ICP傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）傳感器及電源通用控制器的設(shè)計(jì)學(xué) 生：趙磊學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：尹愛軍 專 業(yè)：機(jī)械電子工程重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二O一一年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityDesign of Senor and Source General Controller Undergraduate: Zhao Lei Supervisor: Prof. Yin Aijun Major: Mechanical-electronic EngineeringCollege of Mechanical En

2、gineeringChongqing UniversityJune 2011專心-專注-專業(yè)摘 要 測(cè)試技術(shù)與測(cè)試儀器是獲取信息、分析和處理測(cè)量數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)和手段，是從事科學(xué)研究、產(chǎn)品質(zhì)量分析檢驗(yàn)與控制不可獲取的工具。機(jī)械科學(xué)里測(cè)試也是很重要的一個(gè)研究分支，機(jī)械里面的測(cè)試有機(jī)械的振動(dòng)、噪聲等測(cè)試，其中機(jī)械振動(dòng)的測(cè)試及工程上很重要的一部分，隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)理論技術(shù)的水平的提高，現(xiàn)代的振動(dòng)測(cè)試過采用電測(cè)法，但是在機(jī)械行業(yè)里面機(jī)械式的測(cè)振法仍然是以振動(dòng)傳感器為理論基礎(chǔ)的。現(xiàn)在工程測(cè)試中廣泛采用的機(jī)械量的電測(cè)原理和技術(shù)，也就是首先使用各種轉(zhuǎn)換裝置傳感器來將不同信號(hào)的物理特征轉(zhuǎn)為具有物理特性的電信

3、號(hào)。所以傳感器在機(jī)械測(cè)試中是占有很重要的地位的。要做好機(jī)械測(cè)試這一塊的工作，我得做好測(cè)試整個(gè)過程中的每一步。而傳感器要很好的工作它肯定是需要完善的調(diào)理電路。 而在機(jī)械的測(cè)試技術(shù)中常用到得就是兩種傳感器，普通的壓電式加速度傳感器和ICP加速度傳感器，兩者的應(yīng)用都很廣泛，在現(xiàn)代的機(jī)械測(cè)試中都應(yīng)用的很多。本文將為讀者介紹兩種傳感器的結(jié)構(gòu)，在測(cè)試中的應(yīng)用，以及兩種傳感器使用的差別。兩種傳感器之間又由于內(nèi)部有小的細(xì)微差別使他們?cè)跍y(cè)試的時(shí)候擁有不同的測(cè)試通道，這樣我們的測(cè)試儀器上就需要給兩種傳感器配備不同的通道口，是儀器顯得繁重而且給測(cè)試工作帶來煩惱，在本文中將以簡(jiǎn)化測(cè)試人員的工作，簡(jiǎn)化測(cè)試儀器的為目的設(shè)

4、計(jì)一個(gè)傳感器自動(dòng)識(shí)別及調(diào)理電路來實(shí)現(xiàn)傳感器通道口的共用問題，同時(shí)也解決ICP傳感器的恒流源供電。于此同時(shí)對(duì)于所設(shè)計(jì)的電路我們也需要為其設(shè)計(jì)一個(gè)專門的電源管理模塊來實(shí)現(xiàn)的智能的電源管理。本電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用可靠，采用簡(jiǎn)單常用的電路實(shí)現(xiàn)?？梢酝瓿蓚鞲衅鞯淖詣?dòng)識(shí)別，完成傳感器的調(diào)理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的準(zhǔn)確采集。關(guān)鍵詞：壓電式加速度傳感器 電荷前置放大器 傳感器自動(dòng)識(shí)別 恒流源電路 電池的智能管理 ABSTRACTTesting technology and test equipment are the key technologies and means to obtain information, a

5、nalysis and processing of measured data,which is indispensable in scientific research, product testing and the control of quality analysis . Testing technology is a very important branch of machinery scientific, which including the mechanical vibration and noise testing, vibration testing of the mac

6、hine is an important part of engineering.With the development of production technology and the improving of the level of scientific theory. Vibration testing using modern electric method, but in the machinery industry which mechanical vibration testing is still based on vibration sensors. Now electr

7、ical mechanical principles and techniques measuring are widely used in engineering testing , which the first step is to use a variety of conversion devices such as sensors to convert the physical characteristics of the different signals into electrical signals that have the physical properties .So t

8、he sensors plays a very important position in the mechanical testing.To make sure the testing work well, and must make every step of the process work well .To make sure the sensor work well,a improve conditioning circuit is absolutely necessary . Two types of sensors are often used in the mechanical

9、 testing techniques , the average ICP piezoelectric acceleration sensor and acceleration sensor, the two applications are both widely used,which are often used in the modern application of mechanical testing.In this article it will simplely introduce the structure of the two sensors in the test appl

10、ication, and the difference between the two sensors.Because the two sensors have different structure ,they have a different test channels when they are used . So we need a test instrument that are equipped with two sensors' channels,which has caused trouble to the test instrument .In this paper

11、we will simplify the work of testers, test equipment for the purpose of simplifying the design of a sensor and conditioning circuit to automatically identify the sensor openings common problems, while also addressing the constant current source for the ICP sensorelectricity.At the same time for the

12、circuit we also need to design a dedicated power management module to achieve the intelligent power management. The circuit system is very simple, but which is reliable in application, and the circuit are made of usual simple circuits.The circuit can complete the automatic identification of two sens

13、ors to complete the sensor conditioning, which can achieve signal accurately.KEY WORDS: piezoelectric acceleration sensor preamplifier of charge automatic identification of sensors constant current source circuit intelligent management of charge目 錄摘 要IABSTRACTII目 錄IV第一章 緒論61.1 課題的來源與意義61.2 機(jī)械振動(dòng)測(cè)試的意義

14、61.3 傳感器調(diào)理及自動(dòng)識(shí)別電路設(shè)計(jì)的意義6第二章 傳感器輸出信號(hào)的分析92.1 壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)與原理82.1.1 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)82.1.2 典型的電荷放大系統(tǒng)82.1.3 ICP傳感器測(cè)試系統(tǒng)92.2 非ICP傳感器的輸出信號(hào)的分析102.3 ICP傳感器輸出信號(hào)的分析112.4 兩種傳感器信號(hào)的比較12第三章 恒流源模塊的設(shè)計(jì)133.1恒流源電路133.2 恒流源的實(shí)現(xiàn)133.1.1 采用集成運(yùn)放構(gòu)成的線性恒流源143.2.2 采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開關(guān)恒流源143.2.3 采用LM334芯片實(shí)現(xiàn)恒流源153.3 LM334搭建恒流源15第四章 傳感器信號(hào)的識(shí)別與檢測(cè)2

15、04.1 LM3339比較器電路204.2 所需比較器電路的搭建244.3 自動(dòng)匹配的實(shí)現(xiàn)原理244.4 電路切換開關(guān)的選型分析244.4.1 電磁繼電器244.4.2 模擬開關(guān)254.5自動(dòng)匹配的實(shí)現(xiàn)的原理274.6 非ICP傳感器工作時(shí)信號(hào)的檢測(cè)304.6.1 雙限比較器檢測(cè)信號(hào)304.6.2 單限比較器檢測(cè)信號(hào)304.6.3 555單穩(wěn)態(tài)電路304.6.4 74HC123單穩(wěn)態(tài)31第五章 電源管理以及整體電路圖的設(shè)計(jì)315.1 電源管理315.2 輔助電路325.3 整體電路圖的設(shè)計(jì)335.4 電路板得制作33第六章 結(jié)論與展望346.1 工作總結(jié)與結(jié)論346.2 展望34參考文獻(xiàn)36附

16、錄A：電器原理圖.38附錄B：PCB圖.39致 謝40 第一章 緒論1.1 課題的來源與意義在機(jī)械的工作工程中，振動(dòng)是不可避免存在的，但是振動(dòng)的存在是不能忽視的，振動(dòng)帶來的影響可能是不可估計(jì)的，比如是在高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械中如果有較大的振動(dòng)的存在，就可能引起螺釘?shù)乃蓜?dòng)等，造成很嚴(yán)重的事故。因此在機(jī)械的測(cè)試工程中，對(duì)于振動(dòng)的測(cè)試是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，為了測(cè)試出機(jī)械工作過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)我們就要用到測(cè)振動(dòng)的傳感器，在測(cè)試中用到的最多的就是壓電式加速度傳感器，通過測(cè)機(jī)械振動(dòng)過程中的振動(dòng)的加速度信號(hào)來測(cè)得機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)。1.2 機(jī)械振動(dòng)測(cè)試的意義 隨著現(xiàn)代科學(xué)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，除了對(duì)各種機(jī)械設(shè)備提出了低振級(jí)

17、和低噪聲的要求外，還應(yīng)隨時(shí)對(duì)生產(chǎn)過程或設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、診斷，對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行控制，這些都離不開振動(dòng)測(cè)量。為了提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗振性能，有必要進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析和振動(dòng)設(shè)計(jì)，找出薄弱環(huán)節(jié)，以改善抗振性能。另外，對(duì)于許多承受復(fù)雜載荷或本身性質(zhì)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如阻尼系數(shù)、固有頻率和邊界條件等，目前尚無法用理論公式正確計(jì)算，振動(dòng)試驗(yàn)和測(cè)量便是唯一的求解方法。因此，振動(dòng)測(cè)試在工程技術(shù)中起著十分重要的作用。振動(dòng)測(cè)試的目的，歸納起來主要有以下幾個(gè)方面：(1)檢查機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)特性，以檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量；(2)測(cè)定機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以便確定機(jī)器設(shè)備承受振動(dòng)和沖擊的能力，并為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)

18、計(jì)提供依據(jù)；(3)分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因，尋找振源，以便有效地采取減振和隔振措施；(4)對(duì)運(yùn)動(dòng)中的機(jī)器進(jìn)行故障監(jiān)控，以避免重大事故。1.3 傳感器調(diào)理及自動(dòng)識(shí)別電路設(shè)計(jì)的意義 機(jī)械振動(dòng)測(cè)試如此的重要而在測(cè)試過程中用到的最多的是壓電式加速度傳感器，壓電式加速度傳感器又主要是分為普通的壓電式傳感器我和ICP式壓電式加速度傳感器，在以后的章節(jié)中我們就稱前者為非ICP式傳感器，后者為ICP式傳感器。兩種傳感器都是通過測(cè)振動(dòng)的加速度來測(cè)得振動(dòng)信號(hào)的，從應(yīng)用上看他們的主要區(qū)別就是非ICP式傳感器不需要外接電源供電，直接就能進(jìn)行測(cè)試，得到信號(hào)。但是ICP傳感器則需要外接恒流源對(duì)其進(jìn)行供電才能使之正常的工作測(cè)出振

19、動(dòng)信號(hào)來（兩種傳感器的具體的不同之處我們將在接下來的章節(jié)里進(jìn)行全面詳細(xì)的介紹）。所以兩種傳感器在使用的工程中我們就必須給他們?cè)O(shè)計(jì)專門的借口電路，兩者是不能共用接口的，但是兩種傳感器的外形上很難區(qū)分出來，所以我們就試著想要將兩種傳感器的接口融合起來使之一個(gè)接口可是適應(yīng)兩者不同的傳感器，電路內(nèi)部識(shí)別傳感器的類型，選擇要不要給傳感器提供恒流源，這樣一樣就給我們的測(cè)試工作帶來了方便，測(cè)試人員就可以專心的去研究測(cè)試信號(hào)的問題了。第二章 傳感器輸出信號(hào)的分析2.1 壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)與原理2.1.1 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)基于壓電效應(yīng)的傳感器，其機(jī)構(gòu)原理圖如圖1所示，它是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感

20、器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測(cè)量力和能變換為力的非電物理量1。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。 圖1.壓電式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖2.1.2 典型的電荷放大系統(tǒng)在上面已經(jīng)提到了壓電式傳感器的特點(diǎn)就是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。但是缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，所以一般都需要配套的放大器電

21、路，圖2為典型的電荷放大測(cè)試系統(tǒng)。 圖2. 典型電荷放大測(cè)試系統(tǒng) 壓電加速度傳感器在振動(dòng)與沖擊測(cè)試中應(yīng)用最為廣泛，但由于壓電傳感器的壓敏元件具有很高阻抗，它產(chǎn)生的是微弱的電荷信號(hào)，所以需要一個(gè)前置放大器將傳感器的高阻抗輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為低阻抗信號(hào)23。外置的前置放大器可分為電壓放大器與電荷放大器兩種，電壓放大器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，線性度和穩(wěn)定性好，但它的靈敏度受電纜分布電容的影響，當(dāng)連接電纜長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，電壓靈敏度也會(huì)隨之發(fā)生變化。電荷放大器的靈敏度雖然受電纜分布電容的影響很小，但電纜受到振動(dòng)和彎曲時(shí)，電纜芯線和絕緣體之間、絕緣體和金屬屏蔽層之間由于相對(duì)移動(dòng)摩擦產(chǎn)生靜電荷，會(huì)造成電纜噪聲。這些都給測(cè)試

22、工作帶來了麻煩，因此就有了ICP傳感器的產(chǎn)生。2.1.3 ICP傳感器測(cè)試系統(tǒng)ICP（Integrated Circuits Piezoelectric）傳感器就是指內(nèi)置了集成電路的壓電傳感器。與前面所講外置前置放大器的壓電傳感器相比，它可以克服以上缺點(diǎn)。典型的ICP系統(tǒng)采用恒流源供電，供電電纜同時(shí)做為信號(hào)輸出線，輸出信號(hào)為低阻抗信號(hào)456。整個(gè)系統(tǒng)包括ICP傳感器，普通的雙芯電纜和一個(gè)不間斷電源，所有的ICP系統(tǒng)都需要一個(gè)不間斷恒流電源為ICP傳感器提供恒定的電流，就能進(jìn)行測(cè)試，從中讀取振動(dòng)信號(hào)，典型的ICP測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示： 圖3 典型的ICP測(cè)試系統(tǒng)2.2 非ICP傳感器的輸出信號(hào)的分

23、析非ICP傳感器沒有外接電源，它就是基于壓電效應(yīng)的傳感器。是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。通過對(duì)壓電式傳感器結(jié)構(gòu)的分析知道當(dāng)傳感器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)如果有震動(dòng)存在那么由于質(zhì)量塊的慣性的存在就會(huì)對(duì)壓電材料進(jìn)行擠壓，進(jìn)而壓電材料表面就會(huì)產(chǎn)生電荷，而產(chǎn)生的電荷量的大小與壓電材料所受到的壓力是成正比的因而也是與傳感器移動(dòng)的加速度成正比的，這就是壓電式加速度傳感器的工作原理。這樣一來我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)傳感器在沒有在沒有振動(dòng)信號(hào)存在的時(shí)候，它輸出的信號(hào)應(yīng)該就是0，因?yàn)闆]有外接電源，內(nèi)部也不是有源結(jié)構(gòu)，所以是沒有直接偏置量存在的。一旦檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)，那么它就將輸出微

24、弱的電荷信號(hào)。為了證明我們所分析的問題的正確性，將我們所要用到得壓電式加速度傳感器放在振動(dòng)平臺(tái)上面，開啟振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，傳感器的兩根輸出線接在示波器上觀察，我們就得到了基于0V的上下波動(dòng)的信號(hào)，由于我們的振動(dòng)平臺(tái)是基于正弦波得激振模式，所以我們觀察到示波器上顯示的為正弦信號(hào)，如圖4所示： 圖4. 非ICP傳感器輸出信號(hào) 2.3 ICP傳感器輸出信號(hào)的分析ICP傳感器是由恒流源芯片供電，LM334芯片我們選中24V直流電對(duì)其供電，如圖5所示： 圖.5 傳感器接線圖5中，JP1和JP2處就可以接傳感器和引出傳感器的信號(hào)（ICP傳感器有兩根引線，它們即是給傳感器供電的線，同時(shí)也是傳感器信號(hào)的引出線），

25、若還沒接上傳感器根據(jù)前面對(duì)于恒流源電路的分析，那么在JP1和JP2處可以用電流表檢測(cè)到4mA的電流，如果沒有檢測(cè)到，或者是不為4mA，那么這個(gè)恒流源的電路就沒有搭建好。對(duì)我們搭建好的電路進(jìn)行檢測(cè)，電流表的示數(shù)為4mA，證明我們所搭建的電路是正確的。查閱資料得知，這個(gè)時(shí)候JP1和JP2之間的電壓應(yīng)該為11V12V之間，對(duì)我們的電路測(cè)一下，為11.5V，這是一個(gè)很重要的電壓，對(duì)于我們后續(xù)傳感器信號(hào)的識(shí)別是很關(guān)鍵的1011。再接上我們的ICP傳感器，將其接在JP1處，JP2作為我們信號(hào)的輸出引線段，接在示波器上觀察，開啟我們的振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，調(diào)節(jié)我們的示波器選著交流耦合方式（也就是濾掉直流分量，只檢測(cè)

26、交流分量），觀察示波器同樣得到了一個(gè)正弦信號(hào)，信號(hào)的頻率和我們振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的激振頻率一樣。說明我們所設(shè)計(jì)的恒流源能夠使我們的ICP傳感器正常工作。再調(diào)節(jié)示波器選擇直流耦合（既測(cè)直流信號(hào)又測(cè)交流信號(hào)）觀察示波器發(fā)現(xiàn)，和有一個(gè)直流分量存在。查閱資料上面說ICP傳感器輸出的信號(hào)不是基于0V的一個(gè)信號(hào)輸出而是帶有9V左右的直流分量的，用電壓表測(cè)JP2兩端的電壓，測(cè)得一個(gè)9V的電壓。傳感器沒有檢測(cè)信號(hào)，只要接在了恒流源上面就會(huì)產(chǎn)生這樣的一個(gè)信號(hào)。示波器上觀察到如圖6所示：圖6 ICP傳感器傳輸信號(hào) 2.4 兩種傳感器信號(hào)的比較通過上面對(duì)于兩種傳感器信號(hào)的分析，我們可以知道ICP傳感器和非ICP傳感器最大

27、的區(qū)別就在于ICP傳感器只要是接在了恒流源上面就會(huì)有9V左右的直流分量存在，工作的時(shí)候也是存在的。而非ICP傳感器是沒有直流分量的，那當(dāng)它接在恒流源上會(huì)是什么的情況呢。剛開始很擔(dān)心當(dāng)我們的非ICP傳感器接在恒流源上面會(huì)不會(huì)被燒壞，詢問導(dǎo)師，導(dǎo)師說這個(gè)問題可以詢問生成傳感器的技術(shù)工程師，他們比較清楚，于是我就打電話詢問了上海一個(gè)傳感器制造公司的一位工程師，那位工程師說這些都是小電壓對(duì)傳感器沒什么影響。這樣我就大膽的將非ICP傳感器接在恒流源上面，測(cè)兩端的電壓，看看兩種傳感器在恒流源上表現(xiàn)出現(xiàn)的情況的差別，發(fā)現(xiàn)非ICP接上去以后JP2兩端的電壓為0V，這是一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)，我們可以利用這一點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)兩

28、種傳感器在電路中的識(shí)別。因?yàn)槲覀兊脑O(shè)計(jì)是將兩種傳感器都接在同一個(gè)通道口上，所以我們就必須知道兩種傳感器接在通道口上后表現(xiàn)出來的不同特性，然后通過電路來檢測(cè)這些特性，來實(shí)現(xiàn)傳感器的自動(dòng)識(shí)別，我們已經(jīng)找出了一個(gè)特性那就是他們接在恒流源之后的輸出信號(hào)的直流分量有很大的差別。這就是我們自動(dòng)識(shí)別的主要思路。第三章 恒流源模塊的設(shè)計(jì)3.1恒流源電路恒流源是輸出電流保持恒定的電流源，而理想的恒流源應(yīng)該具有以下特點(diǎn)： a)不因負(fù)載(輸出電壓)變化而改變； b)不因環(huán)境溫度變化而改變； c)內(nèi)阻為無限大（以使其電流可以全部流出到外面）。 能夠提供恒定電流的電路即為恒流源電路，又稱為電流反射鏡電路，如圖7所示。

29、圖7. 恒流源電路系統(tǒng)ICP傳感器的輸出信號(hào)是帶有一定量的直流分量的，因此不能直接被A/D采集電路獲取，必須經(jīng)恒流源電路為其供電，并將其信號(hào)調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)（如5V）。其原理圖見圖 ： 圖8. ICP傳感器工作圖由于ICP傳感器輸出的就是放大的信號(hào)，所以干擾對(duì)其的影響小，信噪比高，即使在惡劣的工廠環(huán)境下，ICP加速的傳感器也都可以利用。所以我們就要為ICP傳感器設(shè)計(jì)一個(gè)合適的恒流源電路。 3.2 恒流源的實(shí)現(xiàn)恒流源的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)有很多的方法最簡(jiǎn)單的恒流源電路就是FET或者恒流二極管，但是這些電路實(shí)現(xiàn)的恒流源的穩(wěn)定度也是比較差的，我們對(duì)折現(xiàn)恒流源電路進(jìn)行分析，選出一種適合我們ICP傳感器供電電路的。

30、3.1.1 采用集成運(yùn)放構(gòu)成的線性恒流源其結(jié)構(gòu)原理圖如圖9所示： 圖9. 集成運(yùn)放構(gòu)成的線性恒流源 如圖8所示其工作原理是：如果電源波動(dòng)使U in降低, 從而使負(fù)載電流減小時(shí), 則取樣電壓U S 也將減小, 從而使取樣電壓與基準(zhǔn)電壓的差值(U S - U ref) 減小。由于U IA 為反相放大器, 因此其輸出電壓U b = (R 5öR4 ) ×U a 升高, 從而通過調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)使U S 升高恢復(fù)到原來的穩(wěn)定值, 保證了U S 的電壓穩(wěn)定,從而使電流穩(wěn)定7。 調(diào)整RW , 可實(shí)現(xiàn)電流值在0 4A 之間連續(xù)可調(diào)。它實(shí)現(xiàn)的是較大的恒流源電流，而我們的ICP傳感器所需要的是小電流

31、，所不適合我們作為我們ICP傳感器的恒流源。3.2.2 采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開關(guān)恒流源 圖10. 采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開關(guān)恒流源 如圖10所示，MC7805為三端集成穩(wěn)壓器，RL為可負(fù)載電阻 ，RW為可調(diào)電阻器。工作原理: 三端集成穩(wěn)壓器工作在懸浮狀態(tài), 在輸出端2 和公共端3 之間接入一可變電阻RW , 從而形成一固定恒流源8。調(diào)節(jié)RW的值 , 可以改變電流的大小, 其輸出電流為: 由于7805本身的穩(wěn)壓就存在誤差，而且此電路實(shí)現(xiàn)的也主要是較大電流，因此也是不適合我們的ICP傳感器的。3.2.3 采用LM334芯片實(shí)現(xiàn)恒流源 采用單片集成芯片LM334給ICP提供恒流源電路，LM334是三端

32、恒流器，使用起來很方便?？烧{(diào)電流來源具有10000:1的工作電流范圍，優(yōu)秀的電流調(diào)節(jié)電壓和寬動(dòng)態(tài)范圍1V至40V的。最簡(jiǎn)單的恒流源只需一個(gè)外部電阻而不需要其他地方電路就能實(shí)現(xiàn)。初始電流精度為±3。 圖11. LM334構(gòu)成恒流源如圖11所示用此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)外接電阻就能實(shí)現(xiàn)從4uA到10mA的恒流輸出，因此我們選用LM來搭建我們的恒流源系統(tǒng)3.3 LM334搭建恒流源LM334的特性：1. 工作電壓從1V40V 2. 0.02/ V電流調(diào)節(jié)。3. 可編程的電流范圍1uA10mA。4. 真正的兩端操作。5. 能夠作為指定的溫度傳感器 6. 初始精度為±3如圖11所示

33、為我們所用到的LM334的封裝圖 圖12. LM334的封裝芯片的典型的性能特性如圖13所示： 圖13. LM334的性能特性圖如圖11所示，計(jì)算 通過LM334（的）的電流的總和是通過設(shè)置電阻（）和LM334的偏置電流（）的和，如圖11所示為電流的流過情況。 使用時(shí)，只要在R端和U之間接電阻就可構(gòu)成不用獨(dú)立電源的兩端理想橫流浮置源，改變可改變恒流源的電流值，并有=67.7mV/選擇不用的可使恒流源從1uA到10mA連續(xù)可調(diào)。其工作電壓可從1V到30V，典型的工作電壓為24V，工作溫度為0+70。 由于（給定的設(shè)置電流）在中占很小的比例，因此可以等效的寫成： 圖14. 溫度影響在這里n是其中n

34、是ISET的比例在指定的IBIAS電氣特性部分，并顯示在圖14。由于n通常為2A18一毫安ISET的，該方程可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：作為一個(gè)零點(diǎn)溫度系數(shù)電流源的應(yīng)用： 增加一個(gè)二極管和一個(gè)電阻在一般的LM334電路上就能夠消除LM334溫度系數(shù)的影響特性。電路如圖15所示： 圖15. 改進(jìn)后的LM334恒流源 如圖15所示，它通過加二級(jí)管來消除由于溫度變化所引起的電流漂移，要設(shè)置的電流Iset是電流和的總和每一端大概都是提供50%的設(shè)置的電流。對(duì)于通常是包含在里面的大概增加了的值大約為5.9%。 其中： 利用下面的等式減少電路中的臨時(shí)參數(shù)值。給出了一個(gè)例子用+227uV/作為芯片的參數(shù)，2.5mV/作

35、為二極管的參數(shù)（為了得到最好的結(jié)果，這個(gè)值應(yīng)該直接被測(cè)量出來或者是從制造商那里得到這個(gè)二極管的參數(shù)值）。 隨著R1和R2之間的比例的確定，R1和R2的值就應(yīng)該根據(jù)我們需要設(shè)置的電流來設(shè)置它們的值。計(jì)算T=25時(shí)設(shè)定電流的計(jì)算公司如下面所示，接下來的這個(gè)例子就是在二極管是上的壓降是0.6V，這個(gè)電壓相交的電阻值R1是67.7mV（64mV+5.9% ） R1/R2= 10 (從前面的計(jì)算得知）。 這個(gè)電路會(huì)消除大部分LM334的溫度影響，而且具有很好的效果即使這個(gè)二極管的特征值不是很準(zhǔn)確。 LM334功能強(qiáng)大，還有很多典型的應(yīng)用電路，在這里我們就不一一介紹了，從上面對(duì)于LM334的分析在我們?cè)O(shè)計(jì)

36、我們ICP傳感器的恒流源的時(shí)候我們就只是考慮我們電路受到溫度的影響，所以我們選用加一個(gè)二極管的那種消除溫度影響的方式來設(shè)計(jì)我們的恒流源電路20。恒流源電路的計(jì)算：由ICP傳感器的參數(shù)知道ICP傳感器的工作是所需要的恒流源提供的電流的大小是4mA，所以我們要利用上面介紹的LM334的典型電路搭建一個(gè)為我們ICP傳感器提供4mA電流的恒流源電路。選用帶有一個(gè)二極管消除溫度影響的電路。計(jì)算公式為： 所以： R1=34因?yàn)闆]有34電阻的存在，雖然可以利用其他阻值的電阻搭建，不過顯得太麻煩，我們選用33的電路，計(jì)算一下得到的電流是4.06mA 誤差很小，只有1%左右。所以R1=33。 由 R2/R1=1

37、0 得 R2=330 電路圖如圖16所示： 圖16. 搭建的ICP傳感器恒流源這樣我們就完成了ICP傳感器的恒流源的搭建，只需要將ICP傳感器接在上面就能正常的工作了。恒流源為ICP傳感器提供電流的線路同時(shí)也是ICP傳感器信號(hào)的輸出線路，我們只需要在這上面引出一線將ICP的輸出信號(hào)分離出來即可。第四章 傳感器信號(hào)的識(shí)別與檢測(cè)兩種傳感器的接在恒流源上后的電壓不同，這是我們檢測(cè)的出發(fā)點(diǎn)，那我們又要通過什么樣的方法來檢測(cè)我們的電壓的不同。我們很容易就行到了比較器，通過比較電路我們很容易就將兩種信號(hào)去分開了。只需做一次電壓的比較就能知道傳感器到底是ICP的還是非ICP的。比較器可以用的芯片有很多，LM

38、324 LM339 等比較器芯片、集成運(yùn)放芯片都可以拿來做比較器89，為了夠買器材方便，比較電路容易搭建，我們就選用一般的常見的比較器芯片進(jìn)行搭建。我們選用常見的比較器芯片LM339。4.1 LM339比較器電路LM339系列的四輸入獨(dú)立比較器，擁有很低的比較電壓，能夠比較2.0mV的電壓，能夠在單電壓供電下工作，也可以在正負(fù)電壓雙電壓下工作。LM339芯片的特性：1.較寬的單電壓供電2.0VDC36VDC 或者雙電壓供2V18V2.非常低的電流驅(qū)動(dòng)（0.8mA）獨(dú)立的電源供電3.低的輸入基極電流25nA4.低的輸入偏置電流5nA和偏置電壓5.輸出電壓能夠與TTL，DTL，ECL，MOS和CM

39、OS邏輯系統(tǒng)兼容LM339引腳圖： 圖17. LM339引腳圖 LM339的一些典型應(yīng)用： 1. A/D 轉(zhuǎn)換器 2. MOS時(shí)鐘生成器 3. 高電壓邏輯門LM339的輸出端不具驅(qū)動(dòng)能力，所以在輸出端要加上拉電阻，也正是因?yàn)檫@樣所以他具有很好的兼容性，能夠兼容TTL，CMOS等芯片。應(yīng)用也更為廣泛了。典型應(yīng)用的電路圖： 】 圖18.LM339典型應(yīng)用電路 LM339的應(yīng)用很廣，我們這里只是要用它來搭建比較器，比較器有很多類型有單限比較器，過零比較器，遲滯比較器，雙限比較器等。LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，

40、另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高

41、電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。單線比較器： 圖給出了一個(gè)基本單限比較器。輸入信號(hào)Uin，即待比較電壓，它加到同相輸入端，在反相輸入端接一個(gè)參考電壓（門限電平）Ur。當(dāng)輸入電壓Uin>Ur時(shí)，輸出為高電平UOH。圖19為其工作特性： 圖19. 單限比較器的工作特性 滯比較器：遲滯比較器又可理解為加正反饋的單限比較器。前面介紹的單限比較器，如果輸入信號(hào)Uin在門限值附近有微小的干擾，則輸出電壓就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的抖動(dòng)（起伏）。在電路中引入正反饋可以克服這一缺點(diǎn)。圖給出了一個(gè)遲滯比較器，人們所熟悉的“史密

42、特”電路即是有遲滯的比較器。圖20為遲滯比較器的傳輸特性。 圖20. 滯比較器工作特性雙限比較器（窗口比較器）：圖21電路由兩個(gè)LM339組成一個(gè)窗口比較器。當(dāng)被比較的信號(hào)電壓Uin位于門限電壓之間時(shí)（UR1<Uin<UR2)時(shí)輸出為高。 圖21 雙限比較器4.2 所需比較器電路的搭建在這里我們所要用到的是單限比較器，根據(jù)上面對(duì)LM339的分析和認(rèn)識(shí)，我們就可以搭建一個(gè)我們所需要的來檢查電壓值的比較器：搭建好之后的電路圖如圖22所示： 圖22. 比較器電路 把傳感器與恒流源連接之后產(chǎn)生的信號(hào)引入到比較器的比較端子，如果是ICP傳感器接在了通道口上，那么7端口輸入的電壓為9V左右是大

43、于6端口的電壓5V的這個(gè)時(shí)候輸出端1將輸出高電平，由于本身不帶驅(qū)動(dòng)能力，我們選用5V作為高電平，選用5.1K電阻作為上拉電阻這樣輸出就為5V的高電平（選用5V作為輸出的高電平是為了能與后續(xù)電路兼容）。 當(dāng)接在通道口上的是非ICP傳感器的時(shí)候，JP2端得電壓將被拉低（前面已經(jīng)介紹過），這樣7端口的輸入電壓就為0V左右是小于6端口電壓（5V），這個(gè)時(shí)候1端口輸出端就輸出低電平。 通過兩種傳感器的信號(hào)經(jīng)比較器后能形成高低電平，為我們的后續(xù)電路的構(gòu)建提供了很好的作用。4.3 自動(dòng)匹配的實(shí)現(xiàn)原理上一節(jié)已經(jīng)利用LM339搭建的比較器電路實(shí)現(xiàn)了兩種傳感器的識(shí)別，他們都是通過硬件電路實(shí)現(xiàn)的，可靠性高，速度快，

44、識(shí)別出來以后得到的就是高低電平信號(hào)，我們要對(duì)這個(gè)高低電平信號(hào)進(jìn)行一些處理來實(shí)現(xiàn)傳感器電路的自動(dòng)匹配。這里的自動(dòng)匹配主要是恒流源的問題，兩種傳感器通過同一個(gè)接口電路與內(nèi)部的調(diào)理電路相連接，而接口內(nèi)部主要就是恒流源模塊，所以通道口始終都是與內(nèi)部的恒流源連接在一起的。在這樣的情況下，如果接入的ICP傳感器就不需要做調(diào)整，ICP傳感器正需要恒流源進(jìn)行供電，所以只要將ICP傳感器接入到通道口它就開始正常工作，我們就直接可以從接口處引出信號(hào)來。而對(duì)于非ICP傳感器的接入我們要做的工作就很多了，因?yàn)榉荌CP傳感器是不需要恒流源的，如果給它恒流源工作那么它就不能正常的工作，輸出的信號(hào)也是沒有用的信號(hào)。所以我們

45、要做的第一步工作就是實(shí)現(xiàn)非ICP傳感器與恒流源供電模塊的切斷。 要實(shí)現(xiàn)他們之間的切斷，那么他們之間肯定是不能直接只用導(dǎo)線連接起來，他們之間就需要一個(gè)開關(guān)，開關(guān)是工作在常開的模式下（也就是恒流源與通道口相接通）。這個(gè)開關(guān)的作用就是當(dāng)接入ICP傳感器的時(shí)候（LM339比較器通過檢測(cè)信號(hào)輸出高電平+5V），開關(guān)不切換維持閉合的狀態(tài)，使恒流源持續(xù)為傳感器供電，進(jìn)行信號(hào)的采集。當(dāng)接入的是非ICP傳感器時(shí)（LM339輸出低電平），開關(guān)切斷電路，是同道口與恒流源供電模塊切斷，這樣非ICP傳感器才能正常工作4.4 電路切換開關(guān)的選型分析 要實(shí)現(xiàn)電路的切換需要開關(guān)，開關(guān)只要有機(jī)械式的（電磁繼電器），電子式的（模

46、擬開關(guān))。4.4.1 電磁繼電器 電磁繼電器一般由,銜鐵,彈簧片,觸點(diǎn) 等組成的，其工作電路由低壓控制電路和高壓工作電路兩部分組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的與（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分：未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。 因

47、為這里所用控制的電路電壓很低，也就是恒流源的輸出端得電壓，所以選用松樂公司生產(chǎn)的SRS05VDCSL 型號(hào)的電磁繼電器，它的線圈控制電壓為直流5伏，工作電流：40mA，吸合電壓：75%*5V ，5%*5V 觸點(diǎn)電阻：100 機(jī)械壽命：10,000,000 觸點(diǎn)的負(fù)載能力：3A 120VAC/3A 30VDC 。 圖23. 電磁繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖23所示： 1. 這里開關(guān)要對(duì)恒流源進(jìn)行接觸，所以要求接觸的時(shí)候能很好的接觸不能都抖動(dòng)存在，因?yàn)檫@里做的是信號(hào)的檢測(cè)很小的抖動(dòng)都會(huì)引起信號(hào)的變化，給我的測(cè)試帶來誤差 2. 當(dāng)開關(guān)切斷以后不能對(duì)接口處產(chǎn)生干擾，所以要求與恒流源的電路完全端口

48、，它自身也不能對(duì)接口產(chǎn)生干擾。 繼電器的原理圖上說面它切斷以后是和恒流源是機(jī)械式的斷開的，所以恒流源理論上不會(huì)對(duì)我們的外面?zhèn)鞲衅鳟a(chǎn)生影響，那這個(gè)機(jī)械式的開關(guān)又會(huì)不會(huì)產(chǎn)生影響。理論上不能進(jìn)行分析，我們就進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)。通過一個(gè)小的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)械式的開關(guān)會(huì)對(duì)外面?zhèn)鞲衅鞑杉盘?hào)產(chǎn)生影響，原因我再做分析了。因?yàn)闄C(jī)械式的開關(guān)的缺點(diǎn)不只是它會(huì)產(chǎn)生干擾，它還存在電磁線圈的驅(qū)動(dòng)問題，我們?cè)O(shè)計(jì)的電路是小功率的電路，電磁線圈工作的時(shí)候消耗的電能過大，這對(duì)于我們電路的電源部分的設(shè)計(jì)帶來了麻煩，而且利用得到的控制信號(hào)（LM339輸出端）來驅(qū)動(dòng)我們電磁繼電器本來就是很困難的事，得另外選用三級(jí)管利用三級(jí)管搭建電路來實(shí)現(xiàn)電

49、磁繼電器的驅(qū)動(dòng)，這樣又給我們電路的設(shè)計(jì)帶來了巨大的麻煩。4.4.2 模擬開關(guān) 除了機(jī)械式的開關(guān)我們還可以選用電子式的，例如4066,4066是最常用的一種電子開關(guān)CD4066是四雙向模擬開關(guān)，主要用作模擬或數(shù)字信號(hào)的多路傳輸。引出端排列與CC4016一致，但具有比較低的導(dǎo)通阻抗。另外，導(dǎo)通阻抗在整個(gè)輸入信號(hào)范圍內(nèi)基本不變。CD4066由四個(gè)相互獨(dú)立的雙向開關(guān)組成，每個(gè)開關(guān)有一個(gè)控制信號(hào)，開關(guān)中的p和n器件在控制信號(hào)作用下同時(shí)開關(guān)。這種結(jié)構(gòu)消除了開關(guān)晶體管閾值電壓隨輸入信號(hào)的變化，因此在整個(gè)工作信號(hào)范圍內(nèi)導(dǎo)通阻抗比較低。與單通道開關(guān)相比，具有輸入信號(hào)峰值電壓范圍等于電源電壓以及在輸入信號(hào)范圍內(nèi)導(dǎo)

50、通阻抗比較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 需要注意的是當(dāng)模擬開關(guān)的電源電壓采用雙電源時(shí)，例如 =5V， =5V（均對(duì)地0V而言），則輸入電壓對(duì)稱于0V的正、負(fù)信號(hào)電壓（5V5V）均能傳輸。這時(shí)要求控制信號(hào)C=“1”為+5V，C=“0”為-5V，否則只能傳輸正極性的信號(hào)電壓。 4066引腳功能圖： 圖24. 4066引腳功能圖 圖25. 4066典型應(yīng)用 4066的典型應(yīng)用電路：4066模擬開關(guān)的供電電壓范圍為3V到15V，具體根據(jù)所要通過的電壓選擇。用4066做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)4066的切斷效果非常好，兩腳之間完全沒有影響，對(duì)于我們傳感器的測(cè)試信號(hào)也是沒有影響的，所以我們選用4066電子式的模擬開關(guān)作為我們這里恒流源模塊與傳感器之間的切換開關(guān)。4.5自動(dòng)匹配的實(shí)現(xiàn)的原理在這里模擬開關(guān)所要控制的是一個(gè)1V左右的信號(hào)的開關(guān)，根據(jù)前面的介紹，我們對(duì)于模擬開關(guān)的供電電壓選著為12V供電。根據(jù)模擬開關(guān)的特性，高電平的時(shí)候開關(guān)接通，那這個(gè)時(shí)候的高電平是不是我們前面所設(shè)計(jì)的比較器的輸出的TTL高電平5V呢，查閱資料，發(fā)現(xiàn)對(duì)于模擬開關(guān)，它的控制信號(hào)的高電平是供電電壓的80%以上的電壓才被認(rèn)定我高電平，所以要是我們比較器的控制信號(hào)要能夠用來控制模擬開關(guān)需要一個(gè)轉(zhuǎn)換電路，我們選用三級(jí)管來搭建，由5v的電壓來驅(qū)動(dòng)三級(jí)管，再由三極管來實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。但是我們5V的電壓經(jīng)三級(jí)管后變?yōu)?V模擬開關(guān)切斷，0V的電壓經(jīng)