测控电路课程设计 2

1、测控电路和传感器课程设计设计题目：测控电路：开关型振幅调制与解调电路的设 计与调试传 感 器：差动变压器型位移传感器设计 学院： 班级： 姓名： 学号： 目录第一部分：测控电路 一：实验任务、要求及内容.（3） 二：实验过程及原理.(3) 三：分析误差原因.(11) 四：分析电路中产生的故障.（13） 五：实验总结.（13）第二部分：传感器部分 一差动变压器的工作原理（13） 二螺管型差动变压器的结构设计（15） 三螺管型差动变压器的参数计算（15） 四差动变压器的误差（23） 五：实验总结（28） 六：参考文献（28）测控电路部分一：实验任务、要求及内容1任务：利用场效应管的开关特性，实现低

2、频信号的幅值调制与解调，以抑制噪声干扰，提高信噪比。2要求：参考指定的资料，设计出相应的各部分电路，组装与调试该电路，试验其抗干扰性能。3内容：（1）.分析各部分电路工作原理，选择相应的参数。（2）.画出完整的电路图。（3）.分析电路实验中产生的故障。（4）.分析误差原因。4电路参数：调制信号：正弦波 频率<500HZ 幅值<0.1v 。 载波：方波 频率：510KHZ 幅值：57v 占空 比：50%。调制后信号幅值>5v。 5时间安排建议：全部时间一周。其中：设计1-2天，调试2-3天，总结1天安排1天。二：实验过程及原理（一）元器件的可靠性检验：1.运放的可靠性检验：先用

3、运放搭成跟随器，输入正弦信号，用示波器检验器是否跟随；之后用运放搭成反向放大器，输入正弦信号看输出幅值与相位；2.稳压管的匹配：将稳压二极管串联电阻构成稳压电路，接入电源，测其性能参数，选择稳压值相近的两个稳压管。3导线的可靠性检验：把将要用到的导线全部用万用表检测其通断；（二）原理方框图： （三）方波发生电路： 原理图如下： 方波发生电路中，积分电路的电压电流关系: 其中是t=0时电容器已存储的电荷，由ic=-Ii=-ui/R,得到：常量根据初始条件确定，即t=0时，（0）=Q0/C.当输入为常量时，输出为：可见输入为方波时输出为三角波。上图为迟滞比较电路，该电路用的是同向迟滞比较电路。R1

4、=0时，ui接地，UR接输入，Uo接输出，门限电压由求得： 。由稳压管确定.由此我们选定电阻R1=10K，R2=10K，R3=30K，R4=2.2K，电容C=0.01F，稳压管的稳压值为5V。综上所述，该电路前一部分是积分电路，后一部分为滞回比较器。作用：（a）积分电路：利用RC回路的充放电来产生三角波。（b）滞回电路：产生方波，方波的频率为f=R3/4*R1*R2*C。计算可以得到：方波的频率f=7500Hz，方波的占空比为50%。该电路中调节R1，R2，R3的阻值和C的容值，可以改变振荡频率；调节R1，R2的阻值可以改变方波的幅值。知该方波发生电路为调制电路和解调提供开关信号Ua和Ub，进

5、而控制三极管的导通和截止，并且Ua和Ub是一对相位相反的方波信号，则可知该电路后应该接一个反向器用来产生相位相反的信号Ub。方波发生电路的仿真电路如图所示： 方波发生电路产生的方波如下图所示：（四）脉冲平衡调制电路：脉冲平衡调制电路如下图所示，它由两个电子开关，一个运算放大器和两个脉冲信号Ua和Ub组成。电路中电阻均为5.1K，接方波处的电阻为2.2K，放大器处的反馈电阻为10.2K。根据调制电路的中的香农定理，至少要求载波信号的频率大于10倍的调制信号的频率，解调时才可以较好的将调制信号与载波信号分开，检出调制信号，并且由乃奎斯特采样定理：为了保留一个频率分量的全部信息，一个周期的间隔至少抽

6、样两次，即必须保证Ws>=2*Wm或者Fs>=2*Fm。该电路中输入的正弦波的频率f=400Hz，此时方波的脉宽为0.125ms时，则有频率f=4000Hz，满足香农定理的要求，可以防止频率混叠的现象。电路中的电子开关用两个晶体管构成。两个输入脉冲信号Ua与 Ub的幅值和频率相等，相位相反。Ua，Ub如下图所示：当Ua为高电平时，Q1导通，Q2截止，a点接地，运算放大器则处于同向放大状态。其闭环增益为： 2RGI1= = 1 （R+R）当Ub为高电平时，Q2导通，Q1截止，b点接地，运算放大器则处于反向放大状态。其闭环增益为： R 2RGI2 = (1 + ) = +1 （2 R+

7、R） R 由此可见，当增益为GI1时，输出信号为 Ui, 而当第二种状态时，输出 信号为+Ui 。这样，由于两个晶体管受到两个相位相反的脉冲控制，使输入信号Ui的极性不断地“变换”，所以在输出端就得到与输入信号相反的脉冲平衡调制波 调制电路仿真图如下所示： 仿真电路（调制电路）产生的波形如图所示：（五）放大器： 由于调制信号的幅值较小不便于后续的测量，要经过放大电路的放大后再送入解调电路。要求的调制信号的参数：调制信号：正弦波.频率<500HZ ，幅值<0.1v。可知放大5倍，幅值为0.5V，作为解调电路的输入信号。（六）脉冲平衡式解调电路： 下图为双极性振幅调制电路的电路图，在这

8、里研究该电路的解调。图为现行较好的脉冲平衡式双开关解调电路，由两个运算放大器和两个电子开关组成。其中，A2为反向放大器，A1位反向加法器。晶体管Q1和Q2是两个电子开关，C为交流耦合电容，起隔直流作用。反向器A2使A点电压与输入信号反相，B点电压与输入信号相同。由于所有元件全是对称匹配的，所以Ua与 Ub也是反相对称的。Ua与Ub是两个极性相反的脉冲序列，其频率和幅值是相同的。由这两个脉冲信号交替控制电子开关。当 Ua为正电平，Ub为负电平，即电子开关Q4导通，Q3截止时，O点对地短路，B点电压不能输给A2，P点电压可输给A2,其输出为： R6 Uo(t) = - Ua(t) R3+R5 假设

9、ui (t)为正电平，当t从0t1时，输入信号ui (t)由包线路1决定，即由正的载波决定。在Q3截止Q4导通的条件下，ui (t)首先被A1反相，即A点电压uA（t）= ui (t)，将这个关系带入Uo（t）得到：R6 Uo（t）= Ui (t)R3+R5可见，输出ui (t)也是正值，与ui (t)同相位。在A点电压为Ua（t）Ui (t)，Ub（t）Ui (t)。与此同时，控制方波脉冲 Ua与Ub也反向，即Ua为负电平Ub为正电平，电子开关Q3导通，Q4截止。因此P点对地短路，A点电压不能传输给A2，而Q点对地“断路”,B点电压可以传输给A2。所以A2地输出为：R6 Uo（t）= - U

10、i (t)（R3+R5）由方程uo（t）显然可以知道，增益仍然为R6/(R3+R5),与线段1的增益相同。 在电路中，如果取值R6=R3+R5,，则输出曲线与输入信号曲线的包络线相同。而且，由于这是用运算放大器构成的解调电路，所以对小信号也可以得到良好得线性度。 电路中输出所存在的纹波，可以进行适当的滤波。如果输入信号Ui需要阻抗变换以增加其带负载的能力，可以在A1的前面另外一个缓冲放大器，即为（五）中的放大器。 解调电路的仿真图如下：仿真电路（解调电路）产生的波形如图：(七)低通滤波器：低通滤波器的参数：R1=5.1K，C1=200pF，解调信号中的低频信号可以通过。滤除解调信号中的的干扰信

11、号，进而更好的还原出来原来的波形。三：分析误差原因（1）经计算后搭建的电路两路方波幅值相等，相位相反，占空比为50%，与预期效果基本相同，但仍存在一定问题。 1.三角波的顶端有时会有部分失真 产生原因：通过匹配R、C使理论输出幅值大于运放的线性放大输出范围，而使输出出现非线性失真，如果门限电压选择较高可能会导致无输出或输出错误； 解决办法：选择合适的运放，计算好RC环节，选取合适的电阻与电容，适当减小门限电压。 2.输出方波近似为梯形波 产生原因：由于运算放大器在比较输出时会经过一个线性区，由高向低（后有低向高）的过渡而产生； 解决办法：通过匹配R2与R3可以减小线性区但不能消除。 （2）在设

12、计时临时把场效应管换成9013三极管，由于场效应管有负夹断电压，而三极管只能在PN结呈正电压时才开启，所以要把原来的原理图进行改变，把用于反向导通的二极管换成限制基极电流的限流电阻。1.输出的调制后波形出现相邻波峰幅值不等现象 产生原因：输入含有直流分量，在经调制后与直流分量符号同向的正弦波形幅值变高，与直流分量符号相反的正弦波形幅值变小。而且会有输入越小复制相差越大，的现象。 解决办法：匹配电容滤去部分直流分量，小输入可以先做放大处理，滤波后接入调制电路。（3）1.在方波信号接入该电路时出现带负载能力不足现象解决办法：由UA、UB接跟随器以提高其带负载能力。2. 输出信号有毛刺。 产生原因：

13、因输入脉冲信号不是标准的方波而是近似梯形波，在线性区会由Q3与Q4同时开的时刻，此时输出会有短暂的低电平毛刺现象 解决办法：输出信号接入低通滤波器根据输出频率算出匹配电阻与电容即可，有源无源滤波器皆可，现象都很好。四：分析电路实验中产生的故障1、 信号发生器产生的方波信号作为载波信号输入下一级时，发现幅值出现衰减，分析电路原因，是方波信号的带负载能力差，所以在方波信号后面加了一个跟随器，同时，跟随器还有隔离电路的作用。2、 调制后波形有因方波边沿不平滑引起的毛刺现象，最后可以在电路后面加一低通滤波电路可以减小毛刺现象。3、 因输入信号含有直流分量而使调制后波形同一周期的两幅值不等。五：实验小结

14、：本次课程设计让我学到了很多东西，尤其是电路的设计与调试。在课程设计过程中遇到了许多课本上不会出现的问题，比如：波形不是很理想，有毛刺，电路的调试中的故障等，经过老师的指点和同学们的细心研究后都被一一克服。这让我体会到了实践的快乐，这些都是在平时体会不到的。经过了这次的课程设计，我对所学的知识也有了更深刻的理解，比如测控电路的波形的产生，调制和解调等等。焊接的过程也很有趣，不仅让我明白实践的重要性，更让我体会到了小小的成就感。希望我们能在这次实践的鼓舞和带动下更加认真的学习，更加努力地学习课程知识和多多实践。传感器部分一差动变压器的工作原理 把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互

15、感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的, 并且次级绕组都用差动形式连接, 故称差动变压器式传感器。 差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联, 并且在忽略铁损、 导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下, 其等效电路如下图所示。 当初级绕组N1加以激励电压U1 时, 根据变压器的工作原理, 在两个次级绕组N2a和N2b中便会产生感应电势E2a和E2b。 如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理, 将有 E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反向串联,因而U2=E2a-E2b=0，即差动变压器输出电压为零。 差动变压器

16、等效电路，当次级开路时有 式中: 激励电压 U1 的角频率; U1 初级线圈激励电压; I1 初级线圈激励电流; r1、 L1初级线圈直流电阻和电感。根据电磁感应定律, 次级绕组中感应电势的表达式分别为:由于次级两绕组反向串联, 且考虑到次级开路, 则由以上关系可得: 输出电压的有效值为 下面分三种情况进行分析。(1) 活动衔铁处于中间位置时 M1=M2=M 故U2 =0。(2) 活动衔铁向上移动时 M1=M+M M2=M-M故 U2 =2M U1 /r21+（L1）21/2, 与E2a同极性。 (3) 活动衔铁向下移动时 M1=M-M M2=M+M故 , 与 E2b同极性。 综上所述：差动输

17、出电动势为，所以，差动变压器输出电动势为两副边线圈互感之差的函数。二螺管型差动变压器的结构设计 螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型, 如图所示。 一节式灵敏度高, 三节式零点残余电压较小, 通常采用的是二节式和三节式两类。 如下图所示：三螺管型差动变压器的参数计算 现以三节式螺管型差动变压器式传感器为例来说明参数的设计计算方法，其结构如图（C）。 由数学模型可知：所推导处的各种公式是设计螺管型差动变压器式传感器的主要依据。1. 激磁绕组长度的确定通常是在给定非线性误差及最大动态范围的条件下来确定值，即联立以上各式解得取b=1.782cm，k=0

18、.1574cm。 2. 衔铁的长度的确定由结构图二的几何尺寸关系可知，铁芯的长度为式中、-衔铁在两个副边绕组中的长度；-初次线圈间骨架厚度；-原边线圈的长度；-两副边绕组长度；初始状态时有，则衔铁的长度由图二的几何尺寸有设计时，一般取，故有，通常取，则求得b=1.782cm，求得l1=l2=1.362cm3. 副边线圈长度的确定设：衔铁插入到两个副边绕组的长度分别为、，且在初始状态时： ；最大动态范围为已知给定值。则应该成立，才能保证衔铁工作时不会超出线圈以外。一般取，则式中，-保证在最大动态范围时衔铁仍不会超出线圈之外的保险余量。一般取，在值较小时，值可取大一些。此处取为，求得。4. 经验数

19、据一般衔铁长度与衔铁半径之比可取为骨架外径与内径之比可取为在设计骨架内径与衔铁半径应尽量取得相近，即，这样可简化计算工作量。由为，求得为，为（取）。5. 激磁电压频率的选定电源电压的频率会影响到灵敏度铁损和耦合电容以及线圈阻抗的损耗等。其结果都将影响输出电压的大小，所以对电源频率的选择也是一个非常重要的参数，由于上述原因，电源频率需要根据频率特性来选取。 在忽略传感器的涡流损失，铁损失和耦合电容等影响，其等效电路如图三所示。设：、-初级线圈激磁电压及电流；、-初级线圈电感及电阻、-初级与次级线圈间互感、-次级线圈的电感与电阻值 -两个次级差动电势由等效电路有以下各式成立：联立以上各式 解得：令

20、，则上式变为 由此式可知，即增加，也增加当时，则，此时输出与频率无关当超出某一值（取决于衔铁材料），则集肤效应增加，使铁损等增大，输出减小而使灵敏度减小。灵敏度与间特性曲线如图四所示，其灵敏度为由图四知电源频率应选在曲线中间平坦区域，保证频率无变化时电压保持不变。根据铁芯使用的磁性材料来确定最高频率，以保证灵敏度不会变，这样既可以放宽对频率稳定性的要求，又可以在一定能够电压下减小磁通或安匝数。从而减小传感器的尺寸。6. 灵敏度的确定灵敏度为7. 原边与副边绕组匝数的确定由6中式可知：当安匝数增加时，可使灵敏度增加，但的增加将受到线圈导线允许电流密度、导线散热面积以及磁饱和等因素的限制。下面利用

21、这三个条件来确定和。1）按允许的电流密度计算安匝数由电流密度的定义和窗口面积容纳线圈的约束条件，有以下各式成立：联立上述两式解得故得式中，-电流密度，取；-导线截面积；-骨架窗口截面积；-填充系数，（=，取）；Q=7.525cm2；求得IN=1.505X105A；由式可见，增大，数增加，但受几何尺寸限制。2）按线圈发热计算值因为线圈有铜损耗电阻，所以要消耗一定的功率而转换为热量，为了保证线圈不被烧坏，必须满足以下条件。设：为每瓦功率所需要的散热面积，为线圈外表散热面积，则应满足联立上述各式，解得式中-导线电阻率，取铜导线在室温下的电阻率，为-每匝平均长度，求得为取.求得IN22代入求得356由

22、式可知：要使增加，则必使和增大，同时使减小，所以决定了传感器为细长形状的结构。3）按磁饱和计算安匝数因为磁路中由激磁电流确定的磁通量为所以得为使工作在磁化曲线的线性段，需要满足一下条件：式中 -基本磁化曲线饱和点的磁感应强度；材料为坡莫合金，取Bc=0.5T；-导磁体截面积；计算得；-材料磁阻，计算为;求得为;综合三者，取最小值为=，工程设计时，常利用式式和式三个公式，采用试探法来确定值，其步骤如下：先由式计算出一个值将计算出的值代入式和式中进行验算，经过反复修正后得到满意的值。再由，算出值，从而得到的值（）。取，； 8.差动变压器变压比的确定由式得，若使次级绕组增加，将会造成零漂移且电阻增加

23、造成铜损增大，并易受到干扰。因此，一般设计时，当初级线圈的匝数为匝匝时，常取。要求；求得1） 线圈骨架的确定1）.骨架材料常用酚醛。陶瓷。四氯乙烯等材料制线圈的骨架。2）.线圈内外径比的确定由式可知由式和式可知： 增大，灵敏度减小。的增大，可使线圈的工作线性度增加。以上两点是矛盾的，可根据设计要求来确定。2） 铁芯材料的确定通常根据采用的电源频率来确定铁芯的材料。1. 在低频时，可采用工业纯铁2. 频率较高时，采用硅钢片3. 高频时，采用坡莫合金4. 最高频时，可采用铁 钛氧3） 传感器线性工作范围的确定 传感器的线性工作范围一般取为总长度的1/4-1/5。4） 屏蔽措施为防止干扰信号的影响，

24、传感器要采用屏蔽措施，一般传感器的外层用电工钢做屏蔽层，内层用高导材料的坡莫合金作屏蔽层，屏蔽条件要求高的可采用多层屏蔽。四差动变压器的误差1. 非线性误差差动螺线管式的输出电压为若略去二次项，则得则非线性误差为,2. 电源幅值和频率稳定度造成的误差由式有式中-电源电压，。所以，当有、时，输出电压，所以电源电压幅值的变化和频率的变化将对有影响。因此，设计时，要采取稳压，稳频措施。差动变压器可采用的频率，最常用的频率。且电源频率，才能正常工作。在电源频率较低时选用恒流源做激励电源，可消温度误差等影响。3. 温度误差1. 温度变化将使传感器的结构尺寸参数变化，而引起灵敏度变化。由式有式中：就是由于温度变化而造成的灵敏度误差，具体计算方法见电阻应变片温度误差分析方法。2. 温度变化引起线圈电阻变化造成的输出电压误差。一般铜导线电阻温度系数为，当温度变化时，使初级线圈铜电阻变化，则由此引起输出电压变化的相对值为由式可知：1. 在低频工作时，线圈的品质因数，所以 频率减小将使值减小，误差增大，为使值不变必须使增加而且减小，才能使误差保持不变。2. 可采用补偿电路和恒流源电源等方法减小温度误差，如图所示。图所示为使用稳压源时，可在初级回路中串联一个高阻值的降压电阻，使激励电流近似不