1 儀器儀表電路課程設計方案 第一章緒論 述 我們生活在一個充滿著信息的時代，在工業(yè)和科技領域信息主要是通過測量獲得，在現(xiàn)代生產(chǎn)中，物質(zhì)和能量在信息流指揮和控制下運動。在我們的日常生活中，測控技術扮演著非常重要的角色。測控系統(tǒng)主要是傳感器，測量放大電路和執(zhí)行機構三個部分組成，而在測控系統(tǒng)中測量變換電路是最靈活的部分。它的選取往往改變了整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。所以，學習并領悟測控電路就顯得十分重要了，儀器儀表電路是我們測控技術與儀器專業(yè)的一門專業(yè)技能課，能夠運用基本測控電路知識解決日常生活中 的方方面面問題也應該是本專業(yè)學生的基本素質(zhì)，也鑒于這些要求，做一些關于測控方面的課程設計就會讓我們加深對技術的理解和運用，也正是因為對一些實際問題的研究，才能使我們能夠?qū)λ鶎W知識有了更深的理解與認識。 計任務 初始條件：某差動變壓器傳感器用于測量位移，當所測位移在 0 20芯由中間平衡位置往上為正，往下為負），其輸出的信號為正弦信號0 40圖所示），要求將信號處理為與位移對應的 0便供三位半數(shù)顯表頭顯示。 圖 差動變壓器 5 弦 交流驅(qū)動信號 長線 輸出正弦 0鐵芯 2 計要求 傳感器在測量現(xiàn)場，（ 1）用長線將信號引出到信號處理單元，因此要考慮抑制共模信號；（ 2）由于測量現(xiàn)場工況復雜且傳感器輸出信號由長線引出到后續(xù)處理電路，要考慮抑制干擾信號；（ 3）由于兩次級線圈幾何、電、磁等因素的不對稱，即使鐵芯處于中間位置，也得不到零輸出，總存在驅(qū)動信號的正交輸出或高頻輸出，在電路上還要考慮抑制差動變壓器的這一所謂零點殘余電壓。 3 第二章 方案確定 根據(jù)課程設計的原理框圖，方案選擇的重點在于選擇檢波的方 式。通常檢波電路大體分為兩種。一種的包絡檢波，另一種叫做相敏檢波。其中包絡檢波又可以細分為二極管與晶體管包絡檢波和精密全波和半波檢波電路，而相敏檢波也分為相加式相敏檢波和相乘式相敏檢波。 傳感器 數(shù)據(jù)放大器 相敏檢波電路 低通濾波器 正弦驅(qū)動電路 直流放大器 圖 設計原理圖 根據(jù)此次課程設計的要求就任務特點，既要能夠檢波，還要對波形的相位加以區(qū)分，用來判別傳感器一頭的位移 方向，因此，我選擇相敏檢波電路來處理信號。 下面，我分別對兩種相敏檢波電路進行分析，綜合他們的特點，選出一種既能符合課程設計要求的又能實現(xiàn)仿真的方案。 案一 ： 相加式相敏檢波電路 相敏檢波是可以用信號相加式電路來實現(xiàn)。需要特殊說明的是信號相加只是就其電路形式而言，其實質(zhì)還是利用參考信號來控制開關的通斷，實現(xiàn)輸入信號與參考信號的相乘。所不同的是，輸入信號與參考信號以相加減的方式加到同一開關器件。對于本次課程設計來說，采用相加式的相敏檢波電路就可以直接利用激勵信號作為檢波的參考信號而且幅值 也達到要求，這樣就可以省略方波段的電路，利于生產(chǎn)效益的提高。 正弦振蕩電路 移相器 相敏檢波電路 圖 加式相敏檢波原理 4 案二 ： 相乘式相敏檢波電路 相敏檢波電路還可以用信號相乘的方式進行檢波。相比于包絡檢波電路，相乘式相敏檢波電路可以鑒別調(diào)制信號的相位，可以辨別傳感器位移的方向。相乘式相敏檢波電路還具有區(qū)別信號和噪聲的能力，在輸入端加入的參考信號可以使非所需頻率信號大大衰減，以提高信噪比。對于相加 式相敏檢波電路而言，相乘式相敏檢波電路就具有電路簡單，體積較小的優(yōu)點。 此外，相乘式相敏檢波電路它對不同頻率的輸入信號有不同的傳遞特性。以參考信號為基波，所有偶次諧波在載波信號的一個周期內(nèi)平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對于 n=1,3,5 等各奇次諧波，輸出信號的幅值相應衰減為基波的 1/ n，即信號的傳遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減，對高次諧波有一定抑制作用。 如果輸入信號 與參考信號 頻信號，但有一定相位差，這時輸出電壓 即輸出信號隨相位差的余弦而變化。 由 于在輸入信號與參考信號同頻但有一定相位差時，輸出信號的大小與相位差有確定的函數(shù)關系，可以根據(jù)輸出信號的大小確定相位差的值，相敏檢波電路的這一特性稱為鑒相特性。 正弦振蕩電路 正弦變方波 移相器 相敏檢波電路 圖 乘式相敏檢波電路原理 綜上所述：檢波電路選擇相乘式開關相敏檢波電路。 5 第三章 方案設計及其仿真 蕩電路設計 設計要求：要能夠自主產(chǎn)生 5 設計方案： 分析： 慮到起振條件 1, 一般應選取 大 2果這個比值取得過大，會引起振蕩波形嚴重失真。 由運放構成的 并聯(lián)正弦波振蕩電路不是靠運放內(nèi)部的晶體管進入非線性區(qū)穩(wěn)幅，而是通過在外部引入負反饋來達到穩(wěn)幅的目的。 對于該電路來說： 激勵頻率為 5K，則有 =1/RC,f=1 (3f=5有 R=1C=構成 通過運放 741及 放 741特性： 741是通用 運算放大器 ，是單 運放 。特點是寬輸入電壓、高性能、內(nèi)補償 運算放大器 ，功耗低，無需外部頻率補償，具有短路保護和 失調(diào)電壓 調(diào)零能力，使用中不會出現(xiàn)閂鎖現(xiàn)象，可用作積分器、求和 放大器 及普通反饋 放大器 振蕩電路圖如下： 6 圖 仿真如下：起振 圖 起振仿真波形 穩(wěn)定時： 圖 穩(wěn)定時的仿真波形 7 頻率： 圖 正弦波的頻率 據(jù)放大器 由于經(jīng)過傳感的變壓之后，從變壓器次級線圈輸出的信號只有 加上電路中的各種噪聲和干擾，很難將信號完好地進行處理，因此需要對輸出信號要進行第一級放大，放大倍數(shù) 20到 50倍。于是我設計了如下電路對信號進行放大。 8 圖 數(shù)據(jù)放大器 所用芯片： 有如下特性： 用簡單 、低噪聲 10|2 100 501.3 而它的放大電路倍數(shù)有： （ 3 確定，其中R,取放大倍數(shù)為 R=2 9 仿真如下： 圖 數(shù)據(jù)放大器仿真圖 弦波轉(zhuǎn)換為方波電路 由于相乘式開關相敏檢波電路需要外加參考信號，而且這種參考信號要為方波信號，為了達到相敏檢波的目的，方波的信號頻率還要與輸入檢波的信號相同，因此，要將產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)過方波電路轉(zhuǎn)換成方波送給三極管作 為電子開關的信號，以此來進行相敏檢波。 將運放接成電壓比較器的形式，當信號為正時，輸出運放的正向電壓 +5V，當信號為負時，輸出負向電壓 0V。以此來轉(zhuǎn)換為方波。 10 電路圖如下： 圖 方波轉(zhuǎn)換電路 仿真圖如下： 圖 方波仿真圖 相器電路 由于經(jīng)過方波轉(zhuǎn)換電路之后，輸出的方波和輸入的正弦信號存在相位差，雖然他們的頻率相同，但是不同相位，使得相敏檢波時，由于相位的不同會導致很 11 多有效的信號被抑制，因而要額外設計移相器使得方波信號和輸入的正弦信號同相位。 電路圖如下： 圖 移相器電路 仿真如下： 圖 移相器仿真圖 12 關式相敏檢波電路 在第二章已經(jīng)敘述了選擇開關式相敏檢波電路的原因，此處不再贅述。開關式相敏檢波電路的原理是將和被檢波信號同頻率的方波信號作為參考信號送到三極管的基極作為基極電壓，三極管作為電子開關，當方波信號為高電平時，三極管導通，運放正向端接地，輸出等于負的輸入；當方波信號為低電平時，三極管截止，運放正向端接輸入，輸出等于輸入。因此，只要參考信號與輸入信號的頻率相同，便可以實現(xiàn)全波檢波。改變參考信號的極性，便可以實現(xiàn)對輸 入信號方向的鑒別。 電路圖如下： 圖 乘式相敏檢波電路 13 輸入信號如下： 圖 輸入信號波形仿真圖 檢波后仿真如下： 圖 相敏檢波后波形仿真圖 14 通濾波器 根據(jù)要求，信號經(jīng)過檢波后電路中還存在干擾和噪聲，為了等到穩(wěn)定的輸出，還需要對檢波后的信號進行濾波，因為此次課程設計的濾波要求不高，而且載波信號的頻率遠遠大于信號的帶寬，沒有必要采用高成本，高性能的濾波電路。因此，我選用一階有源濾波器，他不但可以作為濾波器，還可以作為反向放大電路，對最后的信 號作出放大。 電路圖如下： 圖 低通濾波器 根據(jù)公式濾波器的轉(zhuǎn)折頻率， （ 3 截止頻率為 f=318 15 仿真如圖： 圖 低通濾波器仿真圖 流可調(diào)放大電路 由于從濾波器中輸出 的信號會有衰減，而且經(jīng)過相敏檢波后信號也會有損失，因此需要額外設計最后一級放大電路對濾波器輸出的直流信號進行可調(diào)的放大，最后得到課程設計的要求為 2V 的直流電壓，特設計如下放大電路： 圖 反向直流放大電路圖 16 電壓表示數(shù)為： 圖 電壓表仿真圖 電路圖及其仿真 總體電路圖如下 : 圖 總電路原理圖 17 仿真如下：圖 總體仿真圖 18 第四章 誤差分析 計中存在的誤差 根據(jù)設計要求及情況，特此 判斷存在如下誤差： 傳感器在測量現(xiàn)場。 （ 1） 用長線將信號引出到信號處理單元，因此要考慮抑制共模信號； （ 2） 由于測量現(xiàn)場工況復雜且傳感器輸出信號由長線引出到后續(xù)處理電路，要考慮抑制干擾信號； （ 3） 由于兩次級線圈幾何、電、磁等因素的不對稱，即使鐵芯處于中間位置，也得不到零輸出，總存在驅(qū)動信號的正交輸出或高頻輸出，在電路上還要考慮抑制差動變壓器的這一所謂零點殘余電壓。 除誤差的措施 因此，針對以上誤差，作如下分析： 對于共模信號的抑制，在電路設計中采用了 741， 夠有效的抑 制共模信號對信號的干擾。 對于長導線及環(huán)境里的噪聲和干擾信號，在電路中采取了低通濾波器的設計，過濾掉高頻的噪聲干擾，只留下有用的低頻信號，使信號穩(wěn)定輸出。 對于零點殘余電壓的消除，在電路中采取了相乘式開關相敏檢波電路，由于參考信號和輸入信號同頻，而且參考信號決定了輸出信號的頻率，故相乘式相加相敏檢波電路對于零點殘余電壓有消除作用。 19 第五章 元件清單 該設計中所用到的所有元件： 個數(shù) 標號 類型 大小 3 871 , 9181615 , 1K 3 643 , 3K 1 52K 1 1010K 1 9 112,滑動變阻器 10K 2 32, 1C 4,C 電容 1u 2 21,765 , 3 4U 運算放大器 741 1 1Q 三極管 220 第六章 小結體會 短短十幾天的課程設計一轉(zhuǎn)眼就過去了，經(jīng)過了十幾天的艱苦奮斗，也終于是完成了自己的這次課程設計，雖然和最初的想法還有一定的差別，但是總體來說還是比較滿意的，從最新開始選取課題到最后做出來，我覺得我的能力得到了極大的鍛煉，尤其是我查閱資料的能力和自主學習的能力。 在課設期間，我遇到了很多困難，從一開始的無從下手，到后來和同學們相互交流討論，再到后來上網(wǎng)尋找資料，圖書館查閱各種相關資料，漸漸地對課程設計的內(nèi)容有了一定的了解。然后通過自主學習 學到了如何用軟件去搭建自己 設計的電路，然后進行仿真，不斷的調(diào)試，不斷地修改，不斷地修正，雖然在這期間我遇到了很多很多困難和問題，也請教了許多同學和老師，最后還是克服了自己的難題，感覺成就感很高。 此外，課程設計期間，衷心地感謝陳老師的耐心解答以及其他同學的幫助，通過這次課程設計，我的實際動手能力得到了極