测控电路课程设计报告--信号采集调理电路的设计

1、 测控电路课程设计报告题 目 信号采集调理电路的设计 学 院 机电工程学院 专 业 测控技术与仪器 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 起止日期 测控电路课程设计报告设计任务书一、设计题目：信号采集调理电路的设计二、设计的具体任务及要求设计一个可以采集信号，并对信号进行放大，调制解调和滤波处理的电路。利用Multisim软件进行仿真分析。三、设计时间及进度安排学院： 机电工程学院 专业： 测控技术与仪器 年级： 09课程名称测控电路课程设计周 数1班级名称测控092承担部门机电学院 课程设计时间及进度安排计划时 间 项目名称内容提要地点7月1日上午布置任务布置课程设计任务14#-3197月1日

2、下午收集资料根据设计任务要求查找有关资料自选7月2日上午电路设计根据选定的设计任务设计电路CAD实验室7月2日下午电路设计根据选定的设计任务设计电路CAD实验室7月3日晚上设计调试根据选定的设计任务设计电路并调试CAD实验室7月4日晚上电路调试对设计完成的电路进行仿真调试CAD实验室7月5日上午课程设计报告撰写课程设计报告自选7月5日下午课程设计报告撰写课程设计报告自选7月6日上午设计验收接收设计报告,课程设计验收CAD实验室7月6日下午设计验收接收设计报告,课程设计验收CAD实验室- I -目 录设计任务书I第1章 设计的软件平台1第2章 信号采集调理电路的整体设计方案12.1 信号采集调理

3、电路整体设计方案12.2 信号采集调理电路整体设计框图2第3章 信号采集调理电路的模块设计23.1 信号采集电路的设计23.2 信号放大电路的设计33.3 信号调制电路设计43.4 信号解调电路的设计53.5 总设计图7第4章 信号采集调理电路设计的仿真分析74.1 Multisim软件仿真结果7结 论10参 考 文 献10- 9 -第1章 设计的软件平台本设计基于信号采集调理电路的设计。采用美国国家仪器NI有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具Multisim进行仿真，其适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析

4、能力。在本次设计中，使用Multisim进行电路设计和仿真，验证电路设计的可靠性，观察电路的运行结果。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Mult

5、isim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。第2章 信号采集调理电路的整体设计方案2.1 信号采集调理电路整体设计方案信号采集调理电路，就是把模拟信号转换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、光强等.但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为

6、传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入，以便用于系统的数据处理。信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。在这过程中还可以对采集到得信号调制解调，踢出噪声信号，输出自己想得到的信号波形。所以，整体的电路设计包括信号采集电路，信号放大电路，开关式相乘调制电路，和包括精密全波整流电路的在内的解调电路。2.2 信号采集调理电路整体设计框图信号采集电路信号放大电路信号输入 信号调制电路信号解调电路滤波电路信号输出第3章 信号采集调理电路的模块设

7、计3.1 信号采集电路的设计可以采集到想要大的信号，其中电容C1可以采集交流信号，滤去直流信号。在放大器的选用中，我们曾出现了问题，在一开始的设计中，我们采用了OPAMP-3T-VIRTUAL这个放大器，发现不可行，适用多个之后采用了3554AM，才得到想要的仿真结果。图3-1-1 信号采集电路原理图参数确定：C1=1uF，C2=1nF,C3=1uF,R1=200K,R2=R3=R4=100 K放大器供电电源为：±15V。3.2 信号放大电路的设计采用了最简单的同相交流放大电路来实现对采集到的信号进行放大，放大倍数为两倍，起初也试用了差动放大电路和高输入阻抗自举式组合电路，但由于电阻

8、较多，设置不合理，一直调试不出理想的结果，而自举式组合电路也会带来噪声影响波形，所以最后决定采用同相交流放大电路。图3-2-1 信号放大电路原理图参数确定：R18= R19=6.2K,R17=1.6 K放大器供电电源为：±15V。参数计算：对理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为：3.3 信号调制电路设计由于传感器输出的测量信号往往还带有各种噪声（含外界干扰）。而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是很必要的。为了区别信号和噪声，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用。在信号的调制中，常以一个高频正弦信号作为载波信号。调制信号输入已调

9、信号输出调制电路开关信号产生电路 图3-3-1 开关式相乘调制原理框图这是一种简单的开关式相乘调制实验，在设计上有一定的代表性，比较清晰直观，能使学生在实验时有一个感性的认识和方便测试。如图3-3-1所示调制电路是一种单管调制器，采用场效应管Q1(U290)来担任，利用其阻抗高的特点和控制灵敏的优越性，能很好的满足调制要求。在调试的过程中，也曾试用了其他的三极管，但都不能产生理想波形，G极加入载波信号，D极输入调制信号，在输出端UO处可观测到理想的开关式幅度调制信号。用正弦信号作为载波信号。图3-3-2 开关式相乘信号调制电路原理图参数确定：R9=R10=10 K，C4=1 uF ，C5=C6

10、=10 uF 3.4 信号解调电路的设计在将测量信号调制，并与噪声分等处理之后，还要从已调制的信号中提取反应被测量值的测量信号，这一过程称为解调。调幅（AM）信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调，这种方法又称包络检波。普通调幅（AM）信号通过精密全波整流电路进行全波整流，然后经低通滤波器取出低频成分，经过信号放大，从而获得解调信号。低通滤波电路精密全波整流电路调制信号输入解调输出放大电路图3-4-2 解调电路设计框图设计电路如图3-4-2所示。运放U3，二极管D1、D2，电阻R11、R12、R13，R14构成半波检波电路。运放U4，电阻R15、R16、R17，

11、R18构成反相输入加法电路，并与前端的半波检波电路一起构成全波检波电路。图3-4-2 精密全波整流电路原理图参数确定：取R11=R14=100K，R15=R21=2R16=200 K放大器供电电源为：±15V。参数计算：精密全波整流电路之后要对信号进行滤波处理，从而设计低通滤波电路。滤波器种类很多,有LC的,也有RC的,又分为有源和无源的.无源的RC低通滤波器具有线路简单,抗干扰性强,有较好的低频范围工作性能等优点,并且体积较小,成本较低,所以在系统中被广泛采用.但是,由于他的阻抗频率特性没有随频率而极具改编的谐振性能,故选择欠佳,为了克服这个缺点,在RC网络上加上运算放大器等有源元

12、件,组成有源RC低通滤波器.有源RC低通滤波器在通带内不仅可以没有衰减,还可以有一定的增益.因为我们测量的信号频率不是很高,所以我们采用的是二阶RC有源滤波器，也是压控电压源型滤波电路，其特点是简单,易调节,其电路原理图如下:图3-4-2 低通滤波电路设计参数确定：取R7=R814=10K，R6=R5=15 K，C8=C9=0.5uF放大器供电电源为：±15V。参数计算：增益：=2 传递函数：，其中=，3.5 总设计图第4章 信号采集调理电路设计的仿真分析4.1 Multisim软件仿真结果原始信号：经过采集电路采集的信号和经过放大电路放大的信号仿真结果：载波信号：经过开关相乘调制电

13、路调制之后的信号仿真结果：经过精密全波整流电路后的信号仿真结果：经过滤波之后的信号仿真结果：低通滤波通带与阻带关系结 论该信号采集调理电路实现了对信号的采集，放大，调制解调滤波处理，把原始信号转换为易于处理和识别的标准信号。我们活学活用，运用了书本上和实验手册的电路，经过我们同组两个人一起分析讨论和仿真分析，一步一步完善设计。这一周的测控电路课程设计，不仅检验和巩固了我所学习的测控电路知识，也重新唤醒了对Multisim仿真软件的使用技能，并学习到一些书本上没有的知识。回顾这次课程设计，感触还是挺深刻的，运用书本知识自己仿真电路也不是一件容易的事情，在电路设计的过程中，我们遇到了很多的问题，比如电路阻值的设定，元器件的选择，该使用何种类型的电路，每一个小步骤都有可能影响仿真的结果，在这种时候，我们不能急，只能慢慢的去书本想寻求答案，一步一步的分析电路，慢慢学习，只有这样，才能达到课程设计的目的。付出总是会有回报的，经过一次又一次的对电路中出现问题的修改，我们终于得到了想要的波形，虽然结果并不是很完美，但也实属不易了，所以还是值得欣慰的。参