畢業(yè)論文-低頻電渦流傳感器測量電路設(shè)計

低頻電渦流（傳感器測量電路設(shè)計摘要隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)今在工業(yè)生產(chǎn)中所運用鋼板測厚的方法有各種各樣，本篇論文簡要的介紹了這些方法，并且設(shè)計了一個電路通過低頻電渦流傳感器來實行測量鋼板厚度。通過本篇論文，讓我們知道了電渦流傳感器基本原理和優(yōu)點，并且詳細介紹了低頻電渦流傳感器原理、ADC模-數(shù)轉(zhuǎn)換原理、運放的原理和單片機的原理和作用。并且簡要的介紹了電路設(shè)計中所要用到的ADC、運放（op07和ICL7650）和單片機MSP430F149。關(guān)鍵詞：電渦流傳感器，op07運放,ICL7650運放，MSP430F149單片機THEDESIGNOFSTEELPLATETHICKNESSONLINE

MEASURINGSYSTEMBASEDONEDDYCURRENTABSTRACTWiththedevelopingofmodernscienceandtechnologyrapidly.Therearesomanysteelplatethicknessonlinemeasuringsystemintheindustry.Thispaperintroducestheoneofsystemwhichiseddycurrentsensorinonlinethicknessmeasurementforsteelplateintheproducingindustry.Andintroducestheapplicationofeddycurrentsensorinonlinethicknessmeasurementforsteelplate,designofadaptingsystem,andbrieflydescribesthestructureofsingle-chipcomputersystem(MSP430F149SCM),ADCsystemandOPAMP(op07,ICL7650)whichmakethedatainmydesignKeywords:eddycurrentsensoop07ICL7650MSP430F149SCM目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要 1 -ABSTRACT 2 -\o"CurrentDocument"第1章：緒論 4 -\o"CurrentDocument"1.1非電量電測技術(shù) 4 -\o"CurrentDocument"1.2非電量電測系統(tǒng)的組成 4 -\o"CurrentDocument"1.3非電量電測技術(shù)的發(fā)展趨勢 4 -\o"CurrentDocument"1.4測量鋼板厚度方法介紹 5 -1.4.1超聲波測厚儀 5 -\o"CurrentDocument"1.4.2磁吸力測量原理及測厚儀 5 -\o"CurrentDocument"1.4.3磁感應(yīng)測量原理 5 -\o"CurrentDocument"1.4.4電渦流式傳感器 6 -\o"CurrentDocument"第2章電渦流傳感器相關(guān)技術(shù)和測厚基本原理 7 -\o"CurrentDocument"2.1電渦流傳感器基本原理 7 -\o"CurrentDocument"2.2電渦流傳感器的等效電路 8 -\o"CurrentDocument"2.3渦流傳感器的種類 10 -\o"CurrentDocument"2.3.1高頻反射式電渦流傳感器 10 -\o"CurrentDocument"2.3.2低頻透射式電渦流傳感器 12 -\o"CurrentDocument"2.4低頻電渦流傳感器測厚設(shè)計 13 -\o"CurrentDocument"第3章信號采集設(shè)計 15 -\o"CurrentDocument"3.1放大電路原理 15 -\o"CurrentDocument"3.2集成運算放大器 15 -ICL7650斬波穩(wěn)零運算放大器 18 -\o"CurrentDocument"OP-07低噪聲非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器 20 -3.3ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機 22 -3.3.1ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換簡介 22 -\o"CurrentDocument"3.3.2單片機簡介 22 -MSP430F149單片機 23 -\o"CurrentDocument"3.4測量信號系統(tǒng)總體設(shè)計 25 -第四章結(jié)論 26 -第五章謝辭 27 -參考文獻： 28 -附錄A 29 -第1章：緒論1.1非電量電測技術(shù)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程中，一些研究成果，必須通過實驗來證實它的結(jié)果，這就需要有一定的測量手段來完成；在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了保證能正常、高效率的生產(chǎn)，也要有一定的測量手段進行檢查或監(jiān)視，這些測量手段就是儀器儀表。中國有句古話：“工欲善其事，必先利其器”，用這句話來說明儀器儀表在科學(xué)技術(shù)中的重要性是很恰當?shù)模^“事”，就是指現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)，而“器”則是指儀器儀表、工具等。所以說現(xiàn)代化的儀器儀表室科學(xué)實踐和生產(chǎn)實踐的必要手段，它的水平高低，也是科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要標志，沒有現(xiàn)代化得儀器儀表，要發(fā)展國名經(jīng)濟是會有一定困難的。近二、三十年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對電量的測量技術(shù)相應(yīng)地得到提高，如準確度高、靈敏度高、反應(yīng)速度快、能連續(xù)進行測量、便于自動記錄等?？墒窃诳茖W(xué)技術(shù)和工程上所要測量的參數(shù)大多為非電量，如機械量（位移、尺寸、力、振動、速度等），熱工量（溫度、壓力、流量、物位等），成分量（化學(xué)成分、濃度等）和狀態(tài)量（顏色、透明度、磨損量、裂紋等），因而促使人們研究用電測的方法來測量非電量，這樣就形成了一門叫做“非電量電測技術(shù)”的測試技術(shù)。1.2非電量電測系統(tǒng)的組成作為一個完整的非電量電測系統(tǒng)，也包括了信息的獲得、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等幾個部分。一般包括傳感器、測量電路、放大電路、指示器、記錄儀等幾部分組成。傳感器是一個把被測的非電量變換成電量的裝置，它在非電量電測系統(tǒng)中占有重要的位置。它獲得信息的正確與否，關(guān)系到整個測量系統(tǒng)的精度，如果傳感器的誤差很大，后面的測量電路、放大電路、指示儀等的精度再高也將難以提高測量系統(tǒng)的精度。測量電路的作用是把傳感器的輸出變量變成電壓或電流信號，使能在指示儀上指示或在記錄儀中記錄。1.3非電量電測技術(shù)的發(fā)展趨勢非電量電測技術(shù)雖然已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對它提出了越來越高的要求，應(yīng)測得到了迅速的發(fā)展。當前出了不斷提高性能、可靠性外，總的趨向是小型化、智能化、圖像化、無接觸化、多功能化、具體說，有以下幾個方面。a） 不斷提高儀器的性能、可靠性，擴大應(yīng)用范圍。b） 開發(fā)傳感器的新型敏感元件材料c） 微電子技術(shù)、微處理器與傳感器結(jié)合，使儀器智能化。d） 研究多維化、多功能化的儀器。、e） 研究無接觸測量技術(shù)。f） 研究新型原理的傳感器。1.4測量鋼板厚度方法介紹隨著測量技術(shù)不斷的發(fā)展，測量鋼板厚度的方法也多種多樣，下面讓我們具體來來介紹下現(xiàn)今工業(yè)中常用的幾種方法1.4.1超聲波測厚儀超聲波測厚是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進行厚度測量的，當探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。凡能使超聲波以一恒定速度在其內(nèi)部傳播的各種材料均可采用此原理測量。按此原理設(shè)計的測厚儀可對各種板材和各種加工零件作精確測量，也可以對生產(chǎn)設(shè)備中各種管道和壓力容器進行監(jiān)測，監(jiān)測它們在使用過程中受腐蝕后的減薄程度?？蓮V泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各個領(lǐng)域。1.4.2磁吸力測量原理及測厚儀永久磁鐵（測頭）與導(dǎo)磁鋼材之間的吸力大小與處于這兩者之間的距離成一定比例關(guān)系，這個距離就是覆層的厚度。利用這一原理制成測厚儀，只要覆層與基材的導(dǎo)磁率之差足夠大，就可進行測量。鑒于大多數(shù)工業(yè)品采用結(jié)構(gòu)鋼和熱軋冷軋鋼板沖壓成型，所以磁性測厚儀應(yīng)用最廣。測厚儀基本結(jié)構(gòu)由磁鋼，接力簧，標尺及自停機構(gòu)組成。磁鋼與被測物吸合后，將測量簧在其后逐漸拉長，拉力逐漸增大。當拉力剛好大于吸力，磁鋼脫離的一瞬間記錄下拉力的大小即可獲得覆層厚度。新型的產(chǎn)品可以自動完成這一記錄過程。不同的型號有不同的量程與適用場合。這種儀器的特點是操作簡便、堅固耐用、不用電源，測量前無須校準，價格也較低，很適合車間做現(xiàn)場質(zhì)量控制。1.4.3磁感應(yīng)測量原理采用磁感應(yīng)原理時，利用從測頭經(jīng)過非鐵磁覆層而流入鐵磁基體的磁通的大小，來測定覆層厚度。也可以測定與之對應(yīng)的磁阻的大小，來表示其覆層厚度。覆層越厚，則磁阻越大，磁通越小。利用磁感應(yīng)原理的測厚儀，原則上可以有導(dǎo)磁基體上的非導(dǎo)磁覆層厚度。一般要求基材導(dǎo)磁率在500以上。如果覆層材料也有磁性，則要求與基材的導(dǎo)磁率之差足夠大（如鋼上鍍鎳）。當軟芯上繞著線圈的測頭放在被測樣本上時，儀器自動輸出測試電流或測試信號。早期的產(chǎn)品采用指針式表頭，測量感應(yīng)電動勢的大小，儀器將該信號放大后來指示覆層厚度。近年來的電路設(shè)計引入穩(wěn)頻、鎖相、溫度補償?shù)鹊匦录夹g(shù)，利用磁阻來調(diào)制測量信號。還采用專利設(shè)計的集成電路，引入微機，使測量精度和重現(xiàn)性有了大幅度的提高（幾乎達一個數(shù)量級）?，F(xiàn)代的磁感應(yīng)測厚儀，分辨率達到0.1um，允許誤差達1%，量程達10mm。磁性原理測厚儀可應(yīng)用來精確測量鋼鐵表面的油漆層，瓷、搪瓷防護層，塑料、橡膠覆層，包括鎳銘在內(nèi)的各種有色金屬電鍍層，以及化工石油待業(yè)的各種防腐涂層1.4.4電渦流式傳感器我們知道，通過金屬導(dǎo)體中的磁通發(fā)生變化時，就會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，通常就稱它為電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分磁場能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，電渦流式傳感器就是基于這種電渦流效應(yīng)。這種傳感器不但具有測量范圍大、靈敏度高、抗干擾能力強、不受油污等介質(zhì)的影響，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便等特點，而且又具有非接觸測量的優(yōu)點。本論文將重點介紹電渦流式傳感器測量鋼板厚度的原理和測量方法。第2章電渦流傳感器相關(guān)技術(shù)和測厚基本原理在金屬板材的軋制過程中，成品的厚度是最重要的物理指標之一，目前〃國內(nèi)的鋼鐵和有色金屬行業(yè)多采用非接觸式的測厚系統(tǒng)，如射線式、電容式等等，其中〃射線測厚系統(tǒng)有一定的應(yīng)用〃，但其存在著射線管的老化和易損問題，高壓發(fā)生器的準確度和穩(wěn)定性以及整套設(shè)備造價過于昂貴，而電容式測厚系統(tǒng)則受引線電容、寄生電容的干擾較大，不易消除。建立在電渦流效應(yīng)原理上的測量技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單，頻率響應(yīng)帶寬，靈敏度高，線性范圍大，體積小等優(yōu)點，在這里我們將設(shè)計一個低頻電渦流傳感器測試厚度的測量電路。2.1 電渦流傳感器基本原理在圖2-1中，如果有一塊電導(dǎo)體率為p、磁導(dǎo)率為p、厚度為t、溫度為T的金屬板，離此金屬板x處有一個半徑為r的線圈，當線圈中通以正弦交變電流時，線圈的周圍空間就產(chǎn)生了正弦交變磁場H1。此時，置于次磁場中的金屬板中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而形成電渦流。這個電渦流必然引起線圈的阻抗Z變化，它的作用過程可以用圖2-2的麥克斯韋電磁方程式流程圖來表示。圖2-1電渦流作用原理圖2-2麥克斯韋電磁方程式流程圖2顯然，線圈阻抗的變化即與電渦流效應(yīng)有關(guān)，又與靜磁學(xué)效應(yīng)有關(guān)。也就是說，與金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)，激勵電流頻率以及線圈到金屬導(dǎo)體的距離等參數(shù)有關(guān)。假定金屬導(dǎo)體是均質(zhì)的，其性能是線性和各向同性的，則線圈---金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)通?？捎纱艑?dǎo)率p、電導(dǎo)率p、尺寸因子r、t及x、激勵電流I和頻率3等參數(shù)來描述，線圈的阻抗Z可用如下函數(shù)表示：Z=F（p，。，r，x，t，I，3）如果控制上式中的某些參數(shù)恒定不變，而只改變其中的一個參數(shù)，這樣阻抗就成為這個參數(shù)的單值函數(shù)。特別是在p、。、r、x、t、I、3恒定不變時，阻抗Z就成為距離X的單值函數(shù)。因此，電渦流式傳感器完整地看應(yīng)是一個載流線圈加上金屬半導(dǎo)體。2.2電渦流傳感器的等效電路要精確地列出線圈阻抗與線圈到被測體距離等參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系是比較困難。我們可以把金屬導(dǎo)體形象地理解為一個短路線圈，它與傳感器線圈磁性相聯(lián)。這樣可以得到圖2-3所示的等效電路圖。線圈與金屬導(dǎo)體之間可以定義一個互感系數(shù)M，次互感系數(shù)隨著間距X的縮短而增大。圖中R1和L1為線圈的電阻和電感，R2和L2為金屬導(dǎo)體的電阻和電感，U為激勵電壓。圖2-3根據(jù)克?；舴蚨?，可列出下面的方程：RI+j^LI-jwMI=U-j^RI+j^LI-jwMI=U-j^MI+RI+jsLI=011 11I=ijwMIR1+j叫（2-1）（2-2）R+j?L—j?M-j?MR1+j叫R+j?L+—jsL(nL)21（coL》(coL)2（2-3）傳感器線圈的等效阻抗為:+jn（2-4）線圈的等效電阻和電感為:（2-5）（2-5）TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"①2M2 UR+R2+(nL1R11 1

①2M2

匕廣L―R2+(nL)L11 1當被測導(dǎo)體的某些參數(shù)發(fā)生變化時，可引起渦流式傳感器線圈的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Q變化，測量Z、L或Q就可求出被測量參數(shù)的變化2.3渦流傳感器的種類電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度為:h=5030|h=5030|P（2-6）說明電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度與傳感器線圈的激勵信號頻率有關(guān)。故電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用較廣泛。2.3.1高頻反射式電渦流傳感器高頻（＞lMHz）激勵電流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。線圈自感L或阻抗ZL的變化與距離該金屬板的電阻率p、磁導(dǎo)率口、激勵電流i及角頻率3等有關(guān)，若只改變距離。而保持其它參數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。A Hi（a）A Hi（a）傳感器 （b）等效電路圖2-4根據(jù)等效電路，可列出電路方程組為RI+j①LI-j?MI=U< 11 11 2 1RI+jwLI-j①MI=0l22 22 1解此方程組可得電渦流傳感器的等效阻抗為UZ=亍=R+RR2UZ=亍=R+RR2+O2L1 2 2C2M2+jC[L1『C2M2】_L J2R2+C2L2電渦流傳感器的等效阻抗可表示為等效電阻等效電感線圈的品質(zhì)因數(shù)由無渦流時的Q=牛下降為.L①2M21_2.八①LcLLR2+c2L2Q= = L. 1 2 2_RR1Rc2M21 1+2.RR2+C2L2(2-8)(2-9)(2-10)(2-11)(2-12)由此可見，被測量數(shù)變化可以轉(zhuǎn)換成傳感器線圈的等效阻抗Z、等效電感L及品質(zhì)因素Q等的變化。通過轉(zhuǎn)換電路可把這些種參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。由安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可粘貼于框架上，或在框架上開一槽，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下圖為CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理，它是將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)。661—線圈；2—框架；3—框架襯套；4—支架；5—電纜；6—插頭e圖2-5傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖高頻激勵信號使線圈產(chǎn)生一個高頻交變磁場甲i，當被測導(dǎo)體靠近時，在磁場作用范圍的導(dǎo)體表層產(chǎn)生電渦流ie，而電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場甲e阻礙外磁場的變化。在被測導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗（當頻率較高時，忽略磁損耗）。能量損耗使傳感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此當被測體與傳感器間的距離d改變時，傳感器的Q值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量。這便是電渦流傳感器的基本原理。2.3.2低頻透射式電渦流傳感器圖2-6發(fā)射線圈L1和接收線圈L2分置于被測金屬板的上下方。由于低頻磁場集膚效應(yīng)小，滲透深，當?shù)皖l（音頻范圍）電壓u1加到線圈L1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板,使線圈L2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢u2。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應(yīng)電動勢u2減少，當金屬板越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢u2越小。因此，u2的大小與金屬板

的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān).試驗表明u2隨材料厚度h的增加按負指數(shù)規(guī)律減少，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用u2的變化即可測厚度。2.4低頻電渦流傳感器測厚設(shè)計根據(jù)低頻電渦流傳感器的工作原理得知金屬體上的電渦流貫穿深度t與床十起線圈激勵電流的頻率有關(guān)。頻率越低，貫穿深度越厚。因此，采用低頻電流激勵時，可以測量金屬體的厚度。要生成1KHz低頻，把電渦流傳感器作為振蕩的一個主要元件，將傳感器線圈與固定電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振回路，其振蕩頻率/=LC.(2-13)所產(chǎn)生的低頻交變磁場能貫穿鋼板與L2想耦合的磁通量也不同。當激勵頻率f(1KHz),L1、L2的圈數(shù)、結(jié)構(gòu)以及它們的相對位置一定時，線圈L2上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢U2大小就與被測材料厚度d成反比。(2-13)圖2-8上圖是感應(yīng)電動勢u2與鋼板厚度的曲線圖，有圖得知：?頻率越低（f1Vf2Vf3）磁通穿透能力越強，在接受線圈上感應(yīng)的電壓u2也越高，且頻率較低時，線性較好，因此要求線性好時應(yīng)選擇較低的激勵頻率（通常為1kHz左右）?d較小時，f3曲線的斜率較大，因此測薄板時應(yīng)選較高的激磁頻率，測厚板時應(yīng)選較低的激磁頻率。?低頻透射式渦流傳感器的檢測范圍可達1mm?100mm，分辨率為0.1。第3章信號采集設(shè)計當鋼板厚度的不同，低頻電渦流接收線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也會有相應(yīng)變化，我們可以通過放大電路、ADC和單片機處理來讀取變化，來得出實際所測鋼板的厚度。理模翼換圖3-r結(jié)構(gòu)圖3.1放大電路原理放大電路的應(yīng)用十分廣泛，無論日常使用的收音機、擴音器，或者精密的量測儀器和復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)等，其中通常都有各種各樣的放大電路。在這些電子設(shè)備中，放大電路的作用是將微弱的信號放大，以便于人們量測和利用。例如，從收音機天線接收到的信號，或者人傳感器得到的信號，有時只有微伏升毫伏數(shù)量級，必須經(jīng)過放大才能驅(qū)動喇叭發(fā)出聲音，或者驅(qū)動批示設(shè)備和執(zhí)行機構(gòu)，便于進行觀察、記錄和控制。所謂放大，表面看來是將信號的幅度由小增大，但是在電子技術(shù)中，放大的本質(zhì)首先是實現(xiàn)能量的控制。由于輸入信號（例如從天線或傳感器得到的信號）的能量過于微弱，不足以推動負載（例如喇叭或批示儀表、執(zhí)行機構(gòu)），因此需要在放大電路中加另外提供一個能源，由能量較小的輸入信號控制這個能源，使之輸出圈套的能量，然后推動負載。這種小能量對大能量的控制作用就是放大作用。3.2集成運算放大器集成電路（integratedcircuit,IC）是采用一定的工藝，把電路中所需要的管子、電阻、、電容等元器件及電路的連線都集成制作在一塊半導(dǎo)體基片上，再封裝在一個管殼內(nèi)，成為具有所需功能的模塊。自60年代集成電路發(fā)展以來，被獲得廣泛地應(yīng)用、集成電路按性能和用途的不同，可分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路兩大類、集成運算放大器（integratedoperationalamplifier）是屬于模擬集成電路的一種。理想運放的圖形符號理想運放的圖形符號按照集成運算放大器的參數(shù)來分,集成運算放大器可分為如下幾類。通用型運算放大器通用型運算放大器就是以通用為目的而設(shè)計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標能適合于一般性使用。高阻型運算放大器這類集成運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid>1G。~1TQ,IB為幾皮安到幾十皮安。實現(xiàn)這些指標的主要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點，用場效應(yīng)管組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低,而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點，但輸入失調(diào)電壓較大。低溫漂型運算放大器在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中，總是希望運算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設(shè)計的。高速型運算放大器在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中，要求集成運算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR一定要高,單位增益帶寬BWG一定要足夠大，像通用型集成運放是不能適合于高速應(yīng)用的場合的。高速型運算放大器主要特點是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。低功耗型運算放大器由于電子電路集成化的最大優(yōu)點是能使復(fù)雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。高壓大功率型運算放大器運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算放大器中，輸出電壓的最大值一般僅幾十伏，輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流，集成運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流?？删幊炭刂七\算放大器在儀器儀表得使用過程中都會涉及到量程得問題。為了得到固定電壓得輸出，就必須改變運算放大器得放大倍數(shù)。而運放放大器的主要參數(shù)可分為：共模輸入電阻(RINCM)該參數(shù)表示運算放大器工作在線性區(qū)時，輸入共模電壓范圍與該范圍內(nèi)偏置電流的變化量之比。直流共模抑制(CMRDC)該參數(shù)用于衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同直流信號的抑制能力。交流共模抑制(CMRAC)CMRAC用于衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同交流信號的抑制能力，是差模開環(huán)增益除以共模開環(huán)增益的函數(shù)。增益帶寬積(GBW)增益帶寬積AOL*/是一個常量，定義在開環(huán)增益隨頻率變化的特性曲線中以-20dB/十倍頻程滾降的區(qū)域。輸入偏置電流(IB)該參數(shù)指運算放大器工作在線性區(qū)時流入輸入端的平均電流。輸入偏置電流溫漂(TCIB)該參數(shù)代表輸入偏置電流在溫度變化時產(chǎn)生的變化量。TCIB通常以pA/°C為單位表示。輸入失調(diào)電流(IOS)該參數(shù)是指流入兩個輸入端的電流之差。輸入失調(diào)電流溫漂(TCIOS)該參數(shù)代表輸入失調(diào)電流在溫度變化時產(chǎn)生的變化量。TCIOS通常以pA/°C為單位表示。差模輸入電阻(RIN)該參數(shù)表示輸入電壓的變化量與相應(yīng)的輸入電流變化量之比，電壓的變化導(dǎo)致電流的變化。在一個輸入端測量時，另一輸入端接固定的共模電壓。輸出阻抗(ZO)該參數(shù)是指運算放大器工作在線性區(qū)時，輸出端的內(nèi)部等效小信號阻抗。輸出電壓擺幅(VO)該參數(shù)是指輸出信號不發(fā)生箝位的條件下能夠達到的最大電壓擺幅的峰峰值，VO一般定義在特定的負載電阻和電源電壓下。功耗(Pd)表示器件在給定電源電壓下所消耗的靜態(tài)功率，Pd通常定義在空載情況下。電源抑制比(PSRR)該參數(shù)用來衡量在電源電壓變化時運算放大器保持其輸出不變的能力，PSRR通常用電源電壓變化時所導(dǎo)致的輸入失調(diào)電壓的變化量表示。轉(zhuǎn)換速率/壓擺率(SR)該參數(shù)是指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個變化所需時間之比的最大值。SR通常以V/µs為單位表示，有時也分別表示成正向變化和負向變化。電源電流(ICC、IDD)該參數(shù)是在指定電源電壓下器件消耗的靜態(tài)電流，這些參數(shù)通常定義在空載情況下。

單位增益帶寬(BW)該參數(shù)指開環(huán)增益大于1時運算放大器的最大工作頻率。輸入失調(diào)電壓(VOS)該參數(shù)表示使輸出電壓為零時需要在輸入端作用的電壓差。輸入失調(diào)電壓溫漂(TCVOS)該參數(shù)指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化，通常以µV/°C為單位表示。輸入電容(CIN)CIN表示運算放大器工作在線性區(qū)時任何一個輸入端的等效電容(另一輸入端接地)。輸入電壓范圍(VIN)該參數(shù)指運算放大器正常工作(可獲得預(yù)期結(jié)果)時，所允許的輸入電壓的范圍，VIN通常定義在指定的電源電壓下。輸入電壓噪聲密度(eN)對于運算放大器，輸入電壓噪聲可以看作是連接到任意一個輸入端的串聯(lián)噪聲電壓源，eN通常以nV/根號Hz為單位表示，定義在指定頻率。輸入電流噪聲密度(iN)對于運算放大器，輸入電流噪聲可以看作是兩個噪聲電流源，連接到每個輸入端和公共端，通常以pA/根號Hz為單位表示，定義在指定頻率。3.2.1ICL7650斬波穩(wěn)零運算放大器ICL7650是Intersil公司利用動態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運放，它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價格低廉等優(yōu)點。芯片結(jié)構(gòu)ICL7650采用14腳雙列直插式和8腳金屬殼兩種封裝形式。T屯+1也靴?UARD）叵3T屯+1也靴?UARD）叵目O1TPLTHoutclampBCirn圖3-3 ICL7650的引腳排列圖圖3-3所示是最常用的14腳雙列直插式封裝的引腳排列圖。各引腳的功能說明如下:CEXTB:外接電容CEXTB；CEXTA:外接電容CEXTA；—IN:反相輸入端；+IN:同相輸入端；V—：負電源端；CRETN：CEXTA和CEXTB的公共端；OUTCLAMP：箝位端；OUTPUT:輸出端；V+：正電源端；INTCLKOUT:時鐘輸出端；EXTCLKIN：時鐘輸入端；?旗；時鐘控制端，可通過該端選擇使用內(nèi)部時鐘或外部時鐘。當選擇外部時鐘時，該端接負電源端（V—）,并在時鐘輸入端（EXTCLKIN）引入外部時鐘信號。當該端開路或接V+時，電路將使用內(nèi)部時鐘去控制其它電路的工作。工作原理ICL7650利用動態(tài)校零技術(shù)消除了CMOS器件固有的失調(diào)和漂移，從而擺脫了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零電路的束縛,克服了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零放大器的這些缺點。ICL7650的工作原理如圖3-4所示。圖中，MAIN是主放大器（CMOS運算放大器），NULL是調(diào)零放大器（CMOS高增益運算放大器）。電路通過電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換來進行兩個階段工作，第一是在內(nèi)部時鐘（OSC）的上半周期，電子開關(guān)A和B導(dǎo)通，■,和C斷開，電路處于誤差檢測和寄存階段;第二是在內(nèi)部時鐘的下半周期，電子開關(guān)，，和C導(dǎo)通,A和B斷開，電路處于動態(tài)校零和放大階段。圖3-4ICL7650工作原理圖由于ICL7650中的NULL運算放大器的增益A0N一般設(shè)計在100dB左右，因此，即使主運放MAIN的失調(diào)電壓VOSN達到100mV，整個電路的失調(diào)電壓也僅為1〃V。由于以上兩個階段

不斷交替進行，電容CN和CM將各自所寄存的上一階段結(jié)果送入運放MAIN、NULL的調(diào)零端，這使得圖2所示電路幾乎不存在失調(diào)和漂移，可見，ICL7650是一種高增益、高共模抑制比和具有雙端輸入功能的運算放大器。3.2.2OP-07低噪聲非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的單運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25pV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。OP07特點：超低偏移：150pV最大。低輸入偏置電流：1.8nA。低失調(diào)電壓漂移：0.5pV/°C。超穩(wěn)定，時間：2pV/month最大高電源電壓范圍：±3V至±22VOP07引腳圖OffsetNullI1InvertingInput 2Non-insertingInput 3OffsetNullI1InvertingInput 2Non-insertingInput 3圖3-5OP07管腳圖OffsetNull2^cc+OutputN.C.OP07芯片引腳功能說明：1和8為偏置平衡（調(diào)零端），2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳6為輸出，7接電源+OP07電氣參數(shù)見表3-1。

表3-1OFDT電氣參數(shù)ABSOLUTEMAXIMUMRATINGS最大額定值Sy>bol符號Paraaeter參數(shù)Value^fcHUnit單位VCCSupplyVoltage電源電壓+22VVidDifferentialInputVoltage差分輸入電壓±30VViInputVoltage輸入電壓±22VToperOperatingTemperature工1乍溫，度-40to+105■CTstgStorageTemperature貝=藏遍，度-65to+150■C電氣特性虛擬通道連援=+15V,Tamb=25'C〔除非另有說明）Sywbol符號Para>eter參數(shù)及測試條件最小典型最大Unit單位VioInputOffsetVoltage輸人失調(diào)電壓O'C:-=：T:dirib:==：+70'0一60150250四LonsTermInputOffsetVoltaseStabilit]/-(note1)長其月輸入偏置電壓的穩(wěn)定性-0.42pV/MoD7ioInputOffsetVoltageDrift輸頂、-失調(diào)電壓漂移一0.51.8pV/'ClioInputOffsetCurrent輸入一失調(diào)電流CTC如TambW+7O'C-0.868nADlioInputOffsetCurrentDrift輸人失調(diào)電流漂移一1550pVClibInputBiasCurrent^!A偏置電流CTC如TambW+7O'C一1.879nADIibInputBiasCurrentDriftS?-入■偏置電￥克:票慈一1550pVCRoOpenLoopOutputResistmee開于不箍i出電阻-60-QRidDifferentialInputFlesistmce差,:分、箍七電阻一33-MQRicCoiruTiunModeInputResistmee共模電阻一120-GQVicmInputComirionModeVoltage 巳輸Ji共模電.壓范圍O'C:-=：Tamb買+7O'C±13±13+13.5-VCMRCoiruTiuriModeRejectionRatio(Vi=Vicirimin)共模抑制比ITC買T：ajiib5=；'+7l：rC100卯120-dB海SupplyVoltageRejectionRatio電源電壓抑制比(MCC=±3to±187)Lit-T：ajTitiW+7O'C908610-4-dBAvdLar^eSignalVoltageGain大信號電壓增益VCC=±15,RL=2K^,VO=+10V,120400-V/mVO'CWTambW+105'C100-VCC=±3V3RL=500W3VO=±0.5V100400-VoppOutputVoItaseSwins輸出電壓擺幅El=2kQ+11.5±12.8-VEL二1KQ±120'C:三Tamb:三+7O'CRL=N險+11一SESlewRate轉(zhuǎn)換率(EL=2K^,CL=lOOpF)一0.17—V/biSGBPGainBandwidthProduct帶寬增益(EL=2K￡2,CL=lOOpF,f=100kHz)一0.5—MHzIccSupplyCurrent-(noload)電源電流〔無負載) O'CWTambW；+7i：rCVCC=±3V-2.70.67561.3mAenEquivalentInputNoiseVoItase等就輸入噪聲電壓f=10He一1120nV-/雖f二lOLlHz一10.513.5f二1kHz-1011.5inEquivalentInputNoiseCurrent等爻臭輸入噪聲電流f=10Hz-0.30.9PA-/Hzf二lOLlHz一0.20.3f二1kHz一0.10.23.3ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機3.3.1ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換簡介隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)字電子計算機的廣泛應(yīng)用，用數(shù)字電路處理模擬信號的情況越來越多。用數(shù)字電路處理模擬信號時，必須先將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這是由模擬---數(shù)字轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的。ADC(analogtodigitalconverter)是數(shù)字控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，也是計算機用于工業(yè)控制的重要接口電路。除計算機應(yīng)用外，ADC也是所有數(shù)字測量儀器的核心，因為一個模擬量要用數(shù)字量顯示出來，必須要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。3.3.2單片機簡介單片機也被稱為微控制器(Microcontroller)，是因為它最早被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復(fù)雜的而對體積要求嚴格的控制設(shè)備當中。單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機的學(xué)習、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。單片機廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個范疇：在智能儀器儀表上的應(yīng)用在工業(yè)控制中的應(yīng)用在家用電器中的應(yīng)用在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用單片機在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用3.3.3MSP430F149單片機德州儀器公司的MSP430系列是一種特低功耗的混合信號微控制器（MixedSignalMicrocontrollers）家族，其中包括幾種器件，它們是由針對各種應(yīng)用的不同的模塊組成的。這些微控制器被設(shè)計成可用電池工作且可應(yīng)用很長時間的器件。具有16位RISC結(jié)構(gòu)，CPU中的16位寄存器和常數(shù)產(chǎn)生器，使MSP430能具有最高的代碼效率。數(shù)字控制的振蕩器可使器件從低功耗方式迅速喚醒，在少于八6s的時間內(nèi)達到激活方式。MSP430x13x和MSP430x14x系列是一種內(nèi)部配置兩個16位定時器、一個高速12位A/D轉(zhuǎn)換器、一或兩個通用串行同步/異步通信接口（USART），有48個I/O引腳的微控制器。典型應(yīng)用包括捕捉模擬信號的傳感系統(tǒng)，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，然后處理數(shù)據(jù)并將它們傳送給主系統(tǒng)。內(nèi)部的定時器使得這些配置很適合于工業(yè)控制應(yīng)用，例如紋波計數(shù)器、數(shù)字馬達控制、EE儀表、手持式儀表等。硬件乘法器更加強了器件性能并提供寬代碼和硬件兼容的系列。特點：?低電源電壓范圍：1.8?3.6V?特低功耗——等待方式：1.3RA——RAM保持關(guān)閉方式：0.15rA?低工作電流——7rA@32kHz，2.2V——250rA@1MHz，2.2V5種節(jié)電方式?由等待方式喚醒時間：6Rs16位RISC結(jié)構(gòu)，125ns指令周期12位A/D轉(zhuǎn)換器，具有內(nèi)部基準、采樣保持和自動掃描功能?定時器_B:帶有7個俘獲/陰影比較寄存器的16位定時器?定時器_A:帶有3個俘獲/比較寄存器的16位定時器?片內(nèi)比較器?可在電路板上串行編程，不需要外部編程電壓，由保密熔絲完成的可編程代碼保護64腳四方平面型封裝（QFP）MSP430F149引腳圖和引腳說明見圖3-6和表3-2

言X*皆xgoSCLmoMxz一欄X己.言X*皆xgoSCLmoMxz一欄X己.LOEm邑-SM.-JLSH0<§^云.留SB9明氏R&.3/A3P&.4/MP6E5P66/ABP6.7/A7V=REF*XINXOLITHGLK與EV.REFJVeREF.P1.0/TACLKPT.irTAOPLZ'TAIPt.3nTA2R1.4/SMCLKB3醇M的Ed灑町￡65&S4?環(huán)5t60姬_Jl :江]2 v[jd 禎駐 ?[M 43[]7 <?[2 機誠3&[3S[3兀戒3日[^[16 33(L?18192021?2S3?2526372S'N皿JI、巡I~Ir~!i~ii~11—iI~~1r~ir~ir~i!r~ir~ir—ir―ir~i工]]:I]]JPB^MCLKP5a'UCLKIP&.^OMIIP5VS^MOlP5QSTE1P4.77GCLKP4.&rHQPd.5-TR5P4s<rB4P4.a783P4.2/TB2FMJ/TB1pA.Qn&oP3.7URXD1P3.6IUTXD1P3.5/URXD0oaxmFE」登1O?E￡o-as^-2GO會罷使品質(zhì)cfedNTOW62電糙皺強活Nd2LE-C號.81<導(dǎo)舄CdMlnoyatMQ..M'u-znon.Ed>no.<a僉睥匕zLo.WWLd0<s-^圖3-6表3-21.5.3MSP430x13X-.MSP430x14j(的引腳悅PfiSI腳［心if. 明常林■■ITAVf[64裸加i'k霸旭"，J.*m向校航叫淑耳的枳擬卻分俱也62展捌屯囂電住,菱蟾.離曲橫澈件糧客蔚摸枷|E分供電nv[C1裁抒電鼐電原，正滿一礎(chǔ)布蘊邛甚株<最乍巾,做，15,AM向所有微了部職Pl.ilfTAd.K12[AJM坡芋［心源比爵JKA.時鐘仁TTA（1.K4tPI.inAO11眼J通國成壬眼官1J刎尤時君A.付莊.WIOA探比技.我蟲PI.2門Al14[AJ溥川最牢成JSI舛，丈時君人，怦威一CTII舟憤.、、比代：OllLlir；±PI..V1A21.5l心諺舛戮字［心引曲，定時零A,伸房：tTBA城入，化代：加他特出Pl.-I/SMCIK1右［心謹川妓乍5引廊VSMCLK<■號.憤山 ?PI.5ZTM17叫迥舛裁牛IM）SI腳/尤時君4比％1灑）.愉蟲PI.MAI1*［心相F|坡下的）SIWF尤時懸A,比靴.CMI.腕山Pl.7/]A219tA)疝.戳字1心司曲，或時端A.ittcOut2輸jfcP2.IVACLKM)fAJ通周戴牢誡}引曲M「LK輸出l^liriAINd.K21Irt)該舛知FL心引腳艇時KA.INCt.K時時f.；'?；PEMLWiriTTAO22［心誨。熨心引㈱』定時器A,怦試.以1聞乳心EbR曹府.愉由P2.M7A0/TAI21[/()如府裁宰1下刷腳隗*?暮4付私漓輸新出翹JEA^XP2.4rt：AI/lA224[A)謾川妓丁眼）引卿/尤時附A,評員：6uCj.輸血比枝S5氏F*2.5/R(m-25叫諺JF|目而枚宇L/C§|W，決丈1M*褶定題軍的外部M業(yè)％EP2.6/AEX?l.2t：LK26［心語川虹FE）$|J虬婦幻甲中12{/AEX'P2.7/TA027Irt)iiJO坡牛［心灑愧時慝A，比.校：頃棉出P3.il/STEI)葬[A):，獰1液宇眼），隊發(fā)危離使彈usAirnvsptP3.l/StMOO2?)[NJiffJF|哉字[Al.L1SAKJ1)竹從2t曲SEPS.2/SOMN)禰［心概字就),LJNARH) tAJMPr,-iaP3..VLK-[.K?31如誦JH坡吁DX).卻-」|L時啊花氣LJSARTDAJART&&PT&瓦、時斜輸見USAJcnwSPIjfA.P3.4/l.rTX[)i)12［心酒。熨字楠.發(fā)iE敬餓.愉出IJSAHnyi.iART與％PS.57LJRXDOIAJ叫眼手.?詭,訴眈版炭曲公USARUVIJART萬APJ.WUTXDIt*1眼J通叫￡3［心，殳很址虬愉史USARTL/LJART5\P4.7FL.lltX口葉15[AJ溥"1帶牛的），推收妓也輸人USARTI/LJART

P4』叮Bfl叫溥川§時哉?。坌?，針?從逐位PWM諭山u：<時春H7(XT-t<JN.imn37的誨川耳的ii-j-IA).怦V-1/P&PWM輯出L)定時浴H7(X'b!lP4SRZIK眼J漁JF|H的妓■:『1心，付祝逐&PWH偷出《定時芯B7(X：b!2P4.MT心神Irt)明，|日的哉"FM,伴目-IF羔PWM城山"實時老P4.4TTB4t仙trt)遺JflH的數(shù)字［A).律黃詭戒PWM花出?3匚時君F17ER441［心4叫月『簌學(xué)V&.停y.祚殳rhWM輸出口定時存C?CR5PH/TI■咐42［心逾用目的城TEN),仲說［『&PWH臨蟲"定時君1訂CX：曲PUEiO.K43Irt)逾吐H時數(shù)宇.勰,倩入時HTIK't.K丈時器H7PSgTE葉44叫專川時的艦守眼)、從珈成讓：.什能USAL<ri/SPfj\P5.l/S[MOIt45［心：4JF|耳耐巍:F1心，LJSARTL皿iUfr心j-lnjft由J?PL虧無P5.2/SOMII1-■Wi［心逐眉甘曲茲字1/0,usAiri1M心俊it/j-iurf入腳七方乳P5.jyi.KIKIt47眼】:屯JH目的敲宇1A),。|-即時何七［JSARTL/UAKTSPI占凡，時抻證山［JSARTL/SPL才無4?［心溥JH目時鼓樣LAJ.L系藐時時MCL.K腕出P5.57SM<：[.K-19Irt)i郭聊時J/位,虬時時NMCL.K輸山PS.WACI.K54)新a兩礴［心,麗時抻ACI.K整￡P(guān)5.7Zn^iriH51［心道用時歌宇1心,初桃*條拓皿散宇涂*云.為種沁 丈時家H71FM)1BGP6.U<A059[<(3之片厥字［C■橫:對摭M—L2iiADCP6..1/AL[/(]濁商厥字[/C.，您廉Lal—L2iiADCP&2/A261[<(]零片寂手［□.，熨廉凡q—L2iiADC2[/(3邑商缺字［/C■噗!廉—L2iiADCP6.4/A4i[<(3迥崗廄字[/C■