基于基本的傳感器原理實現(xiàn)轉換電路仿真及電荷放大器電路的設計與焊接課程設計（可編輯）

1、 摘要 本課程設計基于根本的傳感器原理實現(xiàn)轉換電路仿真及電荷放大器電路的設計與焊接。設計內(nèi)容及要求如下: 內(nèi)容及安排: 1. Multisim仿真軟件學習; 2.轉換電路仿真調(diào)試及序理分析:(1)根本電路(2)低頻功率放大器(3)交流電橋電路(4)整流電路(5)二階低通濾波電路(6)二階?通電路(7)比例放大電路(8)直流差動電橋放大電路(9)單臂直流電橋電路(10)二階有源低通濾波電路 3.電荷放大器電路設計與焊接; 4.電路測試及考核。 要求:(1)認真學習仿真軟件; (2)分析各轉換電路的原理及其相關的結果并進行調(diào)試; (3)撰寫報告,進行總結。 關鍵字 Multisim仿真軟件轉換電路

2、電荷放大器 第二章 引言 傳感器技術是利用各種功能材料實現(xiàn)信息檢測的一門綜合技術學科,是在現(xiàn)今科學領域中實現(xiàn)信息化的根底技術之一。現(xiàn)代測量、控制與自動化技術的飛速開展,特別是電子信息科學的開展,極大地促進了現(xiàn)代傳感器技術的開展。同時我們也看到,傳感器在日常生活中的運用越來越廣泛,可以說它已成為了測試測量不可或缺的環(huán)節(jié)。因此,學習、研究并在實踐中不斷運用傳感器技術是具有重大意義的。 隨著傳感器的應用與開展,其種類也在不斷地增加。其中一些比擬常見的有電阻應變式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器等,其中應用最廣泛的是電阻應變式傳感器。 電阻應變式傳感器(st

3、raingauge type transducer )以電阻應變計為轉換元件的電阻式傳感器。電阻應變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應變計、補償電阻和外殼組成,可根據(jù)具體測量要求設計成多種結構形式。彈性敏感元件受到所測量的力而產(chǎn)生變形,并使附著其上的電阻應變計一起變形。電阻應變計再將變形轉換為電阻值的變化,從而可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。傳感器中的電阻應變片具有金屬的應變效應,即在外力作用下產(chǎn)生機械形變,從而使電阻值隨之發(fā)生相應的變化。電阻應變片主要有金屬和半導體兩類,金屬應變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導體應變片具有靈敏度高(通常是絲式、箔式的幾十倍)、橫向效應

4、小等優(yōu)點。 第3章根本原理 國家標準CB7665-87對傳感器的定義是:“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器是一種檢測裝置,能感受被測量的信息,并能將檢測感受到的信息,按一定規(guī)律變換成電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求,是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。 傳感器一般由敏感元件、轉換元件、信號轉換電路三局部組成,其工作機理是基于各種效應和定律,由此啟發(fā)人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料,并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件,這是開展高性能、多功能、低本錢和小型化傳感器的重

5、要途徑。結構型傳感器開展得較早,目前日趨成熟。結構型傳感器,一般說它的結構復雜,體積偏大,價格偏高。物性型傳感器大致與之相反,具有不少誘人的優(yōu)點,加之過去開展也不夠。應變片測量原理 電阻應變片(金屬絲、箔式或半導體應變片)粘貼在測量壓力的彈性元件外表上,當被測壓力變化時,彈性元件內(nèi)部應力變形,這個變形應力使應變片的電阻產(chǎn)生變形,根據(jù)所測電阻變化的大小來測量未知壓力,也實現(xiàn)本次設計未知質量的檢測。 設一根電阻絲,電阻率為,長度為l,截面積為S,在未受力時的電阻值為 R- 圖一 金屬絲伸長后幾何尺寸變化 如圖一所示,電阻絲在拉力F作用下,長度l增加,截面S減少,電阻率也相應變化,將引起電阻變化R,

6、其值為 ?R/R?S/S+?/- 對于半徑r為的電阻絲,截面面積S,那么有s/s2?r/r。令電阻絲的軸向應變?yōu)?l/l,徑向應變?yōu)?r/r-?l/l -,由材料力學可知,為電阻絲材料的泊松系數(shù),經(jīng)整理可得 ?R/R(1+2)+?/- 通常把單位應電所引起的電阻相對變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù),其表達式為 K1+2 - 從可以明顯看出,電阻絲靈敏系數(shù)K由兩局部組成:受力后由材料的幾何尺寸受力引起1+2;由材料電阻率變化引起的?/ -1。對于金屬絲材料,?/ -1項的值比1+2小很多,可以忽略,故K1+2。大量實驗證明,在電阻絲拉伸比例極限內(nèi),電阻的相對變化與應變成正比,即為常數(shù)?？蓪懗??R/RK

7、 - 第四章 電路仿真與分析直流疊加定理疊加定理驗證電路 先測R3兩端的電壓36.666V,這個電壓為V1和I1共同作用的結果。疊加定理驗證電路 1將I1斷開,V1單獨供電的驗證電路,R3兩端為3.333V疊加定理驗證電路 2將V1短路,I1單獨供電的驗證電路,R3兩端為33.333V。疊加定理驗證電路 3 結果分析 V1和I1共同作用時R3兩端的電壓為36.666V,V1和I1單獨工作時R3兩端的電壓分別為3.333V和33.333V,這兩個數(shù)值之和等于前者,符合疊加定理的描述。戴維南定理戴維南定理仿真電路 分別測量流過R4的電流和R4兩端的電壓,萬用表顯示 IR416.667 mAUR43

8、.333 V戴維南定理仿真電路 1斷開負載R4,測量原來R4的電壓為6V。 戴維南定理仿真電路 2 將直流電壓源用導線替換掉,測原R4兩端的電阻,測量結果為160?.。戴維南定理仿真電路 3R4左邊的電路等效為原R4兩端電壓和電阻串聯(lián)形式,再與R4相連接。這時測量R4流過的電流和R4兩端的電壓分別為IR416.667 mA UR43.333 V戴維南定理仿真電路 4結果分析 前后步驟測量的兩組數(shù)字根本一致,從而驗證了戴維寧定理的正確性。閉合開關J1,觀察放大器工作于乙類工作狀態(tài)時的輸出和輸入電壓波形(下列圖1所示)。斷開開關J1,觀察輸出和輸入波形(下列圖2所示),與上述步驟觀察的內(nèi)容進行比擬

9、。圖1 交越失真的波形圖2 不失真的輸出波形結果仿真仿真分析交流電橋平衡要滿足兩個條件。即相對兩臂復阻抗的模之積相等,并且其副角之和相等。所以交流電橋的平衡比直流電橋的平衡要復雜得多。對于純電阻交流電橋,由于應變片連接導線的分布電容,相當于在應變片上并聯(lián)了一個電容,如圖,所以在調(diào)節(jié)平衡時,除使用電阻平衡裝置外,還要使用電容平衡裝置。結果仿真仿真結果分析R1是要求直流供電的負載電阻,四只整流二極管D1D4結成電橋的形式,固有橋式整流電路之稱。在橋式整流電路中,二極管D1?D3和D2?D4是兩兩輪流導通的。在電源的正負半周內(nèi)電流通過電路時,負半周通過D2.4,正半周通過D1.3.通過負載R1的電流

10、以及電壓的波形如仿真圖所示。顯然,它們都是單方向的全波脈動波形結果仿真仿真分析根據(jù)數(shù)字信號的知識可知,所有信號都是由無窮個正余弦信號疊加在一起得到,通過對信號進行快速傅里葉變換即可得到信號的頻譜組成成分。通過仿真實驗可知,要想到達較好的濾波效果,設置的截止頻率必須大于信號基波頻率的10 倍以上,具體的設置還要參考噪聲的頻率。仿真電路仿真分析二階濾波器對于削減高頻信號能起到更高的效果。這種類型的濾波器的波特圖類似于一階濾波器,只是它的滾降速率更快。其它的二階濾波器最初的滾降速度可能依賴于它們的Q 因數(shù),但是最后的速度都是每倍頻 -12dB。本電路設計的二階低通濾波的截止頻率為放大倍數(shù)結果仿真仿真

11、結果分析比例放大器設置的放大倍數(shù)為-5 倍,信號源的幅值設置為500MV,頻率為1KHZ,根據(jù)仿真結果的波形 ,驗證了比例放大器的正確性。電路中的R3 起阻抗匹配作用結果仿真 仿真結果分析差動放大器的特點是靜態(tài)工作點穩(wěn)定,對共模信號有很強的抑制能力, 它唯獨對輸入信號的差(差模信號)做出響應,這些特點在電子設備中應用很廣。集成運算放大器幾乎都采用差動放大器作為輸入級。這種對稱的電壓放大器有兩個輸入端和兩個輸出端,電路使用正、負對稱的電源。根據(jù)電路的結構可分為:雙端輸入雙端輸出,雙端輸入單端輸出,單端輸入雙端輸出及單端輸入單端輸出四種接法。凡雙端輸出,差模電壓增益與單管共發(fā)放大器相同;而單端輸出

12、時,差模電壓增益為雙端輸出的一半,另外,假設電路參數(shù)完全對稱,那么雙端輸出時的共模放大倍數(shù)為0,其實測的共模抑制比將是一個較大的數(shù)值,愈大,說明電路抑制共模信號的能力愈強。 本系統(tǒng)R5、R6、R7、R8 產(chǎn)生直流差動信號,經(jīng)過差動放大器,放大有用信號的同時,抑制噪聲。R1、R2、R3、R4 組成差動放大器,電路的輸出 : 仿真分析如圖為單臂直流電橋電路,R2,R3,R4全為400歐,R1為滑動變阻器。當為如下圖時,R1為500歐姆,劃片為45%時加上12伏直流電壓,輸出為1.68伏。當R1變?yōu)?%時那么輸出電壓變?yōu)?伏,此時電橋的輸出電壓為UoUi.1 當應變片工作時,其電阻變化,此時不平衡電

13、壓輸出為。 2 設橋臂比,由于仿真分析 此電路是由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成的二階有源低通濾波電路,如上圖所示?？紤]到集成運放的同相輸入端電壓為(1) 而和的關系為(2) 對于節(jié)點A,應用KCL定理可得(3) 將式(1)(3)聯(lián)立求解,可得電路的傳遞函數(shù)為(4) 令(5) (6)那么有(7)式(7)為二階有源低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達式。輸出端接一個示波器,仿真后的波形如上圖所示。第五章 電荷放大器 電荷放大器實際上是一種具有深度負反應的高增益放大器,其等效電路如圖。假設放大器開環(huán)增益A足夠大,那么放大器的輸入端a點的電位接近于地電位;并且由于放大器的輸入級采用了場效應晶體管,

14、放大器的輸入阻抗很高。所以放大器輸入端幾乎沒有分流,運算電流僅流入反應回路,電荷q對反應電容Cf充電,充電電壓接近于放大器的輸出電壓:Uoucf-Q/CfUoucf-Q/Cf壓電式傳感器與電荷放大器連接的根本電路及等效電路如下由“虛地原理可知,將反應電容Cf和電阻Rf折合到放大器輸入端:根據(jù)等效電路的放大器輸出為對電荷前置放大器電路的特性,討論如下。(1)當A足夠大,且頻率足夠高時,滿足1+ACf (Ca+Cc),1/1+ARf>>1/Ra,和Cf >>1/Rf,放大器輸出電壓即為可見輸出電壓只取決于輸入電荷Q和反應電容Cf,改變Cf的大小即可得到所需的電壓輸出。在電荷

15、放大器的實際電路中,考慮到被測物理量的不同量程,以及后級放大器不致因輸入信號太大而引起飽和,反應電容Cf的容量是可調(diào)的,一般在100104pF范圍之間。(2)當頻率足夠高時,式變?yōu)?3)電荷放大器通常在反應電容的兩端并聯(lián)一個大的反應電阻Rf1081010,其功能是提供直流反應,以提高電荷放大器工作穩(wěn)定性和減小零漂。當工作頻率很低,但放大倍數(shù)A仍足夠大,式 變成說明,輸出電壓不僅與有Q關,而且與反應網(wǎng)絡的元件參數(shù)Cf 、Rf和傳感器信號頻率有關,其幅值為:當1/RfCf時,有此時放大器輸出電壓僅為高頻時輸出的 ,由此可得電荷放大器增益下降3dB的下限截止頻率為:此時放大器輸出電壓僅為高頻時輸出的

16、 ,由此可得電荷放大器增益下降3dB的下限截止頻率為:低頻時,輸出電壓與輸入電荷之間的相位差為 在截止頻率fL處 45° 可見壓電式傳感器配用電荷放大器時,其低頻幅值誤差和截止頻率只決定于反應電路的參數(shù)Rf和Cf,其中Cf的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定,當給定工作頻帶下限截止頻率fL時,反應電阻Rf值可由下限截止頻率公式計算確定。理想條件下,工作頻率足夠高,放大器增益足夠大,電荷放大器輸為 增益下降3dB 對應的下限截止頻率為此電路由電荷放大器電路、低通濾波電路及雙積分電路構成的。在電荷放大器電路中C1為傳感器本身的等效電容,R3為降壓電阻,防止信號突變電壓過大損壞放大器;C2

17、為隔直電容,防止傳感器本身的直流信號流入放大器影響信號質量;R2和C3共同構成低通濾波器,消除信號中的噪聲;R6起到阻抗匹配的作用;一般R5的阻值比擬大。仿真設計主要是為了確定電荷變換級的輸出到達準靜態(tài)特性的相關參數(shù),而做的前期仿真,并為后面的實際電路的制作提供可靠的理論依據(jù)。電荷變換級對運算放大器的要求主要在于:低漂移主要指低輸入偏置電流、低輸入失調(diào)電壓、寬頻帶、高增益、高輸入阻抗。為了減小低頻漂移,輸入電阻必須盡量高,至少不應該低于反應電阻。 在實際為了減少線路寄生電容的影響,得到必要的測量精度,C2的下限約為100pF。 根據(jù)以上電路進行仿真,信號的到了有效的轉換。第六章 誤差分析 本系

18、統(tǒng)的誤差來源主要有傳感器本身的寄生電容、電感、電阻,運算放大器的溫漂、帶寬、增益的影響,電阻、電容本身的寄生參數(shù)都會對本電路產(chǎn)生誤差影響。第七章結論 本次課程設計借助Multisim仿真軟件, 設計電路,快捷、方便的檢驗了電路的正確性。從電荷放大器的根底理論著手,推導了Q/V轉換及滿足準靜態(tài)特性的根本參數(shù)要求。運用Multisim軟件對所設計的電路進行了仿真,仿真結果說明:采用脈沖電流源等效電源的模型是合理的,理論分析結果和仿真結論一致。通過手動制作電荷放大器,連接示波器,觀察效果波形,結果與仿真電路波形根本一致。心得體會 經(jīng)過此次的課程設計,感觸最深的還是親手制作電荷放大器,理論與實踐相結合,更充分理解了理論知識,又增強了動手能力,很感謝老師能給予這次時機。我根本掌握了multisim模擬仿真軟件的使用方法,傳感器設計的根本思路。這次的課程設計,讓我們對于傳感器的設計仿真整個過程都有了一個很完整和客觀的認識,并在參與其中的電路設計和仿真中積累了非常珍貴的經(jīng)驗。 當然在進行設計的過程中,我也很快認識到了自己掌握的知識還缺乏,某些方面的能力還是不夠。這也讓我再次認識到知識的重要性,只有不斷的充實自己、完善自己的知識理論體系,才能夠更好的勝任自己以后的工作。這次課程設計接觸到的許多應用都是前所未見的,但是我明白