傳感器轉換電路仿真及差動電容傳感器轉換電路設計

燕山大學課程設計說明書題目：傳感器轉換電路仿真及差動電容傳感器轉換電路設計學院（系）：電氣工程學院年級專業(yè)：工業(yè)自動化儀表學號：學生姓名：指導教師：教師職稱：副教授副教授目錄第1章摘要…………………………第2章引言…………………2第3章基本電路仿真……………………3第4章參數設計及運算………………54.1結構設計………………4.2工作流程……………………4.3基本本電路構成部分分析……………第5章誤差分析…………………第6章結論……………心得體會………………參考文獻………………第1章摘要：對幾種基本電路進行了設計，仿真，證明了幾種電路的基本工作原理，得出輸出結果。設計一個能測量微小位移變化的差動電容傳感器。最后對測量電路的進行仿真調試。第2章引言：差動電容傳感器越來越廣泛地應用于諸如壓力、加速度、直線位移、轉角等物理量的測量，其電路結構依測量要求不同而不同．但其基本原理都是和用比斜信號處理法以傳感器電容容量的變化來反映被測量的變化．電容變化可以是線性或非線性的。近年來，人們在提高精度和速度方面不斷探索，提出了各種提高精度和速度的方法。我們先對幾類基本電路進行了解后，把它們運用到后面的差動電容轉換電路的設計中，最后對設計電路進行焊接調試。第3章基本電路仿真1、反向放大電路反向比例放大電路如圖所示，反向比例放大電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關系為：該設計電路的設計參數如下輸入電壓Ui=3v,Rf=10Ω,R1=5Ω帶入關系式，解出U。=-6v.對該電路進行仿真，得出結果如下圖：仿真結果與理論計算結果一致。2、差動放大電路設計差動放大電路如下圖差動放大電路輸出電壓與輸入電壓之間的關系為：差動電路其實就是對輸入兩信號的差運算。該設計電路的設計參數如下輸入電壓Ui1=2v,Ui2=3v,Rf=500Ω,R1=100Ω帶入關系式，解出U。=5v.對該電路進行仿真，得出結果如下圖：仿真結果與理論計算結果一致。3、二階低通濾波二階有源低通濾波基礎電路原理圖它由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運放輸出到集成運放同相輸入之間引入一個負反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當信號頻率f＞＞f0時（f0為截止頻率），電路的每級RC電路的相移趨于-90o，兩級RC電路的移相到-180o，電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時通過電容c引到集成運放同相端的反饋是負反饋，反饋信號將起著削弱輸入信號的作用，使電壓放大倍數減小，所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減，只允許低頻端信號通過。其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。下圖為設計的二階低通濾波電路圖進行仿真得到如下結果紅線為濾波前函數信號發(fā)生器發(fā)出的信號波，黃線為通過濾波電路后的信號波4、直流電橋原理：電源E為恒壓源，其內阻為零。根據電路學中的克?；舴蚨桑谐鲭娐贩匠蹋寒擱1R4=R2R3時，I0=0，U0=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。若相對兩橋臂應變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之差。設計電路如下圖對該電路進行仿真，得出結果如下圖：此時R2=121，當改變R2=124電阻值后再次進行仿真得到下圖當外界待測量變化影響R2的電阻值發(fā)生微小變化時，直流電橋電路也發(fā)生變化，從而可以測出變化量，經過計算可以分析求出被測量。5、交流差動電橋上式表明，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，并且其幅角之和相等。上式表明，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，并且其幅角之和相等。交流電橋的平衡條件為:對該電路進行仿真，得出結果如下圖：當R2=101，R3=99時仿真結果如下圖當微小改變電阻值R2=102，R3=98后仿真結果如下對比以上兩個圖，可以發(fā)現波形振幅明顯發(fā)生變化，所以當用交流差動電橋電路測量改變量時，當被測量影響電阻R2和R3發(fā)生電阻變化后，可以通過示波器的波形改變明顯反應出，在經過公式計算就可以得出被測量的變化量了。6、半波整流電路半波整流電路構成及原理：變壓器的次級繞組與負載相接，中間串聯一個整流二極管，就是半波整流。利用二極管的單向導電性，只有半個周期內有電流流過負載，另半個周期被二管所阻，沒有電流。這種電路，變壓器中有直流分量流過，降低了變壓器的效率；整流電流的脈動成分太大，對濾波電路的要求高。只適用于小電流整流電路。半波整流原理圖如下。電路圖設計如下對該電路進行仿真，得出結果如下圖：藍色和紅色的波形圖分別對應電路圖中藍色和紅色的導線，有波形圖可知仿真結果符合理論結果。7、全波整流電路全波整流可以用：一是變壓器與半流整流電路相同，但用四個二極管組成橋式電路，將次級線圈的正、負半周都用起來；二是變壓器的次級繞組圈數加倍，中間抽頭，實際上由兩個次級線圈構成。中間抽頭接負載一端，另兩個端子各串聯一個二極管后接負載的另一端。最典型的全波整流電路是由四個二極管組成的整流橋，一般用于電源的整流。也可由MOS管搭建。電路設計如下圖對該電路進行仿真，得出結果如下圖：第四章參數設計及運算4.1結構設計4.2工作流程：輸入信號（1KHZ,5v）電容差動橋路輸入信號（1KHZ,5v）電容差動橋路（整流）放大電路（反向放大電路）單相橋式整流電路（整流）差分放大電路（進行差分放大）示波器（輸出仿真結果）二階低通濾波電路（脈沖信號經濾波轉化為直流信號）交流變直流4.3基本電路構成部分分析輸入信號函數信號發(fā)生器產發(fā)出設定信號，有效值為5V，頻率為1KHZ，可以為正弦波，方波和三角波的交流信號，。電容差動橋路橋路電橋由兩個100pf的電容組成相鄰橋臂，橋路另一側接初始值為35pf應變電容，組成差動電容橋路。放大電路放大電路由集成運放器構成反向放大電路。四個反向放大電路，分別組成差動放大，并將各放大器接正負5V直流電壓，并接地。每個放大電路的增益為91四、橋式整流電路單相橋式整流電路是最基本的將交流轉換為直流的電路，兩個整流電路接收由放大電路輸出的信號，并對其信號進行相應整流，整流電路的輸出端連接示波器，最后輸出得到波形五、差分放大電路差分放大電路對共模輸入信號有很強的抑制能力，對差模信號卻沒有多大的影響，因此差分放大電路一般做集成運算的輸入級和中間級，可以抑制由外界條件的變化帶給電路的影響，如溫度噪聲等。二階低通濾波電路二階低通濾波器將脈沖信號經濾波轉化為直流信號。七、示波器最終的結果進行仿真后由示波器顯示出仿真波形圖第5章誤差分析1、由于電路本身是采用近似相等，所以存在一定誤差。2、由于外界環(huán)境溫度對電路的影響，所以在測量過程中會產生誤差。第6章結論經過對電路的焊接和調試最終得到與仿真結果相符的輸出波形，差動變換轉換電路可以測量出微小改變量。心得體會：實踐出真知，時至今日，課程設計基本告成，才切身領悟“實踐是檢驗真理的唯一標準”，才明曉實踐出真知，經過自己對各種電路的親身設計模擬仿真，我更深入地理解了幾種運放的基本運用原理。同時，經過自己親手對電容變換放大器的焊接，更深刻了解其原理電路，更重要的是培養(yǎng)了動手能力，使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來才能真正的完成好自己的工作。畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，在設計的過程中發(fā)現了自己的不足之處，例如對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固?？偟膩碚f在設計制作的過程中并未遇到過比較困難的問題，但是也存在一些小麻煩，例如電路板焊接過程中焊接不好，沒有現成合適電阻等等。但是最后在老師的辛勤指導下，終于游逆而解。知錯能改，善莫大焉。至善至美，是人類永恒的追求。在課程設計過程中，我們不斷發(fā)現錯誤，不斷改正，不斷領悟，不斷獲取。最終的仿真環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。這次的課程設計順利的完成了，在此期間我得到過同學與指導老師的幫助，并在他們身上學到很多實用的知識，在此