微弱電流信號(hào)的檢測(cè)和放大電路

1、專業(yè)模塊課程設(shè)計(jì)說明書（測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)）微弱電流信號(hào)的檢測(cè)和放大電路學(xué)生學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 起止日期： 2015.6.232015.7.3 機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)模塊課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：微弱電流信號(hào)的檢測(cè)和放大電路二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 任務(wù)：設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱電流信號(hào)的檢測(cè)與放大，將微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成有用的電壓信號(hào)。 要求：電路要包括電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)放大電路，調(diào)制和解調(diào)電路，并采用multisim仿真。三、設(shè)計(jì)時(shí)間及進(jìn)度安排設(shè)計(jì)時(shí)間共兩周（2015.6.232015.7.3）,具體安排如下表：周安排設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容設(shè)計(jì)時(shí)間第一周布置設(shè)計(jì)任務(wù)和具體要求

2、及設(shè)計(jì)安排；提出設(shè)計(jì)思路和初步設(shè)計(jì)方案、根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，根據(jù)指導(dǎo)意見，修改具體設(shè)計(jì)；仿真實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，指導(dǎo)、檢查完成情況。15.06.23-15.06.26第二周設(shè)計(jì)、仿真，撰寫、完成專業(yè)模塊設(shè)計(jì)報(bào)告, 驗(yàn)收、考核15.06.29-15.07.03四、指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)?cè)u(píng)定指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ):年 月 日成績(jī)指導(dǎo)教師(簽字):目 錄專業(yè)模塊課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1一、設(shè)計(jì)題目：微弱電流信號(hào)的檢測(cè)和放大電路1二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1三、設(shè)計(jì)時(shí)間及進(jìn)度安排1四、指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)?cè)u(píng)定1第一章課程設(shè)計(jì)的目的1第二章課程設(shè)計(jì)說明書正文2一、任務(wù)的提出2二、方案論證2三、電路基本結(jié)構(gòu)3四、電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)31

3、.IV轉(zhuǎn)換電路32.電壓放大電路53.相敏檢波電路74.電壓比較器105.低通濾波器11五、試驗(yàn)調(diào)試及結(jié)果的分析14結(jié)論15參考文獻(xiàn)15第一章 課程設(shè)計(jì)的目的課程設(shè)計(jì)是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行的一次綜合性專業(yè)設(shè)計(jì)訓(xùn)練。通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生獲得以下幾方面能力，為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）奠定基礎(chǔ)。1進(jìn)一步鞏固和加深學(xué)生所學(xué)一門或幾門相關(guān)專業(yè)課（或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課）理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪圖、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、文獻(xiàn)查閱、報(bào)告撰寫等基本技能；2培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力及獨(dú)立分析和解決工程實(shí)際問題的能力；3培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、創(chuàng)新意識(shí)、嚴(yán)肅認(rèn)真的治學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工作作風(fēng)。第二章 課程設(shè)計(jì)說

4、明書正文一、任務(wù)的提出很多情況下，我們?cè)趹?yīng)用中采集的往往是微弱電流信號(hào)，而微弱電流信號(hào)很難直接使用，所以對(duì)微弱電流信號(hào)的檢測(cè)與放大，在科學(xué)研究和軍事等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。微弱電流信號(hào)檢測(cè)放大的一般辦法是通過Iv轉(zhuǎn)換器件將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)，然后再通過電路放大，最后利用低通濾波器，濾除混雜在信號(hào)中的高頻噪聲。二、方案論證具體工作方式：IV轉(zhuǎn)換電路將微弱電流轉(zhuǎn)換成電壓，通過三運(yùn)放放大電路放大后，其輸出電壓與正弦高頻電壓相乘得到高頻載波信號(hào)，同時(shí)正弦高頻電壓通過電壓比較器轉(zhuǎn)換為方波，兩者輸入開關(guān)式相敏檢波電路，經(jīng)過二階低通濾波器后得到輸出電壓。由于本電路檢測(cè)的是微弱電流信號(hào)，顧采用了頻率為

5、100HZ，電流為0.00005A的輸入電流。I/V轉(zhuǎn)換器采用1k的電阻，電流經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換器后，電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，理想狀態(tài)下為0.1V（峰值電壓）。萬(wàn)用表測(cè)出的是有效電壓，為70.731mv。為方便處理，本文后期將全部采用有效值。同時(shí)經(jīng)過三運(yùn)放高共模抑制比電路（其中一個(gè)前置運(yùn)放輸入為0，故省略，實(shí)際中只有兩個(gè)運(yùn)放），共放大100倍，理想狀態(tài)下經(jīng)過運(yùn)放后電壓為7V。該電壓信號(hào)以頻率為1kHZ的高頻交流電壓信號(hào)為載波信號(hào)，與頻率為1kHZ的高頻交流電壓信號(hào)經(jīng)過電壓比較器后轉(zhuǎn)換的方波輸入相敏檢波電路，輸出檢波信號(hào)，檢波信號(hào)經(jīng)過二級(jí)低通濾波器后得到的電壓信號(hào)即為最終信號(hào)。LM358AD里面包括有一

6、個(gè)高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)放，適用于電壓范圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源工作方式，它的應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)放的地方使用。圖1 LM358AD引腳圖三、電路基本結(jié)構(gòu)調(diào)制低通濾波器調(diào)制/解調(diào)電路放大電壓放大電路微弱I/V轉(zhuǎn)換模塊微弱信號(hào)電壓電壓電流圖2 微弱電流信號(hào)檢測(cè)與放大裝置整體結(jié)構(gòu)圖3 微弱電流檢測(cè)與放大電路整體結(jié)構(gòu)四、電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1. IV轉(zhuǎn)換電路I/V轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)如圖4：圖4 I/V轉(zhuǎn)換電路同向反向端接地，同向端接入正弦交流微弱電流信號(hào)(0.00005A，100HZ)，采用1K電阻，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路后，根據(jù)公式1，理想狀

7、態(tài)下輸出有效電壓為70.71mv。如圖5所示公式1圖5 I/V轉(zhuǎn)換電路輸出電壓I/V轉(zhuǎn)換電路運(yùn)行正常，輸出波形如圖6所示。 圖6 I/V轉(zhuǎn)換電路輸出電壓波形2. 電壓放大電路本設(shè)計(jì)采用三運(yùn)放差分式放大電路，但有一支路輸入為0，故可以省去，采用兩個(gè)差分式同向放大電路相乘實(shí)現(xiàn)放大作用。差分式結(jié)構(gòu)，對(duì)共模噪聲有很強(qiáng)的抑制作用，同時(shí)擁有較高。的輸 入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對(duì)微弱信號(hào)的放大。每個(gè)差分式放大電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7 同向比例運(yùn)算放大電路同向輸入端和反向輸入端輸入電阻都為1k，反饋電阻為9k，每個(gè)差分式同向放大電路可放大電壓10倍，共實(shí)現(xiàn)100倍的放大作用。理想狀態(tài)下，經(jīng)過第一個(gè)差分

8、式放大電路后輸出電壓為700mv，經(jīng)過第二個(gè)差分式放大電路后輸出電壓為7V。實(shí)際情況下，經(jīng)第一個(gè)差分式放大電路后輸出電壓為706.949mv，經(jīng)第二個(gè)差分式放大電路后輸出電壓為7.068V，處于合理方位內(nèi)。結(jié)果如圖8所示（從左至右依次為輸入電壓、一級(jí)運(yùn)放后放大電壓、二級(jí)運(yùn)放后放大電壓）圖8 運(yùn)算放大電路輸入輸出電壓對(duì)比電壓放大器結(jié)構(gòu)合理，準(zhǔn)確得實(shí)現(xiàn)了電壓放大功能。經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換器后電壓（通道B），經(jīng)一級(jí)差分式放大電路后輸出電壓（通道C）,經(jīng)二級(jí)差分式放大電路后輸出電壓(通道D)波形對(duì)比如圖9所示：圖9 運(yùn)算放大電路輸入輸出電壓波形對(duì)比3. 相敏檢波電路本設(shè)計(jì)采用開關(guān)式相敏檢波電路。相敏檢波電路是

9、具有鑒別調(diào)制信號(hào)相位和選頻能力的檢波電路。其結(jié)構(gòu)如圖10所示。圖10 開關(guān)式相敏檢波電路同向端輸入經(jīng)電壓比較器處理過的方波電壓信號(hào)，反向端輸入的電流由乘法電路處理(由放大后的電壓信號(hào)與正弦高頻電壓信號(hào)相程)。其中同向端和反向端的高頻電壓信號(hào)由同一信號(hào)源產(chǎn)生，兩者同頻。經(jīng)過相乘后輸出波形如圖11所示。圖11 相乘電路輸出波形運(yùn)放電路輸出電壓（通道C），高頻正弦電壓信號(hào)（10倍頻率運(yùn)放輸出電壓，通道B），合成信號(hào)（通道A）如圖12所示。圖12 相乘電路輸出前后對(duì)比圖為何不采用包絡(luò)檢波電路？答：包絡(luò)檢波有兩個(gè)問題：一是解調(diào)的主要過程是對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號(hào)的相位

10、。第二，包絡(luò)檢波電路本身不具有區(qū)分不同載波頻率的信號(hào)的能力。對(duì)于不同載波頻率的信號(hào)它都以同樣方式對(duì)它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，這就是說它不具有鑒別信號(hào)的能力。為了使檢波電路具有判別信號(hào)相位和頻率的能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路。經(jīng)過相敏檢波輸出電壓為4.327V，輸入輸出電壓如圖13所示。圖13 相敏檢波電路輸入輸出電壓經(jīng)過相敏檢波電路的波形如圖14所示：圖14 相敏檢波電路輸出波形4. 電壓比較器為了給相敏檢波電路提供同頻方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)檢波功能。其結(jié)構(gòu)如圖15所示。圖15電壓比較器其同向端接地，反向端接入高頻正弦電壓信號(hào)（1KHZ），輸出端為方波信號(hào)。當(dāng)反向端正弦電壓小于0時(shí)，輸出高

11、電平；當(dāng)反向端輸入的正弦電壓大于0時(shí)，輸出低電平。所以輸入正弦波輸出為反向的正弦波。輸入信號(hào)和輸出信號(hào)對(duì)比如圖16所示。圖16電壓比較器輸入信號(hào)和輸出信號(hào)對(duì)比5. 低通濾波器為了加強(qiáng)濾波器濾除噪聲的能力，采用了二階低通濾波器，并在濾波器的設(shè)計(jì)過程 中選擇了同樣的電容電阻組合。本設(shè)計(jì)中二階低通濾波器結(jié)構(gòu)如圖17所示。圖17 二階低通濾波器由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運(yùn)放輸出到集成運(yùn)放同相輸入之間引入一個(gè)負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)信號(hào)頻率ff0時(shí)（f0 為截止頻率），電路的每級(jí)RC 電路的相移趨于-90º，兩級(jí)RC 電路的移相到-180º，電

12、路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時(shí)通過電容c 引到集成運(yùn)放同相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號(hào)將起著削弱輸入信號(hào)的作用，使電壓放大倍數(shù)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(hào)通過。其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。現(xiàn)計(jì)算低通濾波器各元器件參數(shù)。取截止頻率為f=110Hz，C1為0.1uF。根據(jù)公式4.5.1得4.5.1R=14.5k表1 二階濾波器部分參數(shù)二階貝塞爾巴特沃斯切比雪夫a1.36171.41421.065b0.61811.93054.5.2根據(jù)表1和公式4.5.2得，取 C2=0.2uF。為使兩輸入端對(duì)應(yīng)阻抗平衡，要求R13*C2=R14*C1

13、，求得R13=7.25k。低通濾波器輸入輸出電壓如圖18所示：圖18 二階低通濾波器輸入輸出電壓I/V轉(zhuǎn)換器輸出電壓、電壓放大器輸出電壓、低通濾波器輸出電壓比較如圖19：圖19 四電壓比較電壓放大器輸出電壓波形、低通濾波器輸出電壓波形比較如圖20：圖20 電壓放大器輸出、低通濾波器輸出電壓波形輸入電流波形（通道D）、I/V轉(zhuǎn)換器輸出電壓波形、電壓放大器輸出電壓波形、低通濾波器輸出電壓波形比較如圖21：圖21 輸出電壓與輸入電流波形圖五、 試驗(yàn)調(diào)試及結(jié)果的分析經(jīng)過調(diào)試，整個(gè)設(shè)計(jì)電路合理正常，出現(xiàn)的電路錯(cuò)誤得到了合理得解決，運(yùn)行正常。當(dāng)輸入微弱電流0.00005mA時(shí)，I/V轉(zhuǎn)換器輸出70.703

14、mV（有效值，下同），正確得實(shí)現(xiàn)了I/V轉(zhuǎn)換。經(jīng)過一級(jí)運(yùn)算放大器輸出電壓為706.98mV，二級(jí)運(yùn)算放大電路輸出電壓為7.069V，合理得實(shí)現(xiàn)了信號(hào)放大作用。經(jīng)過電壓比較器、相乘電路、相敏檢波電路信號(hào)波形正常合理，后經(jīng)過二階低通濾波器，濾掉高頻波，信號(hào)正常，輸出電壓為2.29V。通過與輸入電流信號(hào)，I/V轉(zhuǎn)換器輸出電壓、運(yùn)算放大器輸出電壓波形比較可以看出，信號(hào)的調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì)得合理正確，可以完成濾波作用。當(dāng)改變輸入電流的值時(shí)，輸出電壓如表1所示。通過變化曲線我們可以看出，當(dāng)輸入電流小于0.00005mA時(shí)，輸出的電壓與輸入電流為線性關(guān)系，比例系數(shù)約為35000。擔(dān)當(dāng)輸入電流大于0.00005

15、mA時(shí)，輸出電壓接近不變。故此電路適用于0.00005mA以下的輸入電流。表2 輸入電流與運(yùn)放輸出電壓及濾波輸出電壓對(duì)比輸入電流/A運(yùn)放輸出電壓/V濾波器輸出電壓/V0.00000050.07060.0350.0000010.1410.0690.0000020.3530.1680.0000050.5650.2640.0000080.7680.3260.000011.4140.6160.000022.1220.8820.000032.8291.1110.000043.5361.3220.000055.6581.9170.000087.0762.2940.0001010.4083.1360.0001511.7293.3850.0002012.6913.5320.000313.1083.5820.000413.3563.591結(jié)論本電路設(shè)計(jì)主要由I/V轉(zhuǎn)換電路，運(yùn)算放大電路，相敏檢波電路及二階低通濾波器組成。各分電路均能合理得完成任務(wù)，各元器件選擇合理。當(dāng)輸入0.00005mA以下的微弱電流是，該微弱電流檢測(cè)及放大電路能合理得實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與放大功能，且輸出電壓與輸入電流成線性變化的關(guān)系，比例系數(shù)約為35000。在電路設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，不同元器件的選擇會(huì)有不同的上限電流，比如運(yùn)算放大電路中電阻的選擇會(huì)影響放大倍數(shù)，從而會(huì)影響輸入電流的大小。通過本次電路