燕山大學(xué)-傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真及電荷放大器轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)-自動化儀表系畢業(yè)論文

燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)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(jì)學(xué)院（系）：年級專業(yè)：學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：教師職稱：第頁共17頁目錄第1章摘要…………………5第2章引言…………………6第3章基本原理……………7第4章基本電路仿真及分析………………9第5章電荷放大器的設(shè)計(jì)………………15第6章誤差分析…………16心得體會……………………16參考文獻(xiàn)……………………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基本設(shè)計(jì)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(jì)與參數(shù)分析，了解了電荷放大器在傳感器中的實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)通過電路的仿真設(shè)計(jì)與調(diào)試以及實(shí)際電路板的焊接,驗(yàn)證了該電路的可行性和可靠性。通過設(shè)計(jì)，掌握了電路設(shè)計(jì)的基本方法與技能，達(dá)到了課程設(shè)計(jì)的目的。引言電荷放大器作為組成壓電傳感器測試系統(tǒng)中的重要部分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。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(shí)，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(diǎn)，因此對電荷放大器轉(zhuǎn)換電路的研究與設(shè)計(jì)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(jìn)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)?；驹黼姾煞糯笃鞯幕倦娐啡鐖D2所示，壓電晶體受到壓力作用產(chǎn)生電荷Q；Ca是傳感器級間電容，Qa是此時(shí)充到Ca中的電荷；Cc是傳感器傳輸電纜的電容，Qc是此時(shí)充到Cc中的電荷，Gc是輸入電纜漏電導(dǎo)；Ci是電荷放大器的輸入電容，Qi是此時(shí)充到Ci中的電荷，Gi是放大器的輸入電導(dǎo)；Ud是此時(shí)在運(yùn)算放大器反相輸入端上產(chǎn)生的差動電壓；Cf是電荷放大器的反饋電容，作用到Cf兩端的電壓是Ud和輸出電壓U0的差值，Qf是此時(shí)充入Cf的電荷，Gf是放大器的反饋電導(dǎo)；運(yùn)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=-A×Ud因此作用在Cf兩端的電壓為：

Ucf=Ud-（-A×Ud）=Ud×（1+A）

假設(shè)反饋電阻Rf的阻值為無限大：

Q=Qa+Qc+Qi+Qf=Ud×（Ca+Cc+Ci+（1+A）Cf）

所以Ud=Q/(Ca+Cc+(1+A)Cf)UO=-Q/Cf在精度的范圍內(nèi)可以忽略部分?jǐn)?shù)量級小的部分，可以認(rèn)為：UO=-Q/Cf根據(jù)傳感器的電荷靈敏度、量程和反饋的電容計(jì)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章基本電路仿真及分析4.1比例放大電路4.1.1電路設(shè)計(jì)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(yù)期結(jié)果相符合。4.2差動放大器電路4.2.1電路設(shè)計(jì)4.2.2輸出及分析所示電路是用來實(shí)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(yùn)放的條件下，利用虛短和虛斷的概念，有(V1-V2)→0，Ii→0。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(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性。4.3交流電橋4.3.1電路設(shè)計(jì)4.3.2電路原理分析:對于交流電橋，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)了一個電容，在調(diào)節(jié)平衡時(shí)，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(fù)阻抗的模的積相等并且其幅角之和相等。單臂電橋的輸出電壓為4.4整流電路4.4.1電路設(shè)計(jì)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(dǎo)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(jì)4.5.2工作原理電橋的輸出電壓U=當(dāng)R1=R2、R3=R4時(shí)單臂電橋的輸出為4.6二階低通電路4.6.1電路設(shè)計(jì)4.6.2電路原理分析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(diǎn)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(jì)5.1參數(shù)設(shè)計(jì)與運(yùn)算5.1.1電路設(shè)計(jì)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起到降低壓降的作用，避免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)成反饋回路，對整個電路起反饋?zhàn)饔谩ｋ娮鑂為配合電阻，起到減小誤差提高精度的作用。5.1.3電荷放大器的運(yùn)算設(shè)輸出電壓為U由圖可得Z1=1/jwc1+R5Z2=1/jwc2Z3=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(shí)際電路板依照設(shè)計(jì)好的電路圖進(jìn)行電路的焊接，實(shí)現(xiàn)了電荷放大器設(shè)計(jì)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(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的正確性。第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(shí)際的焊接過程中因?yàn)楹附拥牟焕喂痰仍驎斐梢恍┹敵銎?，?dǎo)致出現(xiàn)誤差。另外，因?yàn)闇y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)果與波形理想情況基本吻合。心得體會通過這次課程設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)，掌握了常用基本電路的原理與設(shè)計(jì)，學(xué)會了電路分析的常用方法，明白了課程設(shè)計(jì)的基本步驟與要求，對課堂上所學(xué)的知識有了更深刻的理解。學(xué)習(xí)并掌握了電路仿真軟件Multisim的基本使用方法。此外，通過電路板的實(shí)際焊接，增強(qiáng)了動手動腦能力，掌握了電子工藝設(shè)計(jì)的基本工序，對課題有更深刻的了解。并且極大地激發(fā)了對電子工藝的興趣，增強(qiáng)了實(shí)踐能力。參考文獻(xiàn)【1】閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）高等教育出版社.2006年【2】康光華.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）高等教育出版社.2006年【3】張玉龍等.傳感器電路設(shè)計(jì)手冊.中國計(jì)量出版社.1989年【4】李科杰等.新編傳感器技術(shù)手冊.國防工業(yè)出版社.2002年【5】百度搜索相關(guān)資料基于C8051F單片機(jī)直流電動機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機(jī)的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動檢測儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號檢測儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專用單片機(jī)核的可測性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測量儀的研制基于單片機(jī)的紅外測油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)與Internet互聯(lián)的研究與實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機(jī)控制器的研究基于單片機(jī)γ-免疫計(jì)數(shù)器自動換樣功能的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)嵌入式以太網(wǎng)防盜報(bào)警系統(tǒng)基于51單片機(jī)的嵌入式Internet系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在擠壓機(jī)上的應(yīng)用MSP430單片機(jī)在智能水表系統(tǒng)上的研究與應(yīng)用基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用單片機(jī)在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用基于ATmega16單片機(jī)的流量控制器的開發(fā)基于MSP430單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的設(shè)計(jì)基于MSP430單片機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲與回放功能的嵌入式電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的氨分解率檢測系統(tǒng)的研究與開發(fā)鍋爐的單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)控制的電磁振動式播種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)技術(shù)的WDR-01型聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)測試儀的研制一種RISC結(jié)構(gòu)8位單片機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的公寓用電智能管理系統(tǒng)設(shè)