儀器儀表電路課設(shè)報(bào)告

1、武漢理工大學(xué)儀器儀表電路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄 第一章 緒論21.1概論21.2課設(shè)任務(wù)2第二章 方案論證及選擇3第三章 單元電路設(shè)計(jì)63.1放大電路設(shè)計(jì)63.2相敏檢波電路設(shè)計(jì)63.3低通濾波器設(shè)計(jì)73.4直流放大器設(shè)計(jì)8第四章 電路仿真（部分）95.1開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路仿真95.2低通濾波器仿真95.3總電路功能結(jié)果仿真10第五章 元器件清單11第六章 小結(jié)13參考文獻(xiàn)第一章 緒論1.1概論測(cè)控技術(shù)自古以來(lái)就是人類(lèi)生活和生產(chǎn)的重要組成部分。最初的測(cè)控嘗試都是來(lái)自于生產(chǎn)生活的需要，對(duì)時(shí)間的測(cè)控要求使人類(lèi)有了日晷這一原始的時(shí)鐘，對(duì)空間的測(cè)控要求使人類(lèi)有了點(diǎn)線面的認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)測(cè)控的要求當(dāng)然不會(huì)停

2、留在這些初級(jí)階段，隨著科技的發(fā)展，測(cè)控技術(shù)進(jìn)入了全新的時(shí)代。 自從迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)滲透到測(cè)控和儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域，便使該領(lǐng)域的面貌不斷更新。相繼出現(xiàn)的智能儀器、總線儀器和虛擬儀器等微機(jī)化儀器，都無(wú)一例外地利用計(jì)算機(jī)的軟件和硬件優(yōu)勢(shì)，從而既增加了測(cè)量功能，又提高了技術(shù)性能。由于信號(hào)被采集變換成數(shù)字形式后，更多的分析和處理工作都由計(jì)算機(jī)來(lái)完成，故很自然使人們不再去關(guān)注儀器與計(jì)算機(jī)之間的界限。近年來(lái)，新型微處理器的速度不斷提高，采用流水線、RISC結(jié)構(gòu)和cachE等先進(jìn)技術(shù)，又極大提高了計(jì)算機(jī)的數(shù)值處理能力和速度。在數(shù)據(jù)采集方面，數(shù)據(jù)采集卡、儀器放大器、數(shù)字信號(hào)處理芯片等技術(shù)的不斷升級(jí)

3、和更新，也有效地加快了數(shù)據(jù)采集的速率和效率。與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，已是當(dāng)今儀器與測(cè)控技術(shù)發(fā)展的主潮流。對(duì)微機(jī)化儀器作一具體分析后，不難見(jiàn)，配以相應(yīng)軟件和硬件的計(jì)算機(jī)將能夠完成許多儀器、儀表的功能，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一臺(tái)多功能的通用測(cè)量?jī)x器。 測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)是信息科學(xué)技術(shù)的源頭，是光學(xué)、精密機(jī)械、電子、電力、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)多學(xué)科互相滲透而形成的一門(mén)高新技術(shù)密集型綜合學(xué)科。它的涉及面廣，小到生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制，大到火箭衛(wèi)星的發(fā)射及監(jiān)控。由于對(duì)自動(dòng)控制及精度的嚴(yán)格要求，測(cè)控技術(shù)與儀器成為不可或缺的專(zhuān)業(yè)。1.2課設(shè)任務(wù)測(cè)控系統(tǒng)由傳感器、電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。電路時(shí)測(cè)控系統(tǒng)中最為靈活的部

4、分?？梢酝ㄟ^(guò)改變電路，達(dá)到獲得不同信號(hào)的目的。此次課設(shè)任務(wù)就是著重于此。 具體任務(wù)為：某差動(dòng)變壓器傳感器用于測(cè)量位移，當(dāng)所測(cè)位移在0 ±20mm范圍時(shí)（鐵芯由中間平衡位置往上為正，往下為負(fù)），其輸出的信號(hào)為正弦信號(hào)040mVP-P，要求將信號(hào)處理為與位移對(duì)應(yīng)的0-±2V直流信號(hào)。第二章 方案論證及選擇課設(shè)任務(wù)是將0-40mVpp轉(zhuǎn)化為0-±2V的直流電，參考0 ±20mm的位移移動(dòng)，故要考慮正反相的問(wèn)題。故要在整體電路中考慮相敏檢波電路。故整體思路是由正弦振蕩電路激發(fā)電路工作，將輸出通過(guò)放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，再進(jìn)入相敏檢波電路進(jìn)行判斷正負(fù)，最后進(jìn)入濾波器

5、去除噪聲。每塊單元電路都有不同類(lèi)型的電路可供選擇。正弦振蕩電路：（1）、RC正弦波振蕩電路：橋式振蕩電路、雙T網(wǎng)絡(luò)式和移相式振蕩電路等類(lèi)型；（2）、LC振蕩電路等。放大電路：（1）、反相放大電路；（2）、同相放大電路；（3）差動(dòng)放大電路；（4）、高共模抑制比放大電路等等。相敏檢波電路：（1）、相乘式相敏檢波電路；（2）、相加式相敏檢波電路。低通濾波器：（1）、一階濾波；（2）、壓控電壓源型濾波；（3）、無(wú)限增益多路反饋型濾波等。選擇了以下兩種方案：方案一：傳感器差分儀放電路相加式相敏檢波器壓控電壓源低通濾波器0 ±2V 直流橋式振蕩電路微分電路整體電路圖如下：圖2-1 方案一整體電路

6、圖方案二：傳感器反相放大電路開(kāi)關(guān)式相敏檢波器壓控電壓源低通濾波器0 ±2V 直流正弦信號(hào)發(fā)生器反相放大電路電路方案一和方案二都可以實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)040mVP-P，要求將信號(hào)處理為與位移對(duì)應(yīng)的0-±2V直流信號(hào)。方案一中RC正弦橋式振蕩器作為激發(fā)電路，但是在實(shí)際操作中，由于軟件的原因不能正常輸出，及時(shí)正常輸出信號(hào)不穩(wěn)定，故選擇了Mulsitim軟件中信號(hào)發(fā)生器輸出5000Hz、20mv的信號(hào)。相乘式相敏檢波電路具有可以鑒別調(diào)制信號(hào)相位，區(qū)別信號(hào)與噪聲的能力。在開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路中加入?yún)⒖夹盘?hào)方波使用芯片提高方波輸出的精準(zhǔn)度。綜合考慮，方案二電路簡(jiǎn)單，同樣能達(dá)到目的。故選擇方案二

7、。整體電路圖如下：圖2-2 方案二整體電路圖第三章 單元電路設(shè)計(jì)3.1放大電路設(shè)計(jì)圖3-1放大單元設(shè)計(jì)電路圖本單元輸入U(xiǎn)i=20mv，設(shè)定放大50倍，運(yùn)用反相放大電路，則閉環(huán)增益：Kf=-R2/R1 (3-1)式中R2=R4=5k，R1=R2=0.1k，Kf=-50反相增大50倍。同理串聯(lián)一個(gè)增益為-1的反相放大器。最終成功放大50倍。3.2相敏檢波電路設(shè)計(jì)圖3-2開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路設(shè)計(jì)電路圖此單元中，R3=R6=R7=100k，故放大倍數(shù)為-1。在Uc=1的半周期，同相輸入端接地，Us只從反相輸入端輸入，放大器的放大倍數(shù)為-1，輸出信號(hào)Uo如圖3-3實(shí)線所示。在Uo=0的半周期，V截止，us

8、同時(shí)從輸入端和反相輸入端輸入，放大器的放大倍數(shù)為+1，輸出信號(hào)uo如圖3-3中虛線所示。 圖3-3開(kāi)關(guān)式全波相敏檢波電路3.3低通濾波器設(shè)計(jì)本單元采用壓控電壓源型濾波電路組成的低通濾波器。電路圖如3-4。圖3-4壓控電壓源型濾波器設(shè)定fc=1kHz，則C1=0.01F，則根據(jù)式（3-2）K=100/(fcC1) (3-2)式中K電阻換標(biāo)系數(shù) fc截止頻率比 則K=，再根據(jù)式（3-3） Ri=Kri(i=1,2,3) (3-3)查表可知：R1=R2=5.3k 最終輸出電壓仿真輸出為620mV。3.4直流放大器設(shè)計(jì)圖3-5反相放大器電路圖為輸出2V電壓，由公式（3-1）可得 R1：R17=31:1

9、00。故取R1=3.1k，R17=1k。最后將620mV電壓放大為2V。由于存在誤差，最后結(jié)果近似等于2V。第四章 電路仿真（部分）5.1開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路仿真圖5-1開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路仿真圖5.2低通濾波器電路仿真圖5-2低通濾波器輸出仿真5.3總電路功能結(jié)果仿真圖5-3總電路輸出仿真第五章 元器件清單表1 元器件清單列表標(biāo)號(hào)大小型號(hào)C1C5R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14R15R16R17U1 U2 U3 U4 U5 U6 V1 VCC VCC VCC VDD VEE VSS 0.1uF50nF3.1k 0.1k 100k5k 50k 100k 100k

10、5.3 10k 34 5.3 10k 10k 10k 1k 10k 1k LM324ADLM324ADOP07AHLM324AD4066BD5VLM324AD5kHz 5 V5V5V5V5V-5V0V電容電容電阻電阻電阻電阻電阻電阻電阻電阻電阻電阻電阻電阻電阻電阻電阻電阻電阻運(yùn)放運(yùn)放運(yùn)放運(yùn)放芯片運(yùn)放電源電源電源電源電源電源電源第六章 小結(jié) 本次課程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)任務(wù)基本達(dá)到。因?yàn)閮蓚€(gè)課設(shè)時(shí)間沖突，所以在同段時(shí)間里完成兩門(mén)課設(shè)確實(shí)有一定的難度。但還是很努力去做，最后按時(shí)完成。課程設(shè)計(jì)是一個(gè)將所學(xué)理論應(yīng)用于實(shí)際的過(guò)程，也是一個(gè)不斷探索、不斷嘗試、不斷學(xué)習(xí)的過(guò)程我也從中學(xué)到了不少知識(shí)。從測(cè)量電路到放大電

11、路的選擇，濾波電路的選擇，讓我深刻體會(huì)到理論與實(shí)踐是密切相關(guān)的，感謝老師給了我們動(dòng)手、動(dòng)腦的機(jī)會(huì)，能讓我們用自己所學(xué)的知識(shí)去解決一些問(wèn)題儀器儀表課設(shè)結(jié)合模電、數(shù)電、測(cè)控電路等學(xué)科，交融性很強(qiáng)。對(duì)于我們測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)講，一定要端正學(xué)習(xí)態(tài)度，保質(zhì)保量的去完成培養(yǎng)計(jì)劃的任務(wù)。本學(xué)期有兩門(mén)課設(shè)，現(xiàn)在想來(lái)這兩門(mén)其實(shí)測(cè)控系統(tǒng)中最重要的兩部分，也是我們應(yīng)該掌握的必備技能。在此課程設(shè)計(jì)中，我才知道原來(lái)自己有那么多地方在平時(shí)的學(xué)習(xí)中并沒(méi)有完全掌握，明明很簡(jiǎn)單的問(wèn)題需想很久才能夠記起。這說(shuō)明知識(shí)點(diǎn)不扎實(shí)。所以在設(shè)計(jì)中遇到很多困難。好在通過(guò)查閱資料，同學(xué)間相互討論最后將問(wèn)題解決。希望以后能多有這樣的機(jī)會(huì)鍛煉自己的動(dòng)手能力。這次設(shè)計(jì)雖然結(jié)束了，但是，它的指導(dǎo)意義卻是永久的。它鍛煉了我們的實(shí)戰(zhàn)能力，讓我們用所學(xué)知識(shí)做出可行的電路，不僅是對(duì)知識(shí)的一種升華，更是對(duì)自己專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)的一中考驗(yàn)。這對(duì)以后的工作也產(chǎn)生很大的幫助，為以后在工作