傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真及電荷放大器轉(zhuǎn)換電路設(shè)計_電荷放大器課程設(shè)計

1、燕山大學課 程 設(shè) 計 說 明 書題目：傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真及電荷放大器轉(zhuǎn)換電路設(shè)計學院系： 年級專業(yè)： 學 號：學生姓名： 指導教師：教師職稱： 燕山大學課程設(shè)計論文任務(wù)書院系： 電氣工程學院 基層教學單位： 自動化儀表系 學 號學生姓名專業(yè)班級設(shè)計題目 傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真及電荷放大器轉(zhuǎn)換電路設(shè)計設(shè)計技術(shù)參數(shù)1測量范圍:2輸出電壓0-10V；3線性度:4靈敏度：5精度：設(shè)計要求1學習電路仿真軟件Multisim.2設(shè)計與仿真調(diào)試各種傳感器轉(zhuǎn)換電路；3設(shè)計直流電橋轉(zhuǎn)換電路、放大電路、濾波電路；4電荷放大器轉(zhuǎn)換電路電路調(diào)試；5撰寫報告、完成辯論。工作量 第17-19周完成資料查閱、方案設(shè)計、電路仿

2、真、硬件調(diào)試、測試及誤差分析等內(nèi)容工作計劃 設(shè)計時間共10天。 第1-2天 資料查閱(圖書館及網(wǎng)絡(luò))；理論工作原理學習。 第3-4天 設(shè)計方案制定。 第5-6天 電路仿真，各器件選型。 第7-8 傳感器轉(zhuǎn)換電路調(diào)試。 第9-10天 撰寫報告，完成辯論。參考資料吳桂秀.傳感器應(yīng)用制作入門楊寶清，孫寶元. 傳感器及其應(yīng)用手冊. 2004年單成祥. 傳感器的理論與設(shè)計根底及其應(yīng)用. 國防工業(yè)出版社. 1999年殷淑英. 傳感器應(yīng)用技術(shù)指導教師簽字陳穎 朱丹丹基層教學單位主任簽字謝平說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。2021年12月26 日 燕山大學課程設(shè)計評審意見表指導教

3、師評語：1、認真、很好的完成課設(shè)各階段的任務(wù)。【 】2、能夠較好的完成課設(shè)各階段的任務(wù)。【 】3、能夠按時完成課設(shè)各階段的任務(wù)。【 】4、不按時完成課設(shè)各階段的任務(wù)?！?】成績： 指導教師：陳穎 朱丹丹 2021年 12月28日辯論小組評語：1、全面、得體的答復老師的提問?！?】2、能夠簡要答復老師的提問?！?】3、能夠答復局部老師的提問?！?】4、不能答復老師的提問?！?】成績： 組長： 童凱 2021年 12月28日課程設(shè)計總成績：辯論小組成員簽字： 童凱 吳飛 王志斌 趙彥濤 陳穎 朱丹丹2021年 12月28日目 錄第1章 摘要5第2章 引言6 第3章 根本原理7第4章 根本電路仿真及

4、分析9第5章 電荷放大器的設(shè)計 15第6章 誤差分析 16心得體會 16參考文獻 17 第1章 摘要 電荷放大器作為一種將電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號的放大器,用做傳感器的轉(zhuǎn)換電路,被廣泛地應(yīng)用在自動控制測量領(lǐng)域。本文從電荷放大器的根本設(shè)計電路及原理出發(fā)，深刻理解電荷放大器的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)分析，了解了電荷放大器在傳感器中的實際應(yīng)用。同時通過電路的仿真設(shè)計與調(diào)試以及實際電路板的焊接,驗證了該電路的可行性和可靠性。通過設(shè)計，掌握了電路設(shè)計的根本方法與技能，到達了課程設(shè)計的目的。 引言 電荷放大器作為組成壓電傳感器測試系統(tǒng)中的重要局部得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在配合電子測壓使用的電荷放大器的研制工作中。

5、在很多壓電測試場合，需要把電荷量的信號轉(zhuǎn)換成電壓或電流的信號，此時，就需要用到一種特殊的放大電荷放大器。 電荷放大器把電荷量變成與之相應(yīng)的輸出電壓，要求輸入阻抗極高，輸出對輸入具有良好的積分關(guān)系。電荷放大器有線路簡單，線性度和穩(wěn)定性好等特點，因此對電荷放大器轉(zhuǎn)換電路的研究與設(shè)計十分必要。電荷放大器的原理是利用放大器輸入虛地的概念，把電荷信號直接積分到電路中的積分電容，從而放大器的輸出，便是所有電荷量的總和的輸出。本文利用Multisim軟件對電荷放大器的電荷變換單元進行了仿真，得出了與理論分析相吻合的結(jié)論，對電荷放大器的研制提供了理論依據(jù)。 根本原理 電荷放大器的根本電路如圖2所示，壓電晶體受

6、到壓力作用產(chǎn)生電荷Q；Ca 是傳感器級間電容，Qa 是此時充到Ca 中的電荷；Cc 是傳感器傳輸電纜的電容，Qc是此時充到Cc 中的電荷，Gc 是輸入電纜漏電導；Ci是電荷放大器的輸入電容，Qi 是此時充到Ci 中的電荷，Gi 是放大器的輸入電導；Ud 是此時在運算放大器反相輸入端上產(chǎn)生的差動電壓；Cf 是電荷放大器的反應(yīng)電容，作用到Cf 兩端的電壓是Ud 和輸出電壓U0 的差值，Qf 是此時充入Cf 的電荷，Gf 是放大器的反應(yīng)電導；運算放大器的開環(huán)系數(shù)為A，由于電壓是反向輸入，所以： U0=-AUd因此作用在Cf 兩端的電壓為： Ucf=Ud-AUd=Ud1+A假設(shè)反應(yīng)電阻Rf的阻值為無限

7、大： Q=Qa+Qc+Qi+Qf=UdCa+Cc+Ci+1+ACf所以 Ud=Q/(Ca+Cc+(1+A)Cf) UO=-Q/Cf 在精度的范圍內(nèi)可以忽略局部數(shù)量級小的局部，可以認為： UO= -Q/Cf 根據(jù)傳感器的電荷靈敏度、量程和反應(yīng)的電容計算出輸出的最大電壓。電荷放大器的仿真電路圖如下：輸出波形如下： 第4章根本電路仿真及分析4.1 比例放大電路4.1.1 電路設(shè)計4.1.2 輸出波形4.1.3 結(jié)果分析比例放大器設(shè)置的放大倍數(shù)為-5倍，信號源的幅值為500MV，頻率為1KHZ，UO=-(R1/R2)UI仿真波形如上所示，波形與預期結(jié)果相符合。 4.2 差動放大器電路4.2.1 電路設(shè)

8、計4.2.2 輸出及分析所示電路是用來實現(xiàn)兩個電壓相減的求差電路，從電路結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。在理想運放的條件下，利用虛短和虛斷的概念，有(V1-V2)0，Ii0。分析電路得輸出電壓為VO=R4/R3(UI2-UI1)，代入圖中參數(shù)求得輸出電壓為10V，所得結(jié)果滿足電路原理輸出要求，驗證電路設(shè)計的正確性。4.3.2 電路原理分析: 對于交流電橋，由于應(yīng)變片連接導線的分布電容，相當于在應(yīng)變片上并聯(lián)了一個電容，在調(diào)節(jié)平衡時，除了使用電阻平衡裝置外還要使用電容平衡裝置。滿足平衡條件 交流電橋平衡要滿足兩個條件，即相對兩臂復阻抗的模的積相等并且其幅角之和相等。單臂電橋的輸出

9、電壓為 4.4 整流電路4.4.1 電路設(shè)計4.4.2 電路原理分析 整流電路主要由整流二極管組成，橋式整流器利用四個二極管，兩兩對接。利用二極管的導通性制成橋式整流電路，將交流信號的半周翻折到X軸上方。經(jīng)過整流電路的波形： 4.5 直流電橋 4.5.1 電路設(shè)計4.5.2 工作原理電橋的輸出電壓 U=當R1=R2、R3=R4時單臂電橋的輸出為4.6 二階低通電路二階低通濾波電路是由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。輸出波形如下：第5章 電荷放大器的設(shè)計5.1 參數(shù)設(shè)計與運算5.1.1 電路設(shè)計5.1.2 電路原理分析電容C與交流電源構(gòu)成電源，電阻R起到降

10、低壓降的作用，防止交流電源輸出過大燒壞放大器。電容C起到隔直流阻交流的作用，使后續(xù)電路中的信號恒為交流信號。電阻R與電容 C以及放大器一同構(gòu)成反應(yīng)回路，對整個電路起反應(yīng)作用。電阻R為配合電阻，起到減小誤差提高精度的作用。設(shè)輸出電壓為U由圖可得 Z1=1/jwc1+R5 Z2=1/jwc2 Z3=Z1Z2/(Z1+Z2) Uo=-Z3/R15.2 電荷放大器的焊接與調(diào)試5.2.1 焊接 通過實際電路板依照設(shè)計好的電路圖進行電路的焊接，實現(xiàn)了電荷放大器設(shè)計的最后工藝。5.2.2 調(diào)試 將焊接好的電路板接入已經(jīng)調(diào)試好的測試電路中，得出了正確的輸出波形。通過觀察分析輸出波形，驗證了電路設(shè)計的正確性。第

11、6章 誤差分析電路的仿真結(jié)果是基于理想的理論依據(jù)輸出的，但是實際的焊接過程中因為焊接的不牢固等原因會造成一些輸出偏差，導致出現(xiàn)誤差。另外，因為測試信號中夾雜著干擾信號，干擾信號對于輸出波形有一定的干擾信號，使得波形出現(xiàn)毛躁，變形等現(xiàn)象。經(jīng)過分析，在一定的誤差允許范圍內(nèi)，所得的輸出結(jié)果與波形理想情況根本吻合。心得體會通過這次課程設(shè)計的實訓，掌握了常用根本電路的原理與設(shè)計，學會了電路分析的常用方法，明白了課程設(shè)計的根本步驟與要求，對課堂上所學的知識有了更深刻的理解。學習并掌握了電路仿真軟件Multisim的根本使用方法。此外，通過電路板的實際焊接，增強了動手動腦能力，掌握了電子工藝設(shè)計的根本工序，對課題有更