基于基本的傳感器原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換電路仿真及電荷放大器電路的設(shè)計(jì)與焊接

1、第一章 摘要本課程設(shè)計(jì)基于基本的傳感器原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換電路仿真及電荷放大器電路的設(shè)計(jì)與焊接。設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求如下：內(nèi)容及安排： 1. multisim仿真軟件學(xué)習(xí)； 2.轉(zhuǎn)換電路仿真調(diào)試及序理分析：（1）基本電路（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）二階帯通電路（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(shè)計(jì)與焊接； 4.電路測試及考核。要求:（1）認(rèn)真學(xué)習(xí)仿真軟件； （2）分析各轉(zhuǎn)換電路的原理及其相關(guān)的結(jié)果并進(jìn)行調(diào)試； （3）撰寫報(bào)告，進(jìn)行總結(jié)。關(guān)鍵字 multisim仿真軟件 轉(zhuǎn)換電路

2、 電荷放大器第二章 引言傳感器技術(shù)是利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測的一門綜合技術(shù)學(xué)科,是在現(xiàn)今科學(xué)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一。現(xiàn)代測量、控制與自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電子信息科學(xué)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)我們也看到，傳感器在日常生活中的運(yùn)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(xué)習(xí)、研究并在實(shí)踐中不斷運(yùn)用傳感器技術(shù)是具有重大意義的。隨著傳感器的應(yīng)用與發(fā)展，其種類也在不斷地增加。其中一些比較常見的有電阻應(yīng)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(yīng)用最廣泛的是電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器（strai

3、ngauge type transducer ）以電阻應(yīng)變計(jì)為轉(zhuǎn)換元件的電阻式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計(jì)、補(bǔ)償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測量要求設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)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(yīng)變計(jì)一起變形。電阻應(yīng)變計(jì)再將變形轉(zhuǎn)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(yīng)變片具有金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。電阻應(yīng)變片主要有金屬和半導(dǎo)體兩類，金屬應(yīng)變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導(dǎo)體應(yīng)變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應(yīng)小等優(yōu)

4、點(diǎn)。第3章 基本原理3.1傳感器基本原理國家標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)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(shí)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(zhuǎn)換元件、信號轉(zhuǎn)換電路三部分組成，其工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)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，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型

5、化傳感器的重要途徑。結(jié)構(gòu)型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結(jié)構(gòu)型傳感器，一般說它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，價(jià)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(diǎn)，加之過去發(fā)展也不夠。3.2 應(yīng)變片測量原理電阻應(yīng)變片（金屬絲、箔式或半導(dǎo)體應(yīng)變片）粘貼在測量壓力的彈性元件表面上，當(dāng)被測壓力變化時(shí)，彈性元件內(nèi)部應(yīng)力變形，這個(gè)變形應(yīng)力使應(yīng)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(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)未知質(zhì)量的檢測。 設(shè)一根電阻絲，電阻率為，長度為l,截面積為s，在未受力時(shí)的電阻值為 r=ls - 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

6、應(yīng)變化，將引起電阻變化r，其值為 r/r=s/s/ -對于半徑r為的電阻絲，截面面積s=，則有s/s=2r/r。令電阻絲的軸向應(yīng)變?yōu)?l/l，徑向應(yīng)變?yōu)閞/r=(l/l)= ，由材料力學(xué)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(yīng)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(dá)式為 k(1+2) - 從可以明顯看出，電阻絲靈敏系數(shù)k由兩部分組成：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(xiàng)的值比(1+2)小很多，可以忽略，故k=1+2。大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對變化與

7、應(yīng)變成正比，即為常數(shù)?？蓪懗?r/r=k -第四章 電路仿真與分析4.1基本的電路原理的仿真直流疊加定理疊加定理驗(yàn)證電路先測r3兩端的電壓36.666v,這個(gè)電壓為v1和i1共同作用的結(jié)果。疊加定理驗(yàn)證電路 1將i1斷開，v1單獨(dú)供電的驗(yàn)證電路，r3兩端為3.333v.疊加定理驗(yàn)證電路 2將v1短路，i1單獨(dú)供電的驗(yàn)證電路，r3兩端為33.333v。疊加定理驗(yàn)證電路 3結(jié)果分析 v1和i1共同作用時(shí)r3兩端的電壓為36.666v，v1和i1單獨(dú)工作時(shí)r3兩端的電壓分別為3.333v和33.333v，這兩個(gè)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

8、和r4兩端的電壓，萬用表顯示ir4=16.667 maur4=3.333 v戴維南定理仿真電路 1 斷開負(fù)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(dǎo)線替換掉，測原r4兩端的電阻，測量結(jié)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(shí)測量r4流過的電流和r4兩端的電壓分別為ir4=16.667 maur4=3.333 v戴維南定理仿真電路 4結(jié)果分析 前后步驟測量的兩組數(shù)字基本一致，從而驗(yàn)證了戴維寧定理的正確性。4.2低頻功率放大器閉合開關(guān)j1，觀察放大器工作于乙類工作狀態(tài)時(shí)的輸出和輸入電壓波形（下圖1所

9、示）。斷開開關(guān)j1，觀察輸出和輸入波形（下圖2所示），與上述步驟觀察的內(nèi)容進(jìn)行比較。圖1 交越失真的波形圖2 不失真的輸出波形4.3交流電橋電路結(jié)果仿真仿真分析交流電橋平衡要滿足兩個(gè)條件。即相對兩臂復(fù)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(fù)雜得多。對于純電阻交流電橋，由于應(yīng)變片連接導(dǎo)線的分布電容，相當(dāng)于在應(yīng)變片上并聯(lián)了一個(gè)電容，如圖，所以在調(diào)節(jié)平衡時(shí)，除使用電阻平衡裝置外，還要使用電容平衡裝置。4.4整流電路結(jié)果仿真仿真結(jié)果分析r1是要求直流供電的負(fù)載電阻，四只整流二極管d1d4結(jié)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d1d3和d2d4

10、是兩兩輪流導(dǎo)通的。在電源的正負(fù)半周內(nèi)電流通過電路時(shí)，負(fù)半周通過d2.4，正半周通過d1.3.通過負(fù)載r1的電流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4.5二階低通濾波電路結(jié)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(gè)正余弦信號疊加在一起得到，通過對信號進(jìn)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(shí)驗(yàn)可知，要想達(dá)到較好的濾波效果，設(shè)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(shè)置還要參考噪聲的頻率。4.6二階帶通電路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。

11、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(shè)計(jì)的二階低通濾波的截止頻率為放大倍數(shù)4.7比例放大電路結(jié)果仿真仿真結(jié)果分析 比例放大器設(shè)置的放大倍數(shù)為-5 倍，信號源的幅值設(shè)置為500mv，頻率為1khz，根據(jù)仿真結(jié)果的波形 ，驗(yàn)證了比例放大器的正確性。電路中的r3 起阻抗匹配作用4.8直流差動電橋放大電路結(jié)果仿真仿真結(jié)果分析差動放大器的特點(diǎn)是靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定，對共模信號有很強(qiáng)的抑制能力， 它唯獨(dú)對輸入信號的差（差模信號）做出響應(yīng)，這些特點(diǎn)在電子設(shè)備中應(yīng)用很廣。集成運(yùn)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(gè)輸入端和兩

12、個(gè)輸出端，電路使用正、負(fù)對稱的電源。根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)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；而單端輸出時(shí)，差模電壓增益為雙端輸出的一半，另外，若電路參數(shù)完全對稱，則雙端輸出時(shí)的共模放大倍數(shù)為0，其實(shí)測的共模抑制比將是一個(gè)較大的數(shù)值，愈大，說明電路抑制共模信號的能力愈強(qiáng)。 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(shí)，抑制噪聲。r1、r2、r3、r4 組成差動放大器，電路的輸出 ： 4.9單臂直流電橋電路仿真分析如圖為單臂直流電橋電路,r2，r3，r4全為400歐，r

13、1為滑動變阻器。當(dāng)為如圖所示時(shí),r1為500歐姆,劃片為45%時(shí)加上12伏直流電壓,輸出為1.68伏。當(dāng)r1變?yōu)?%時(shí)則輸出電壓變?yōu)?伏，此時(shí)電橋的輸出電壓為uo=ui.(1) 當(dāng)應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化,此時(shí)不平衡電壓輸出為。 (2) 設(shè)橋臂比,由于,略去分母中的,式（2）變?yōu)?（3） 可得單臂工作應(yīng)變電橋的電壓靈敏度為。 當(dāng)改變的阻值時(shí)可對應(yīng)不同的輸出電壓，如圖所示。 4.10二階有源低通濾波電路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(yùn)放的同相輸入端電壓為（）而和的關(guān)系為（）對于節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用定理可得（）將式（）（）聯(lián)立求解，可得

14、電路的傳遞函數(shù)為（）令（）（）則有（）式（）為二階有源低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式。輸出端接一個(gè)示波器，仿真后的波形如上圖所示。第五章 電荷放大器5.1電荷放大器原理電荷放大器實(shí)際上是一種具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其等效電路如圖。若放大器開環(huán)增益a足夠大，則放大器的輸入端a點(diǎn)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(yīng)晶體管，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(yùn)算電流僅流入反饋回路，電荷q對反饋電容cf充電，充電電壓接近于放大器的輸出電壓： uoucf=-q/cf uoucf=-q/cf壓電式傳感器與電荷放大器連接的基本電路及等效電路如下由“虛地”原理可知，

15、將反饋電容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(dāng)a足夠大，且頻率足夠高時(shí)，滿足(1+a)cf （ca+cc），1/(1+a)rf1/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和反饋電容cf，改變cf的大小即可得到所需的電壓輸出。在電荷放大器的實(shí)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，反饋電容cf的容量是可調(diào)的，一般在100104pf范圍之間。（2）當(dāng)頻率足夠高時(shí)，式變?yōu)椋?）電荷放大器通常在反饋電容的兩端并聯(lián)一個(gè)大的反饋電阻rf=1081010，其功能是提

16、供直流反饋，以提高電荷放大器工作穩(wěn)定性和減小零漂。當(dāng)工作頻率很低，但放大倍數(shù)a仍足夠大，式 變成表明，輸出電壓不僅與有q關(guān)，而且與反饋網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)cf 、rf和傳感器信號頻率有關(guān)，其幅值為:當(dāng)1/rf=cf時(shí)，有 此時(shí)放大器輸出電壓僅為高頻時(shí)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(shí)放大器輸出電壓僅為高頻時(shí)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:低頻時(shí)，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(shí)，其低頻幅值誤差和截止頻率只決定于反饋電路的參數(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(dāng)給定

17、工作頻帶下限截止頻率fl時(shí),反饋電阻rf值可由下限截止頻率公式計(jì)算確定。5.2仿真電路與分析理想條件下，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(yīng)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(gòu)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(zhì)量；r2和c3共同構(gòu)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的阻值比較大。仿真設(shè)計(jì)主要是為了確定電荷變換級的輸出達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)特性的相關(guān)參數(shù)，而做的前期仿真，并為后面的實(shí)際電路的制

18、作提供可靠的理論依據(jù)。電荷變換級對運(yùn)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(yīng)該低于反饋電阻。 在實(shí)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(jìn)行仿真，信號的到了有效的轉(zhuǎn)換。第六章 誤差分析本系統(tǒng)的誤差來源主要有傳感器本身的寄生電容、電感、電阻，運(yùn)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(jié)論本次課程設(shè)計(jì)借助multisim仿真軟件, 設(shè)計(jì)電路，快捷、方便的檢驗(yàn)了電路的正確性。從電荷放大器的基礎(chǔ)理論著手，推導(dǎo)了qv轉(zhuǎn)換及滿足準(zhǔn)靜態(tài)特性的基本參數(shù)要求。運(yùn)用multisim軟件對所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明：采用脈沖電流源等效電源的模型是合理的，理論分析結(jié)果和仿真結(jié)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(jié)果與仿真電路波形基本一致。心得體會經(jīng)過此次的課程設(shè)計(jì)，感觸最深的還是親手制作電荷放大器，理論與實(shí)踐相結(jié)合，更充分理解了理論知識，又增強(qiáng)了動手能力，很感謝老師能給予這次機(jī)會。我基本掌握了multisim模擬仿真軟件的使用方法，傳感器設(shè)計(jì)的基本思路