測控電路設(shè)計報告劉俊博

《測控電路課程設(shè)計》報告題目人體電子秤設(shè)計院系儀器科學與光電工程專業(yè)測控技術(shù)與儀器班級測控1103班學號2011010677學生姓名劉俊博指導老師劉國忠實驗時間2014.06-2014.07實驗成績目錄一、課程設(shè)計目的及意義3二、系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)4三、總體方案設(shè)計5四、電路設(shè)計64.1、傳感器電路設(shè)計64.2、信號調(diào)理電路設(shè)計84.2.1、放大電路 84.2.2、調(diào)零電路計114.3、比擬電路設(shè)計 124.4、整體電路原理圖 14五、電路調(diào)試及實驗數(shù)據(jù)分析 155.1、放大和調(diào)零電路調(diào)試 155.2、比擬電路調(diào)試 155.3、實驗數(shù)據(jù)分析 16六、總結(jié) 196.1、技術(shù)總結(jié) 196.2、個人感悟及建議 19參考文獻20一、課程設(shè)計目的及意義測控電路課程設(shè)計是測控電路課程體系的一個重要組成環(huán)節(jié)，是按照《測控電路設(shè)計與實踐》教學大綱所進行的獨立實踐教學環(huán)節(jié)。設(shè)計內(nèi)容為典型測控系統(tǒng)電路設(shè)計,通過課程設(shè)計，使學生完成測控系統(tǒng)任務(wù)分析、電路總體設(shè)計、單元電路設(shè)計以及電路調(diào)試等各個環(huán)節(jié),掌握有關(guān)傳感器接口電路、信號處理電路、放大電路、濾波電路、運算電路、顯示電路以及執(zhí)行部件驅(qū)動電路等內(nèi)容在測控系統(tǒng)中的使用方法,了解有關(guān)電子器件和集成電路的工作原理[1]。在課程設(shè)計中，做到理論聯(lián)系實際，加深對理論知識的進一步理解，培養(yǎng)學生綜合運用所學知識進行工程設(shè)計的能力，包括動手能力，獨立思考能力，以及分析和解決工程實際問題等的能力，學以致用。電子秤是用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)一體化的電子稱量裝置，它的創(chuàng)造極大地方便人們稱量物體的。電子稱顯示快速直觀、操作簡單，精度高。二、課程設(shè)計要求和任務(wù)設(shè)計一個人體電子秤測量系統(tǒng)，最大稱重為150KG，能用輸入電壓范圍0-2V的3位半數(shù)字顯示表頭顯示體重，當體重大于W1時，點亮LED1，發(fā)出聲音提示；當體重小于W2時，點亮LED1，發(fā)出聲音提示，空載時燈滅。三、總體方案設(shè)計本次課設(shè)題目設(shè)計過程中需要用到壓力傳感器，放大器，比擬電路，液晶顯示和報警裝置〔蜂鳴器，LED〕。數(shù)字電子稱通過傳感器將稱重電橋產(chǎn)生電壓信號，此信號通過儀用放大器AD620進行放大，把較小的電壓信號通過運算放大電路進行準確、線性的放大，以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求，AD620芯片的5腳〔基準端〕來調(diào)零，調(diào)零電路采用741組成的電壓跟隨器。儀表用放大器具備足夠大的放大倍數(shù)、高輸入電阻和高共模抑制比的特點。放大后的模擬電壓信號傳遞給A/D轉(zhuǎn)換電路然后把數(shù)字信號傳送給液晶顯示器顯示重量值，由顯示電路顯示出測量結(jié)果，顯示電路采用三位半數(shù)碼管顯示電路進行顯示。將信號通過比擬器LM339，設(shè)置體重報警的上下限，小于w1和超過w2電路會自動報警提示。本設(shè)計中通過改變放大電路的增益，從而到達轉(zhuǎn)換量程的目的。由于被測物體的重量相差較大，根據(jù)不同的側(cè)重范圍要求，需對量程進行切換。此電路簡單明了，方便于調(diào)試與修改[2]?？傮w方案圖如圖1所示。圖1人體電子稱系統(tǒng)框圖四、單元電路設(shè)計4.1傳感器電路設(shè)計傳感器能感受被測量，并按照一定的規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件與轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件指傳感器中能直接感受被測量的局部，轉(zhuǎn)換局部指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于輸出和測量的電信號局部。現(xiàn)代科技的快速開展使人類社會進入了信息時代，在信息時代人們的社會活動將主要依靠對信息資源的開發(fā)和獲取、傳輸和處理，而傳感器處于自動檢測與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測信息的窗口；傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，一切科學研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號。因此，傳感器的地位與作用特別重要。電子稱傳感器采用電阻應(yīng)變式傳感器，電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片即可單獨作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學量傳感器。導體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片把機械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為△R/R后，由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的△R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。直流電橋的特點是信號不會受各元件和導線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應(yīng)變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。應(yīng)變片式傳感器有如下特點：1〕應(yīng)用和測量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機械量傳感器。2〕分辨力和靈敏度高，精度較高。3〕結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小，對復雜環(huán)境適應(yīng)性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。4〕商品化，使用方便，便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。一直流供電的平衡電阻電橋，AC接直流電源E：當電橋輸出端接無窮大負載電阻時，可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。電橋原理圖如圖2所示圖2當忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有：U0=U當滿足條件R1R3=R2U0=0，即電橋平衡,式〔2應(yīng)變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應(yīng)變片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。假設(shè)差開工作，即R1=R-?R,R2=R+?R,R3=R-?R,R(3)4.2信號調(diào)理電路設(shè)計4.2.1放大電路放大電路選用了儀用放大器AD620，AD620是一款低本錢、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1至10,000。此外，AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立式設(shè)計，并且功耗較低(最大電源電流僅1.3mA)，因此非常適合電池供電的便攜式(或遠程)應(yīng)用。AD620具有高精度(最大非線性度40ppm)、低失調(diào)電壓(最大50µV)和低失調(diào)漂移(最大0.6µV/°C)特性，是電子秤和傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選。它還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性，使之非常適合ECG和無創(chuàng)血壓監(jiān)測儀等醫(yī)療應(yīng)用。由于其輸入級采用Superβeta處理，因此可以實現(xiàn)最大1.0nA的低輸入偏置電流。AD620在1kHz時具有9nV/√Hz的低輸入電壓噪聲，在0.1Hz至10Hz頻帶內(nèi)的噪聲為0.28μV峰峰值，輸入電流噪聲為0.1pA/√Hz，因而作為前置放大器使用效果很好。同時，AD620的0.01%建立時間為15μs，非常適合多路復用應(yīng)用；而且本錢很低，足以實現(xiàn)每通道一個儀表放大器的設(shè)計。AD620由傳統(tǒng)的三運算放大器開展而成,但一些主要性能卻優(yōu)于三運算放大器構(gòu)成的儀表放大器的設(shè)計,如電源范圍寬(±2.3～±18V),設(shè)計體積小,功耗非常低(最大供電電流僅1.3mA),因而適用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場合[3]。三運放電路如圖3所示。圖3AD620的單片結(jié)構(gòu)和激光晶體調(diào)整,允許電路元件緊密匹配和跟蹤,從而保證電路固有的高性能。AD620為三運放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu),為保護增益控制的高精度,其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入,并采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流,通過輸入級內(nèi)部運放的反應(yīng),保持輸入三極管的集電極電流恒定,并使輸入電壓加到外部增益控制電阻RG上。AD620的兩個內(nèi)部增益電阻為24.7k8,因而增益方程式為G=49.4kΩ/RG+1〔3〕對于所需的增益,那么外部控制電阻值為RG=49.4/〔G-1〕kΩ〔4〕AD620由于體積小、功耗低、噪聲小及供電電源范圍廣等特點,使AD620特別適宜應(yīng)用到諸如傳感器接口、心電圖監(jiān)測儀、精密電壓電流轉(zhuǎn)換等應(yīng)用場合。AD620特別適宜于較高電阻值,較低電源電壓的壓力傳感器電路設(shè)計。AD620的體積小、功耗低成為壓力傳感器的重要因素,圖為+5V電源供電的壓力傳感器電橋。在如圖4這樣一個電路中,電橋功耗僅為1.7mA,AD620和AD705緩沖電壓驅(qū)動器對信號調(diào)節(jié),使總供電電流僅為3.8mA,同時該電路產(chǎn)生的噪聲和漂移也極低。圖4壓力傳感器電路將AD620的2、3引腳接到傳感器電路的輸出端，1和8引腳接1kΩ滑動變阻器，用來調(diào)節(jié)AD620的放大倍數(shù)，4和7引腳接正負電源，給芯片供電，5引腳是參考端接調(diào)零電路，6引腳是輸出放大電路如圖5所示圖54.2.2調(diào)零電路LM741〔單運放〕是高增益運算放大器，用于軍事、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用.這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護和閉鎖自由運作。這些類型還具有廣泛的共同模式，差模信號范圍和低失調(diào)電壓調(diào)零能力與使用適當?shù)碾娢弧?41運算放大器使用時需于7、4腳位供給一對同等大小的正負電源電壓＋Vdc與－Vdc，一旦于2、3腳位即兩輸入端間有電壓差存在，壓差即會被放大于輸出端，唯Op放大器具有一特色，其輸出電壓值決不會大于正電源電壓＋Vdc或小于負電源電壓－Vdc，輸入電壓差經(jīng)放大后假設(shè)大于外接電源電壓＋Vdc至－Vdc之范圍，其值會等于＋Vdc或－Vdc，輸出電壓于到達＋Vdc和－Vdc后會呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。使用LM741用作調(diào)零電路，把741的2管腳和6管腳短接，就形成了一個電壓跟隨器，用作調(diào)零電路，2腳接AD620的5腳。調(diào)零電路原理圖如圖6所示。圖6信號調(diào)理電路圖如圖7所示：圖74.3比擬電路設(shè)計LM339四電壓比擬集成電路，該電路的特點是：失調(diào)電壓小，典型值為2mV；電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；比照擬信號源的內(nèi)阻限制較寬；共模范圍很大，為0~〔Ucc-1.5V〕Vo；差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；輸出端電位可靈活方便地選用[3]。LM339集成塊采用C-14型封裝，外型及管腳排列如圖。由于LM339使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大IC生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比擬器，如IR2339、ANI339、SF339等，它們的參數(shù)根本一致，可互換使用。LM339類似于增益不可調(diào)的運算放大器。每個比擬器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比擬兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓〔也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點〕，另一端加一個待比擬的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差異大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比擬理想的。LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻〔稱為上拉電阻，選3-15K〕。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓根本上取決于上拉電阻與負載的值。另外，各比擬器的輸出端允許連接在一起使用。LM339可構(gòu)成單限比擬器、遲滯比擬器、雙限比擬器〔窗口比擬器〕、振蕩器等。LM339還可以組成高壓數(shù)字邏輯門電路，并可直接與TTL、CMOS電路接口。比擬電路采用的芯片是LM339芯片。設(shè)置比擬器的閾值電壓，將AD620的信號通過三路比擬器，然后通關(guān)邏輯電路，與LED燈和蜂鳴器相連。當體重超過上限或者低于下限的時候，LED燈會發(fā)光，蜂鳴器會發(fā)出聲音，到達報警的目的。該電路的上限為1.5v,下限為0.5v，這兩個比擬電路先或(74ls32)，然后與0.2閾值的比擬電路相異或(74ls86)\。比擬電路圖8所示圖8比擬電路邏輯關(guān)系真值表表1所示〔0.5真值與1.5相或，再與0.2真值相異或〕<0.2>1.50.210000.511001.500010101表1邏輯關(guān)系4.4整體電路原理圖如圖9所示：圖9五、電路調(diào)試及實驗的數(shù)據(jù)分析5.1放大和調(diào)零電路調(diào)試通過調(diào)節(jié)AD620引腳1和8中間的電位器來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，測量輸出與輸入的比值，即放大倍數(shù)。G=49.6K/Rg+1當G=1000倍時，電位器的理論值是49.6Ω，實際測量為50.2Ω當?shù)竭_所需放大倍數(shù)，300倍時，理論值為165Ω，實際測量為134Ω基準電路參數(shù)選擇：使用兩個10K的電阻和一個10K的電位器，將電位器的中間端接到741的3引腳，把741的2引腳和6引腳相連，組成電壓跟隨器，再將輸出接到AD620的參考電壓端5引腳，調(diào)節(jié)電位器來對AD620進行調(diào)零5.2比擬電路調(diào)試上限：電壓閾值為1.5v，當接地電阻為200Ω時，接地電位器阻值為0.460kΩ,實際測量中為0.454K。當電壓高于1.5v時LM339的上限比擬器輸出為低電平。下限：電壓閾值為0.5v，當接地電阻為200Ω時，接地電位器阻值為0.020kΩ,實際測量中為0.030K。當電壓低于0.5v時LM339的下限比擬器輸出為低電平。空載：電壓閾值為0.2v，當接+5v電阻為200Ω時，接地電位器阻值為0.088kΩ,實際測量中為0.091K。當電壓低于0.2v時LM339的空載比擬器輸出為高電平。輸入一個電壓，測量三個比擬器的輸出，與理論計算所得的結(jié)果相比擬，如果不滿足要求，那么調(diào)節(jié)電路連線和各個電位器，最終到達理想的結(jié)果。5.3實驗數(shù)據(jù)分析體重測量如表2所示小王小剛小劉小李實際體重/kg45.155.570.271.9測量值1/kg45.555.370.272.2測量值2/kg45.656.669.672.4測量值3/kg45.756.069.971.9測量值4/kg45.955.869.871.8測量值5/kg45.856.770.272.0測量值6/kg45.556.470.471.5測量值7/kg45.756.369.771.2測量值8/kg45.656.570.171.3測量值9/kg45.456.769.971.6測量值10/kg45.756.270.071.4平均值/kg45.656.270.071.7絕對誤差/kg0.50.70.20.2相對誤差1.1%1.3%0.285%0.278%標準差0.520.800.0680.171A類不確定度0.1640.2520.0210.054表2體重測量表通過表2并結(jié)合《誤差理論與數(shù)據(jù)處理》[5]絕對誤差和相對誤差的計算,測量結(jié)果存在允許的差異，通過A類不確定度和測量值體重，在誤差1斤的范圍內(nèi)電子稱測量值的信賴。測量體重穩(wěn)定性分析圖如12所示圖12穩(wěn)定性分析圖由圖12可知，測量穩(wěn)定性很好。測量體重線性性分析圖如13所示圖13線性分析圖由圖13可知，測量線性度很好。2〕、關(guān)鍵點電壓：調(diào)零電路輸出：0.256v基準電壓上限：1.5v基準電壓下限：0.5v空載電壓閾值：0.2v調(diào)節(jié)放大倍數(shù)電位器中間段電壓：0.784v六、總結(jié)6.1、技術(shù)總結(jié)1〕傳感器電路采用電阻應(yīng)變式傳感器，將電阻應(yīng)變片貼在電橋的電阻上，電橋測量準確，方法巧妙，使用方便，提高測量的靈敏度。2〕儀用放大器AD620