容替代）接入交流电桥作为电桥的一个臂，另三个桥臂为固定电容。再将电桥输出端接到运放的同向端和反向端，放大电桥的输出信号。电桥输出电压为53215ZUIO图8242参数设计该交流电桥适合与高频电源下工作，故电源频率，KHZF10电桥的输出阻抗很高（一般在几兆欧到几十兆欧），输出电压低，必须后接输入阻抗、高放大倍数的处理电路。在电桥电路中，调节电容的大小，可看到不同的输出波形。5C243仿真结果当的值减小10时，电路的仿真波形如图9所示。图9244改进电容电桥高频交流正弦波供电，电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，所以可以采用稳幅、稳频措施。电桥通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性会增大。电桥中固定电容的两个桥臂可采用紧耦合电感臂，这样电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小。25二阶有源低通滤波电路251原理理想的滤波电路的频响在通带内有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零，如图11所示，二阶低通滤波电路是由两节滤波电路和同相比例放大电路组成，电路的输入阻抗很高，而RC输出阻抗很低。二阶低通滤波电路的电压增益就是同相比例放大电路的电压增益，即IOUR341其截止频率为CF2图11252参数设计为方便计算，使由上面公式，可得出其上限频率21CR，。输入电源信号为方波。KHZF160253仿真结果当电源频率大于上限频率时，输入的方波产生严重的变形，当输入电源频率小于上限频率时，其输出显示如图12所示。图1226整流电路261原理整流电路主要是利用二极管的单向导电性，即正向导通时电阻为零，反向导通时电阻为无穷大。电路图如图13所示，R1是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管接成电桥形式，由于二极管的是存在，使得电源电压无论是正还是负，电流流过负载电阻的方向总是相同的，从而达到整流的目的。图13262仿真结果仿真结果如图14所示。图14三、电荷放大器转换电路设计压电式传感器的信号调理电路的形式有两种，一种是电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输入电压）成正比，另一种是电荷放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正比，两种前置放大器均能实现把压电传感器的高输出阻抗变换成低输出阻抗，并放大压电传感器输出的微弱信号，这里着重写电荷放大器。31原理电荷放大器实质上是深度负反馈放大电路，其基本电路如图15所示图15把等效到运放的输入端（为对应的电导），得到RFCGFRAFC1只要A足够大，电荷放大器本身的电容大小和电缆长短将不影响电荷放大器的输出。输出电压只取决于输入电荷Q以及反馈电路的参数，当工作频率足够高时RFCCFQU0当工作频率很低时，输出电压不仅与表面电荷，并且与参数0有关，而与开环增益A无关，可以得出电路的截止频率WRFC和的下限为CFRFL21由此可见低频时电荷放大器的频率响应仅决定于反馈电路的参数的值。电阻还提供了直流反馈的功能，因为在电荷放大CFRF器中采用电容负反馈，对直流工作点相当于开路，故零漂比较大而产生误差，为了减小零漂，使放大器工作稳定，应并联电阻。RF其中也可看做是积分电路，可以对输入量电荷进行积分CFR得到对应的输出电压。设计的电荷放大器如图16所示。图1632参数设计压电式传感器在测量时要与测量电路相连接，为了保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，则测量电路应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄露，从而产生测量误差。对于图16的设计电路中构成负反馈通道，作用相215CR当于基本电路中的作用。但为了减小误差这里采用一种新型CFR的积分电路。图17当电源频率可以实现其积分特性，当电源频率212CRF电路具有微分特性，因此对低频信号有衰减作用，212CRF有利于抑制低频干扰及噪声。构成低通电路，设计合理的参数可以有效地抑制低于下3和限频率的交流电源电压通过。33仿真结果由于仿真电路中压电传感器的等效电路无电压的变化，仿真出来的结果与实际的波形有一定的差别。仿真结果如图18所示。图1834改进在高温条件下工作的压电传感器，其本身的绝缘电阻会显著下降，为避免地电场对测试系统的干扰，需要使压电晶体与传感器基座绝缘，这就要求传感器信号线采用双线引出，且电缆外屏蔽线仍与传感器基座相连接，此时单端输入式电荷放大器就无法满足要求，由此可采用差动式输入电荷放大器。可以增强系统的抗干扰能力，抑制共模电压干扰能力，并可把杂散的磁场和电缆噪声的影响减至最小。四、心得体会通过为期十天的传感器课设，我学会了使用MULTISIM仿真软件，在前期的仿真学习中，发现理论知识和实际是有差距的，通过和同学们讨论研究，结合理论知识和实际因素的影响，得出了最终结果，体会颇深，传感器的理论不是特别高深，重要的是一些参数的设计和消除干扰，以达到理想的结果。在理解电荷放大器电路的过程中我查找了很多相关资料，认识了解到电路中各元件的作用，学习到了很多实际知识。五、参考文献1单成祥传感器的理论与设计基础及其应用国防工业