力傳感器調(diào)理電路

手指康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1硬件電路總體結(jié)構(gòu)手指康復(fù)系統(tǒng)的硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)。采用模塊化設(shè)計(jì)，可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的過(guò)程，化整為零，將復(fù)雜的電路分解為可重復(fù)利用的模塊，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)試，提高設(shè)計(jì)電路的質(zhì)量。除此之外，我們不僅可以對(duì)模塊直接進(jìn)行利用，也可以方便的對(duì)各個(gè)模塊部分進(jìn)行修改。電路的模塊化設(shè)計(jì)，如今已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于我們的硬件電路的設(shè)計(jì)中去了，同時(shí)模塊化設(shè)計(jì)也在復(fù)雜的PCB的并行設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮著良好的作用。根據(jù)各個(gè)模塊的功能作用的不同，手指康復(fù)機(jī)器人硬件電路可分為傳感器數(shù)據(jù)采集模塊。驅(qū)動(dòng)控制電路模塊，電源管理模塊，主控制器模塊，通信及調(diào)試接口模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，總體的結(jié)構(gòu)圖如下。（1）傳感器數(shù)據(jù)采集模塊傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要有力矩傳感器調(diào)理電路和光電編碼器辨向電路組成。這兩個(gè)電路的主要功能就是將機(jī)械結(jié)構(gòu)中輸出軸上的模擬力矩信號(hào)和位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于微處理器進(jìn)行相應(yīng)處理。為了保證驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以向手指施加大小合適的反饋力，需要通過(guò)力矩傳感器來(lái)測(cè)出與手指相連接的輸出桿上的力矩，從而計(jì)算手指的拉壓力。已有的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，采用的電阻應(yīng)變式力矩傳感器，這種傳感器主要基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，其由彈性元件、粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片及外殼組成，當(dāng)彈性敏感元件受到外力作用后，敏感元件發(fā)生形變，形變傳遞給粘貼在彈性敏感元件上的應(yīng)變片，應(yīng)變片相應(yīng)的發(fā)生形變，這導(dǎo)致應(yīng)變片的電阻阻值大小發(fā)生變化，在電橋電路中，電橋失去平衡從而輸出相應(yīng)的電量，電量的大小相應(yīng)的反映出被測(cè)量

的大小。電阻應(yīng)變式傳感器的靈敏度高，穩(wěn)定性好，在自動(dòng)檢測(cè)和控制技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在手指康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中，力矩傳感器輸出的電量信號(hào)比較微弱，易衰減且容易受到外界環(huán)境的干擾，因此為了保證采集數(shù)據(jù)的有效性，需要將電阻應(yīng)變式傳感器采集的數(shù)據(jù)輸送到調(diào)理電路里進(jìn)行信號(hào)的濾波放大，之后才能將信號(hào)傳輸個(gè)AD采樣電路。下面介紹力矩傳感器的調(diào)理電路，包括放大電路和低通濾波電路。對(duì)于放大電路，采用了儀用放大器AD620OAD620是在傳統(tǒng)的三運(yùn)放組合方式改進(jìn)的基礎(chǔ)上研制的單片儀用放大器。它作為一種價(jià)格低，功耗低，精度高的儀器儀表放大器，它采用8管腳的SOIC或DIP封裝，由于其尺寸小，公號(hào)低，因而適合于電池供電以及一些便攜式應(yīng)用場(chǎng)合。AD620只需要一個(gè)外部的電阻Rx就可以設(shè)置放大倍數(shù)，放大圍是1~1000。供電電源圍±2.3V~±18V，最大供電電流1.3mA。AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大輸入失調(diào)電壓為50uF，最大輸入失調(diào)電壓漂移為1uF/C，最大輸入偏置電流為20nA。輸入電流噪聲為0.1PA/\：'HZog=1G=10時(shí)，其共模抑制比大于93dB。在1kHz處輸入電壓噪聲為90nA/jHz，在0.1Hz~10Hz輸入電流噪聲為0.1PA/\：'HZog=1因此，由AD620的特性可知，AD620能夠確保放大電路的精度，降低失調(diào)電壓，低噪聲，增大共模抑制比等性能指標(biāo)。AD620增益公式如下:工,1Rx其中，R1跟R2是部增益電阻，，其阻值被精確為24.7KQ，使得運(yùn)放增益精確地由外接電阻Rx確定：如若已經(jīng)知道放大倍數(shù)，也可以根據(jù)下式求出相應(yīng)的外接電阻Rx的阻值:

_49.4KQ_R XG-1一般情況下（Vf+-Vf-）如上圖，即為力矩傳感器的放大電路。1、8腳之間跨接阻值為100。的外接電阻來(lái)調(diào)整放大倍率，手指康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的電阻應(yīng)變式力矩傳感器的信號(hào)輸入Vf經(jīng)過(guò)AD620后信號(hào)放大了495倍；2、3外接力矩傳感器輸入信號(hào)的兩極（2接信號(hào)的負(fù)極，3接信號(hào)的正極）；4、7是接外部電源的兩極（4接電源的負(fù)極，7接電源的正極）；5是參考端，與地連接，此處將一個(gè)外圍的電壓輸入到5號(hào)管腳REF端作為電壓偏置，Vout二XG+Vref，確保輸出結(jié)果不失真；6一般情況下（Vf+-Vf-）電壓跟隨器當(dāng)輸入阻抗而在AD620的前一段采用LM358D構(gòu)成的一個(gè)電壓跟隨器來(lái)提供偏置電壓，的輸入電壓與輸出電壓大小相位一致，但是它的輸入阻抗很大，輸出阻抗很小。電壓跟隨器當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，相當(dāng)于對(duì)前級(jí)開(kāi)路；當(dāng)輸出阻抗很小的時(shí)候，對(duì)于后級(jí)的電路就相當(dāng)于是個(gè)恒壓源，那么它的輸出電壓受到后級(jí)電路的影響就很小。對(duì)于前級(jí)開(kāi)路，輸出電壓又不受后級(jí)阻抗影響的電路具備一定的隔離作用，使得前后的電路之間不相互影響。下為AD620儀用放大器的仿真情況：

杪1:杪1::—1由于輸出桿上上輸出的力矩信號(hào)處于低頻段，因此需要對(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行濾波處理。濾波器是對(duì)信號(hào)的頻率具有選擇性的電路，它的功能是使得特定頻率圍的信號(hào)通過(guò)，并阻止其他頻率的信號(hào)通過(guò)。濾波器分為有源濾波器和無(wú)源濾波器這兩種，其中有源濾波器具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于信息處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等等電路中。理想的濾波器電路的頻響在通帶具有最大幅值和線性相移，而在阻帶中它的幅值應(yīng)該是零。實(shí)際的濾波器電路往往難以達(dá)到這樣的理想效果，如要同時(shí)在幅頻和相頻響應(yīng)兩方面都要滿足要求就更難了，因此，只能根據(jù)實(shí)際的需求，尋找最佳的近似理想特性。常見(jiàn)的有源低通濾波器有三種，分別是巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）和貝塞爾（Bessel）濾波電路。這里力矩傳感器信號(hào)的濾波電路采用四階巴特沃斯低通濾波器。它是一種簡(jiǎn)單也是最常用的濾波電路，又叫最平幅度濾波電路。這種濾波電路對(duì)幅頻響應(yīng)的要:在小于截止頻率?c的圍，具有最平幅的響應(yīng)，而在①〉①c后，upin響應(yīng)迅速下降。因?yàn)橄拗浦懈哳l信號(hào)的干擾，設(shè)計(jì)要求的截止頻率為20kHz，采用四階有源巴特沃斯低通濾波器。四階有源巴特沃斯低通濾波器是由兩個(gè)二階源巴特沃斯低通濾波器級(jí)聯(lián)組成。首先先設(shè)計(jì)四階有源巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)：（1）—93 Y注1（1）—93 Y注14"S2+Ls+1s2+入1入 入為了方便計(jì)算，令參數(shù)滿足如下條件：fc=2兀RC（2）C=C=C,R=R=R選取C=0.01uF，根據(jù)（2）式計(jì)算得R=788Q。查表的四階有源巴特沃斯低通濾波器的兩個(gè)阻尼系數(shù)分別為七二0.765，&2=1.848。計(jì)算得兩個(gè)零頻增益分別為：

G=3-&=3-0.765=2.235TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"G=3-&'=3-1.848=1.152 ⑶02 2此時(shí)，傳遞函數(shù)為：(4)、 2.235 1.152(4))= x s^2+0.765s入+1s^2+1.848s^+1第一級(jí)增益為:G01=1+土=2.235=1+1.235i1取Rfi=24.7KQ，R1=20KQ；第二級(jí)增益為：G02=1+筆=1.152=1+0.152i2取Rf2=61KQ,Ri2=9.3KQ。針對(duì)參數(shù)的設(shè)計(jì):用Multisim進(jìn)行仿真，仿真電路如下:LM35SHLM玷的H瞬態(tài)分析：分別輸入幅值一定，但是頻率不斷增加的三個(gè)信號(hào)，分別觀察分析其仿真結(jié)果。

當(dāng)輸入信號(hào)為3V,1kHz時(shí)，輸入輸出波形如下圖所示，幅值放大了2.4倍;當(dāng)輸入信號(hào)為3V，10kHz時(shí)，輸入輸出波形如下圖所示，輸出信號(hào)幅值衰減，相位發(fā)生偏 移 ；

當(dāng)輸入信號(hào)為3V，80kHz時(shí)，輸入輸出波形如下圖所示，輸出信號(hào)幾乎衰減為0。口H_sn

122-

Trr時(shí)可30.16Bms30.168ms0.00De當(dāng)輸入信號(hào)為3V，80kHz時(shí)，輸入輸出波形如下圖所示，輸出信號(hào)幾乎衰減為0?？贖_sn

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Trr時(shí)可30.16Bms30.168ms0.00De通道_&514.934mV514.934mV

o.aaav通道_B

-2.146mV

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0.000V通道_Citl-D反向保存GND時(shí)基 通道_A 、觸發(fā)標(biāo)度：皿口血， V囹刻度:5加v .邊沿：CZJ?ExtX軸位移〔格）：。 V軸曲格）：0 水平：Q VQ匝甌3匝匡制叵|宜可白?@ ［單次］［正常］眉