电路系统设计与实践2017

1、Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University电路系统设计与实践电路系统设计与实践2017.09.042017.09.04侯汝舜侯汝舜 王鹏王鹏 傅志斌傅志斌 卢孟燕卢孟燕 熊浩熊浩 侯中杰侯中杰Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University为什么要上这门课？为什么要上这门课？机械专业的本科生必修实践课机械专业的本科生必修实践课传感器、电路与测试知识的综合应用传感器、电路与测试知识的综合应用掌握典型电路的设计与调试方法掌握典型电路的设计与调试方法为缩短研究性工作适应期打基础为缩短研究性工作适应期打基础Sensor Lab Of D

2、PIM, Tsinghua University特点：特点：1综合性。以传感器为研究对象、电路为综合性。以传感器为研究对象、电路为手段、应用为目的、实践为重点手段、应用为目的、实践为重点 培养综合应用已学知识、培养综合应用已学知识、开拓新思路的设计能力以开拓新思路的设计能力以及团结协作的精神。及团结协作的精神。Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University2 遵循遵循“学生为主体，教师为主导学生为主体，教师为主导”的原的原则，给学生充分的自由发挥空间则，给学生充分的自由发挥空间 从八个题目中选择一从八个题目中选择一个，做为实践任务。个，做为实践任务。Sensor

3、 Lab Of DPIM, Tsinghua University（1）自己设计，自己调试，自己总结。自己设计，自己调试，自己总结。（2）教师对个别问题）教师对个别问题提示提示解决办法，针对解决办法，针对共性问题集中讲解。共性问题集中讲解。（3）对于难度较大的题目，达到基本要求）对于难度较大的题目，达到基本要求后，有兴趣的可由实验室提供条件继续深后，有兴趣的可由实验室提供条件继续深入研究。入研究。 3 课程以自学为主，亲自动手课程以自学为主，亲自动手Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua UniversitySensor Lab Of DPIM, Tsinghua Unive

4、rsitySensor Lab Of DPIM, Tsinghua University课程内容课程内容v 传感器检测电路传感器检测电路传感器：传感器：温度传感器温度传感器( (测温度测温度) ) 光电传感器（计数、测频）光电传感器（计数、测频） 超声波传感器（测距）超声波传感器（测距） 霍尔传感器（磁场强度）霍尔传感器（磁场强度） 高频振荡型接近开关高频振荡型接近开关 检测电路：检测电路：调幅式和调频式两种模拟电路、脉冲放大整调幅式和调频式两种模拟电路、脉冲放大整 形，计数形，计数/ /测频数字电路测频数字电路v数据显示、系统联调与测试实验数据显示、系统联调与测试实验硬件电路实现两位或三位七

5、段硬件电路实现两位或三位七段LED数码显示，各部分数码显示，各部分检测电路的联调，系统技术指标的测试实验。检测电路的联调，系统技术指标的测试实验。v熟悉传感器的基本概念和主要特性熟悉传感器的基本概念和主要特性Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University什么是传感器？什么是传感器？ 传感器（传感器（Sensor） 定义：定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换敏感元件和转换元件组成元件组成。（1）敏感元件敏感元件是指能直接感测或响应被测

6、量的部件。是指能直接感测或响应被测量的部件。（2）转换元件转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成传输或测量的电信号部分。应的被测量转换成传输或测量的电信号部分。 在传感器设计中，在传感器设计中，习惯上将敏感元件称为传感器，而习惯上将敏感元件称为传感器，而转换元件与信号调节转换元件与信号调节/转换电路合称为传感器转换电路转换电路合称为传感器转换电路。Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University传感器有哪些特性？传感器有哪些特性？ 静态特性：静态特性：在静态条件下，传感器的输出量在静态条件下，传感器的输出量与输入量

7、之间的关系特性，又称稳态特性。与输入量之间的关系特性，又称稳态特性。包括：包括：线性度、灵敏度、精确度、重复性、线性度、灵敏度、精确度、重复性、零漂零漂和和温漂温漂等。等。 动态特性：动态特性：反映传感器输出信号跟踪输入信反映传感器输出信号跟踪输入信号变化的响应能力和特性。号变化的响应能力和特性。Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University 线性度线性度是指传感器实际输出输入曲线与理论直是指传感器实际输出输入曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。线之间的最大偏差与输出满度值之比。 灵敏度灵敏度是指传感器在稳定条件下，输出变化量与是指传感器在稳定条件下，

8、输出变化量与输入变化量的比值。输入变化量的比值。 重复性重复性是指传感器输入量在同一方向做全量程是指传感器输入量在同一方向做全量程内连续重复测量所得输出输入特性曲线不一内连续重复测量所得输出输入特性曲线不一致的程度。致的程度。 零漂零漂是指传感器在输入量为零时输出的变化。是指传感器在输入量为零时输出的变化。 温漂温漂是指传感器输出随外界温度变化的变化。是指传感器输出随外界温度变化的变化。 精确度精确度是指测量量偏差的综合指标。是指测量量偏差的综合指标。Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University题目与分组题目与分组一、一、热敏电阻温度测量及控制系统热敏电阻温度

9、测量及控制系统二、二、集成温度传感器温度测量及控制系统集成温度传感器温度测量及控制系统三、绕线机圈数测控系统电路三、绕线机圈数测控系统电路 四、直流电机转速测控系统电路四、直流电机转速测控系统电路五、超声波测距系统电路五、超声波测距系统电路六、磁场强度检测电路六、磁场强度检测电路七、七、脉搏波检测系统脉搏波检测系统八、八、基于单片机的振动信号频率幅值检测系统基于单片机的振动信号频率幅值检测系统 说明：每组说明：每组2人，一份任务书人，一份任务书,具体要求见任务书。具体要求见任务书。Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University设计完成热敏电阻的桥式测温电路，实现

10、信号放大、压频转换，并进设计完成热敏电阻的桥式测温电路，实现信号放大、压频转换，并进行三位数码管（小数点后一位）的温度值显示（通过调零、调增益和分行三位数码管（小数点后一位）的温度值显示（通过调零、调增益和分频频/倍频实现）和温度超限报警（采用发光二极管报警）。倍频实现）和温度超限报警（采用发光二极管报警）。A A、桥式测温主电路，信号放大电路，压频转换电路，波形放大、整、桥式测温主电路，信号放大电路，压频转换电路，波形放大、整形电路；形电路；B B、报警电路，三位数码管显示电路；、报警电路，三位数码管显示电路；A A、B B共同完成：共同完成：测温主电路，温度设定及控制电路，测温主电路，温度

11、设定及控制电路，确定传感器零漂确定传感器零漂 和重复性等指标；和重复性等指标；每人完成每人完成50005000字左右报告一份。字左右报告一份。技术指标：技术指标：测温范围：测温范围：25254545输出频率：小于输出频率：小于100kHz100kHz灵敏度：灵敏度：1kHz/1kHz/ 题目一、热敏电阻温度测量及控制系统题目一、热敏电阻温度测量及控制系统热敏电阻热敏电阻Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University集成温度传感器选用集成温度传感器选用AD590JH，为电流输出型器件，设计完成电流，为电流输出型器件，设计完成电流电压转换主电路，信号放大电路；压频转

12、换电路；进行三位数码管（小数电压转换主电路，信号放大电路；压频转换电路；进行三位数码管（小数点后一位）显示，报警电路（采用发光二极管报警）。点后一位）显示，报警电路（采用发光二极管报警）。A、主电路，信号放大电路，压频转换电路，波形放大、整形电路；、主电路，信号放大电路，压频转换电路，波形放大、整形电路；B、报警电路，三位数码管显示电路；、报警电路，三位数码管显示电路；A、B共同完成：共同完成：测温主电路，温度设定及控制电路测温主电路，温度设定及控制电路，确定传感器零漂，确定传感器零漂和重复性等指标；和重复性等指标；每人完成每人完成5000字左右报告一份。字左右报告一份。技术指标：技术指标：测

13、温范围：测温范围：2545输出频率：小于输出频率：小于100kHz灵敏度：灵敏度：1kHz/题目二、集成温度传感器温度测量及控制系统题目二、集成温度传感器温度测量及控制系统集成温度传感器集成温度传感器Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University设计设计PWM电路驱动电动机，控制给定电机的转动圈数，要求圈数输入电路驱动电动机，控制给定电机的转动圈数，要求圈数输入方便、直观，能够实现正反转控制，并能够显示预置值（两位数码管显示方便、直观，能够实现正反转控制，并能够显示预置值（两位数码管显示）和电机实际旋转圈数（两位数码管显示）。其中，电机正转时，显示值）和电机实际

14、旋转圈数（两位数码管显示）。其中，电机正转时，显示值正向增加；电机反转时，显示值反向减小。正向增加；电机反转时，显示值反向减小。同组同学两名，共同完成总体方案设计，具体任务自行组内分工。同组同学两名，共同完成总体方案设计，具体任务自行组内分工。每人完成每人完成50005000字左右报告一份。字左右报告一份。技术指标：技术指标：记录至少十个设定圈数及控制结果；记录至少十个设定圈数及控制结果；电机转圈数的控制范围：正向电机转圈数的控制范围：正向5 59999圈；圈；转动精度：转动精度：1 1圈圈题目三、绕线机圈数测控系统电路题目三、绕线机圈数测控系统电路电机正反转信号由光电传感器（发光电机正反转信

15、号由光电传感器（发光二极管和光敏二极管）获得。二极管和光敏二极管）获得。实验电机实验电机Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University设计设计PWM直流电机驱动电路，设置电机转速（两位数码管显示），闭直流电机驱动电路，设置电机转速（两位数码管显示），闭环控制电机以该转速旋转，并同时显示当前转速值（两位数码管显示）。环控制电机以该转速旋转，并同时显示当前转速值（两位数码管显示）。具体分工：同组同学两名，共同完成总体方案设计；每人完成具体分工：同组同学两名，共同完成总体方案设计；每人完成50005000字左字左右报告一份。右报告一份。技术指标：技术指标：设定至少设定

16、至少1010个转速，定时（如个转速，定时（如1 1分钟）记录电动机空载条件下转速；分钟）记录电动机空载条件下转速；电机转速控制范围：电机转速控制范围：5 530 r/s30 r/s，精度为，精度为1 r/s1 r/s。题目四、直流电机转速测控系统电路题目四、直流电机转速测控系统电路电机正反转信号和转速信号电机正反转信号和转速信号的获得：的获得：发光二极管和光敏二极管。发光二极管和光敏二极管。Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University题目五、超声波测距系统电路题目五、超声波测距系统电路利用超声波换能器实现物体间距离（位移）的测量。设计传感器利用超声波换能器实现

17、物体间距离（位移）的测量。设计传感器的信号放大电路、脉冲放大的信号放大电路、脉冲放大/整形电路、定时计数，并进行三位数整形电路、定时计数，并进行三位数码管显示。码管显示。 具体分工：同组同学两名，共同完成总体方案设计；每人完成具体分工：同组同学两名，共同完成总体方案设计；每人完成50005000字左右报告一份。字左右报告一份。技术指标：技术指标： 测量范围：测量范围：0.30.33m3m； 精度：精度：2 %2 %。 超声波传感器超声波传感器Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University题目六、磁场强度检测系统电路题目六、磁场强度检测系统电路设计完成霍尔磁强计电

18、源电路、信号放大电路和压频转换电路；进行设计完成霍尔磁强计电源电路、信号放大电路和压频转换电路；进行三位数码管（小数点后两位）显示磁场强度值（即与磁场强度相同数码三位数码管（小数点后两位）显示磁场强度值（即与磁场强度相同数码的频率值，通过调零、调增益和分频电路实现）。的频率值，通过调零、调增益和分频电路实现）。 具体分工：同组同学两名，共同完成总体方案设计；每人完成具体分工：同组同学两名，共同完成总体方案设计；每人完成50005000字字左右报告一份。左右报告一份。技术指标：技术指标： 测量范围：测量范围：0 02T2T 输出频率：小于输出频率：小于200kHz200kHz 灵敏度：灵敏度：1

19、00Hz/10G100Hz/10G霍尔传感器霍尔传感器Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University题目七、脉搏波检测系统题目七、脉搏波检测系统 由发光二级管和光敏二极管组成脉搏波检测传感器。由发光二级管和光敏二极管组成脉搏波检测传感器。 其工作原理其工作原理是是: : 利用手指动脉血在血液循环过程中周期性的脉动变化，通过发光利用手指动脉血在血液循环过程中周期性的脉动变化，通过发光二极管发出的光透射过手指二极管发出的光透射过手指, ,经过手指组织的血液吸收和衰减，由光经过手指组织的血液吸收和衰减，由光敏二极管接收。光敏二极管输出信号的变化反映了动脉血的脉动变化。

20、敏二极管接收。光敏二极管输出信号的变化反映了动脉血的脉动变化。 任务：任务： 设计完成恒流源发光电路，接收信号放大电路，滤波整形电路，设计完成恒流源发光电路，接收信号放大电路，滤波整形电路，压频转换电路。两位数码管显示脉搏。（数压频转换电路。两位数码管显示脉搏。（数/ /每分）。每分）。 具体分工：同组同学两名，共同完成总体方案设计；每人完成具体分工：同组同学两名，共同完成总体方案设计；每人完成50005000字左右报告一份。字左右报告一份。 技术指标：技术指标： 频率范围：频率范围：0.1-10Hz0.1-10Hz 精度：精度：3%3%1 1个字个字 Sensor Lab Of DPIM,

21、Tsinghua University题目八、题目八、基于单片机的振动信号频率幅值检测系统基于单片机的振动信号频率幅值检测系统 利用利用MSP430F149单片机系统完成对一振动信号的频率和幅值的单片机系统完成对一振动信号的频率和幅值的测量。由测量。由1602A液晶显示器显示测量值，并通过计算机串口实现测量液晶显示器显示测量值，并通过计算机串口实现测量数据的上传。数据的上传。 任务：任务： 设计完成模拟振动信号的发生电路（方波）、带通滤波电路（得设计完成模拟振动信号的发生电路（方波）、带通滤波电路（得到正弦波）、利用单片机测量方波的频率和正弦波的幅值、在液晶屏到正弦波）、利用单片机测量方波的频

22、率和正弦波的幅值、在液晶屏上进行显示并通过串口上传到计算机上。上进行显示并通过串口上传到计算机上。 具体分工具体分工：同组同学两名，共同完成总体方案设计；每人完成：同组同学两名，共同完成总体方案设计；每人完成50005000字左右报告一份。字左右报告一份。 技术指标：技术指标：检测频率范围：检测频率范围：101000Hz检测精度：检测精度：3%FS检测稳定性：正负检测稳定性：正负1个字个字响应频率响应频率:40HzSensor Lab Of DPIM, Tsinghua University实验设备：实验台、示波器和数字式万用表实验设备：实验台、示波器和数字式万用表Sensor Lab Of

23、DPIM, Tsinghua University电源：电源：12V, 5V ，共地；共地；键盘和数码管显示：键盘和数码管显示：44键盘，键盘，8位七段位七段LED数码管，可数码管，可任选显示器驱动方式和显示位数；任选显示器驱动方式和显示位数；面包板：面包板：用户设计调试电路；用户设计调试电路；计数器计数器/频率计：频率计： 8位七段位七段LED数码管显示；数码管显示；信号发生器：信号发生器：输出频率为小于输出频率为小于1Hz300kHz的三角波、方的三角波、方波和正弦波；波和正弦波；PWM电路：电路：直流电动机驱动电路主电路功率放大电路。直流电动机驱动电路主电路功率放大电路。实验台组成实验台

24、组成Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Aug-2003Sheet of File:E:TA小 学 期 &SRT电 路 设 计 finalprinciple.Ddb Drawn By:1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS8AMBERCC1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS7AMBERCC1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS6AMBERCC1234567abcd

25、efg8dp9GNDabfcgdedpDS5AMBERCC1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS4AMBERCC1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS3AMBERCC1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS2AMBERCC1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS1AMBERCC123456781112131415161718123456781112131415161718123456781112131415161718123456781112131415161718123456781112131

26、415161718123456781112131415161718123456781112131415161718123456781112131415161718123456781112131415161718123456781112131415161718123456781112131415161718123456781112131415161718123456781112131415161718123456781112131415161718123456781112131415161718123456781112131415161718123456781112131415161718123

27、45678111213141516171812345678111213141516171891019201234567811121314151617189101920K1K2K3RSTK5K6K7K8K9K10K11K12K13K14K15K16K4R110kR210kR310kR410kR510kC00.1uw310kW120kW250kW450k123456111213141516+5V+5V+12V-5V-12VL1L2L3L4A1A2A3A4RSTGNDGND-5V+5VGND-12+12V123123+5V-5VGND+12VGND-12VPB4PA4DA8DA7DA6DA5DA4D

28、A3DA2DA1DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8P3P2P1D1LEDD2LEDD3LEDD4LEDRD1820RD2820RD32kRD42k+5V+12V-12V-5V820*64段选短接段选输入位选输入位选短接电源指示原理图8位LED原理图键盘原理图电位器及可调电压输出原理图电源插座L1L2L3L4A1A2A3A4键盘和数码显示键盘和数码显示Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua UniversityPWM电路工作情况电路工作情况方向：方向：输入为低电平时，正向驱动电动机；方向输入为输入为低电平时，正向驱动电动机；方向输入为高电平时，反向驱动电动机。高电

29、平时，反向驱动电动机。脉宽：脉宽：信号频率可选为几百信号频率可选为几百Hz的调宽方波，幅值范围为：的调宽方波，幅值范围为：5V-12V。主电路输出主电路输出：脉宽信号占空比：脉宽信号占空比01 对应理论输出电压为：对应理论输出电压为：012V（由于限流电阻的存在实际输出电压约为：（由于限流电阻的存在实际输出电压约为：08V）。）。脉冲脉冲分配电路分配电路PWM主电路主电路方向方向脉宽脉宽输出输出Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:11-Aug-2003Sh

30、eet of File:E:TA小 学 期 &SRT电 路 设 计 finalprinciple.Ddb Drawn By:123U1A4011564U1B4011121311U1D4011D15.1VD25.1VQ9C2655Q10C2655Q5C2655Q7C2655Q1C2655Q3C2655Q2C2655Q6C2655Q4C2655Q8C2655R92kR102kR7220kR8220kR13kR35.1kR23kR11360R45.1kR551kR651k+12V+12V+12V+12VVCC+12V+12VMWAVEDIRETcbebceWAVE：脉宽。输入几百Hz的调宽方

31、波。DIR：方向。输入为低电平时正向驱动直流电动机，OUTPUT1，OUTPUT2，输出正、负端。对脉宽信号占空比为01输出为0V12V。输入为高电平时反向驱动直流电动机。OUTPUT2OUTPUT1黑色接线柱红色接线柱电机控制电路电机控制电路Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University测控电路实验台清华大学精密仪器系计数器/频率计信号发生器波形切换输出方向脉宽输出1输出2驱动电路正弦波方波三角波PWM电路关开P4D7D6D5D4D3D2D1D0P3P2P1L1L2L3L4A1A2A3A4RSTW3 50kW4 10kW1 20kW2 50k+5VDGND-5

32、V+12VAGND-12V2k*2820*2C1 0.1u10k*5L2L3L4A1L1A4RSTA31321-12V+12VAGND-5V+5VDGNDA2DGND23abcdefgdP abcdefgdP abcdefgdP abcdefgdPabcdefgdPabcdefgdP abcdefgdPabcdefgdPD7D1D0D4D3D2D5D6820*64123123-5V+5V -12V+12VW3W4电源关开输入复位频率计数计数/频率中频段切换高低面 包 板键盘电源 数码管显示 实验台前面板实验台前面板Sensor Lab Of DPIM, Tsinghua University1、器件管脚的排列、器件管脚的排列：DIP（U型顺序排列），其他封装形式型顺序排列），其他封装形式查手册，各管脚定义查手册或网上查询：查手册，各管脚定义查手册或网上查询：。2、测量仪器：、测量仪器： 万用表：测直流电压、低频交流电压，查线，测三极管、万用表：测直流电压、低频交流电压，查线，测三极管、二极管的好坏。二极管的好