传感器转换电路仿真及差动电容传感器转换电路设计

燕山大学课程设计说明书题目：传感器转换电路仿真及差动电容传感器转换电路设计学院（系）：电气工程学院年级专业：工业自动化仪表学号：学生姓名：指导教师：教师职称：副教授副教授目录第1章摘要…………………………第2章引言…………………2第3章基本电路仿真……………………3第4章参数设计及运算………………54.1结构设计………………4.2工作流程……………………4.3基本本电路构成部分分析……………第5章误差分析…………………第6章结论……………心得体会………………参考文献………………第1章摘要：对几种基本电路进行了设计，仿真，证明了几种电路的基本工作原理，得出输出结果。设计一个能测量微小位移变化的差动电容传感器。最后对测量电路的进行仿真调试。第2章引言：差动电容传感器越来越广泛地应用于诸如压力、加速度、直线位移、转角等物理量的测量，其电路结构依测量要求不同而不同．但其基本原理都是和用比斜信号处理法以传感器电容容量的变化来反映被测量的变化．电容变化可以是线性或非线性的。近年来，人们在提高精度和速度方面不断探索，提出了各种提高精度和速度的方法。我们先对几类基本电路进行了解后，把它们运用到后面的差动电容转换电路的设计中，最后对设计电路进行焊接调试。第3章基本电路仿真1、反向放大电路反向比例放大电路如图所示，反向比例放大电路的输出电压与输入电压之间的关系为：该设计电路的设计参数如下输入电压Ui=3v,Rf=10Ω,R1=5Ω带入关系式，解出U。=-6v.对该电路进行仿真，得出结果如下图：仿真结果与理论计算结果一致。2、差动放大电路设计差动放大电路如下图差动放大电路输出电压与输入电压之间的关系为：差动电路其实就是对输入两信号的差运算。该设计电路的设计参数如下输入电压Ui1=2v,Ui2=3v,Rf=500Ω,R1=100Ω带入关系式，解出U。=5v.对该电路进行仿真，得出结果如下图：仿真结果与理论计算结果一致。3、二阶低通滤波二阶有源低通滤波基础电路原理图它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率f＞＞f0时（f0为截止频率），电路的每级RC电路的相移趋于-90º，两级RC电路的移相到-180º，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。下图为设计的二阶低通滤波电路图进行仿真得到如下结果红线为滤波前函数信号发生器发出的信号波，黄线为通过滤波电路后的信号波4、直流电桥原理：电源E为恒压源，其内阻为零。根据电路学中的克希霍夫定律，列出电路方程：当R1R4=R2R3时，I0=0，U0=0，即电桥处于平衡状态。若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。设计电路如下图对该电路进行仿真，得出结果如下图：此时R2=121，当改变R2=124电阻值后再次进行仿真得到下图当外界待测量变化影响R2的电阻值发生微小变化时，直流电桥电路也发生变化，从而可以测出变化量，经过计算可以分析求出被测量。5、交流差动电桥上式表明，交流电桥平衡要满足两个条件，即相对两臂复阻抗的模之积相等，并且其幅角之和相等。上式表明，交流电桥平衡要满足两个条件，即相对两臂复阻抗的模之积相等，并且其幅角之和相等。交流电桥的平衡条件为:对该电路进行仿真，得出结果如下图：当R2=101，R3=99时仿真结果如下图当微小改变电阻值R2=102，R3=98后仿真结果如下对比以上两个图，可以发现波形振幅明显发生变化，所以当用交流差动电桥电路测量改变量时，当被测量影响电阻R2和R3发生电阻变化后，可以通过示波器的波形改变明显反应出，在经过公式计算就可以得出被测量的变化量了。6、半波整流电路半波整流电路构成及原理：变压器的次级绕组与负载相接，中间串联一个整流二极管，就是半波整流。利用二极管的单向导电性，只有半个周期内有电流流过负载，另半个周期被二管所阻，没有电流。这种电路，变压器中有直流分量流过，降低了变压器的效率；整流电流的脉动成分太大，对滤波电路的要求高。只适用于小电流整流电路。半波整流原理图如下。电路图设计如下对该电路进行仿真，得出结果如下图：蓝色和红色的波形图分别对应电路图中蓝色和红色的导线，有波形图可知仿真结果符合理论结果。7、全波整流电路全波整流可以用：一是变压器与半流整流电路相同，但用四个二极管组成桥式电路，将次级线圈的正、负半周都用起来；二是变压器的次级绕组圈数加倍，中间抽头，实际上由两个次级线圈构成。中间抽头接负载一端，另两个端子各串联一个二极管后接负载的另一端。最典型的全波整流电路是由四个二极管组成的整流桥，一般用于电源的整流。也可由MOS管搭建。电路设计如下图对该电路进行仿真，得出结果如下图：第四章参数设计及运算4.1结构设计4.2工作流程：输入信号（1KHZ,5v）电容差动桥路输入信号（1KHZ,5v）电容差动桥路（整流）放大电路（反向放大电路）单相桥式整流电路（整流）差分放大电路（进行差分放大）示波器（输出仿真结果）二阶低通滤波电路（脉冲信号经滤波转化为直流信号）交流变直流4.3基本电路构成部分分析输入信号函数信号发生器产发出设定信号，有效值为5V，频率为1KHZ，可以为正弦波，方波和三角波的交流信号，。电容差动桥路桥路电桥由两个100pf的电容组成相邻桥臂，桥路另一侧接初始值为35pf应变电容，组成差动电容桥路。放大电路放大电路由集成运放器构成反向放大电路。四个反向放大电路，分别组成差动放大，并将各放大器接正负5V直流电压，并接地。每个放大电路的增益为91四、桥式整流电路单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，两个整流电路接收由放大电路输出的信号，并对其信号进行相应整流，整流电路的输出端连接示波器，最后输出得到波形五、差分放大电路差分放大电路对共模输入信号有很强的抑制能力，对差模信号却没有多大的影响，因此差分放大电路一般做集成运算的输入级和中间级，可以抑制由外界条件的变化带给电路的影响，如温度噪声等。二阶低通滤波电路二阶低通滤波器将脉冲信号经滤波转化为直流信号。七、示波器最终的结果进行仿真后由示波器显示出仿真波形图第5章误差分析1、由于电路本身是采用近似相等，所以存在一定误差。2、由于外界环境温度对电路的影响，所以在测量过程中会产生误差。第6章结论经过对电路的焊接和调试最终得到与仿真结果相符的输出波形，差动变换转换电路可以测量出微小改变量。心得体会：实践出真知，时至今日，课程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”，才明晓实践出真知，经过自己对各种电路的亲身设计模拟仿真，我更深入地理解了几种运放的基本运用原理。同时，经过自己亲手对电容变换放大器的焊接，更深刻了解其原理电路，更重要的是培养了动手能力，使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来才能真正的完成好自己的工作。毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，在设计的过程中发现了自己的不足之处，例如对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。总的来说在设计制作的过程中并未遇到过比较困难的问题，但是也存在一些小麻烦，例如电路板焊接过程中焊接不好，没有现成合适电阻等等。但是最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。知错能改，善莫大焉。至善至美，是人类永恒的追求。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的仿真环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次的课程设计顺利的完成了，在此期间我得到过同学与指导老师的帮助，并在他们身上学到很多实用的知识，在此