變送器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)分析

.z---..--總結(jié)資料電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作與故障診斷學(xué)習(xí)情境2：變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作與故障診斷?課程建立組2010年2月第一版學(xué)習(xí)情境2：變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握模擬信號(hào)的根本變換方法。掌握使用集成運(yùn)算放大器將uA級(jí)溫度傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的設(shè)計(jì)思路和電路調(diào)試方法。2.2工作任務(wù)2.2.1工作任務(wù)名稱AD592溫度傳感器信號(hào)變送電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。2.2.2工作任務(wù)背景變送器是將傳感器測(cè)得的各種工藝信號(hào)〔溫度、壓力、流量、液位等〕轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中。〔1〕學(xué)員已完成學(xué)習(xí)情境1的教學(xué)內(nèi)容要求〔2〕學(xué)員已根本掌握電源電路的設(shè)計(jì)、電路板制作與調(diào)試的根本方法?！?〕學(xué)員已掌握萬(wàn)用表及電路板制作相關(guān)工具的使用方法?！?〕學(xué)員已初步理解根本運(yùn)算放大電路的原理?！?〕完本錢(qián)情境學(xué)習(xí)任務(wù)，為學(xué)習(xí)情境6、7、8做準(zhǔn)備。2.2.3AD592溫度變送器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)〔1〕供電12VDC〔2〕變送器輸入溫度*圍：0-100攝氏度〔3〕變送器輸出電壓*圍：0-5VDC〔4〕精度等級(jí)：0.5級(jí)〔5〕負(fù)載阻抗：>1MΩ〔6〕限制條件：0V≤輸出電壓≤5V2.2.4所需設(shè)備、工具及材料〔1〕穩(wěn)壓電源〔型號(hào)：〕、萬(wàn)用表、焊臺(tái)、工具〔2〕材料：溫度傳感器AD592、電位器、電解電容、穩(wěn)壓管、電阻、二極管、集成運(yùn)算放大器、面包板等。2.3任務(wù)知識(shí)點(diǎn)2.3.1什么是傳感器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成〞。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的作用人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺(jué)器官。而單靠人們自身的感覺(jué)器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說(shuō)，傳感器是人類(lèi)五官的延長(zhǎng)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最正確狀態(tài)，并使產(chǎn)品到達(dá)最好的質(zhì)量。因此傳感器是現(xiàn)代化生產(chǎn)的根底。目前工業(yè)上常用的傳感器有溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、物位傳感器、成分傳感器等。3.2傳感器的輸出信號(hào)類(lèi)型以輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為：模擬傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)。準(zhǔn)數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸出。開(kāi)關(guān)傳感器——當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)到達(dá)*個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。2.3.3為何要對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)展調(diào)理和轉(zhuǎn)換模擬傳感器可測(cè)量很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運(yùn)動(dòng)、位置、PH、光強(qiáng)等。通常，傳感器信號(hào)不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這是因?yàn)閭鞲衅鬏敵鍪窍喈?dāng)小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之前必須進(jìn)展調(diào)理。調(diào)理就是放大、緩沖或定標(biāo)模擬信號(hào)，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。然后，ADC對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)展數(shù)字化，并把數(shù)字信號(hào)送到微控制器或其他數(shù)字器件，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。2.3.4什么是變送器變送器的作用：將各種工藝信號(hào)〔溫度、壓力、流量、液位等〕轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。例如：將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)的設(shè)備叫做壓力變送器；將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)的設(shè)備叫做溫度變送器等等。通常情況下，在工業(yè)應(yīng)用中，變送器是指?jìng)鞲衅骱托盘?hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路的總成。壓力變送器溫度變送器溫度傳感器信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路的功能可歸納為以下三個(gè)主要方面：〔1〕濾波?消除、抑制干擾〔2〕變換?電流→電壓?電抗→電壓?電抗→頻率→電壓〔3〕標(biāo)準(zhǔn)化?平移使輸出信號(hào)過(guò)0?放大弱電壓轉(zhuǎn)換為0~5V或4~20mA?整形將頻率輸出轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)2.3.5溫度傳感器有哪些種類(lèi)〔1〕集成溫度傳感器AD592?供電：+4V~+30V?溫度系數(shù)：1uA/K?0℃輸出：273.2uA?工作溫度：-25℃~+105℃?非線性誤差：0.1℃~0.5℃?重復(fù)誤差：±0.1℃?時(shí)飄：±0.1℃/月AD592輸出量為隨溫度變化的電流，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)調(diào)理電路容易實(shí)現(xiàn)。〔2〕鉑電阻溫度傳感器PT100?供電：無(wú)源?溫度系數(shù)：近似0.003851/℃?0℃輸出：100Ω?工作溫度：-200℃~+650℃?響應(yīng)時(shí)間：2S~30S〔與構(gòu)造有關(guān)〕鉑金屬性能非常穩(wěn)定，制成的溫度傳感器重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性非常好，工作溫度*圍很寬。鉑電阻的溫度—電阻關(guān)系是由一多項(xiàng)式確定的近似線性關(guān)系，通常通過(guò)查分度表獲得溫度值。鉑電阻的阻值需要用電路變換為電壓，電路復(fù)雜，為防止自熱現(xiàn)象工作電流不能過(guò)大?！?〕熱電偶溫度傳感器〔T型〕?供電：無(wú)源?溫度系數(shù)：非線性?0℃輸出：0uV?工作溫度：-200℃~+400℃熱電偶利用2種金屬接點(diǎn)的熱電效應(yīng)進(jìn)展溫度測(cè)量，工作溫度*圍寬，抗沖擊，相應(yīng)速度快。熱電偶靈敏度低〔幾十uV/℃〕，易受干擾。熱電偶輸出電壓與溫度變化呈非線性關(guān)系，并且測(cè)量中需要冷端補(bǔ)償，信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成復(fù)雜。〔4〕集成數(shù)字溫度傳感器DS1820?供電：+3.0V~+5.5V?輸出：9bit數(shù)字量?測(cè)量精度：0.5℃?工作溫度：-55℃~+125℃?一線串行數(shù)字接口?零功率待機(jī)DS1820為單片式數(shù)字化的測(cè)溫傳感器，無(wú)需信號(hào)調(diào)理電路，無(wú)需外圍元件，直接輸出溫度的數(shù)字量值?！?〕溫度傳感器比照選擇從幾種典型的測(cè)溫傳感器特性比照可知：?熱電偶靈敏度低，溫度與輸出為非線性關(guān)系，信號(hào)調(diào)理電路復(fù)雜，適合寬溫*圍測(cè)溫。?鉑電阻溫度與輸出非線性關(guān)系，需要電組到電壓的轉(zhuǎn)換，電路復(fù)雜，適合寬溫*圍測(cè)溫。?DS1820采用一線串行數(shù)字控制，操作過(guò)程復(fù)雜，初學(xué)者不易掌握。?AD592輸出電流與溫度成線性關(guān)系，抗干擾能力強(qiáng)，精度滿足設(shè)計(jì)要求，響應(yīng)速度快，信號(hào)調(diào)理電路容易實(shí)現(xiàn)。為教學(xué)過(guò)程的首選測(cè)溫傳感器。〔6〕AD592特性分析AD592是兩端集成溫度傳感器,外圍電路簡(jiǎn)單。在常溫測(cè)量領(lǐng)域中,可取代電熱調(diào)節(jié)器、電阻式溫度檢測(cè)器、熱電偶等傳統(tǒng)的溫度傳感器。電流溫度系數(shù)為1uA／K，恒流源輸出。T=0T=0℃T=100℃i1=273uAi2=373uAi2-i1=100uA1uA/℃問(wèn)題與思考：AD592是傳感器還是變送器.AD592是恒流源輸出，想一想恒流源有什么特點(diǎn).變送器的功能是什么，主要包括哪些局部.AD592是模擬式傳感器還是數(shù)字是傳感器，為什么.為什么說(shuō)AD592的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路比熱電阻和熱電偶溫度傳感器的要簡(jiǎn)單.為什么我們要把AD592的信號(hào)轉(zhuǎn)換成0-5V的信號(hào).請(qǐng)給出絕對(duì)溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)之間的換算關(guān)系。2.3.6AD592溫度變送器的實(shí)現(xiàn)本情境的根本任務(wù)是制作溫度變送器，將AD592傳感器的微弱電流信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路輸出為0-5V的信號(hào)，變送器特性如下列圖所示：T=0T=0℃T=100℃vo=0Vvo=5V5V/100℃=0.05V/℃任務(wù)的核心就是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路，下面將討論如何設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路。該電路分為電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、放大與平移電路、信號(hào)調(diào)理電路三大局部。2.3.6.1電流/電壓轉(zhuǎn)換電路⑴電阻取樣電路問(wèn)題與思考8〕這種轉(zhuǎn)換方法有什么缺點(diǎn).⑵運(yùn)算放大器電流→電壓轉(zhuǎn)換電路問(wèn)題與思考9〕這種轉(zhuǎn)換方法有什么優(yōu)點(diǎn).這種電路的輸入端反應(yīng)形式和輸出端反應(yīng)形式各式什么樣的.2.3.6.2.放大與平移電路設(shè)計(jì)1.AD592恒流補(bǔ)償、運(yùn)算放大器電流→電壓轉(zhuǎn)換電路的平移方案〔1〕恒流補(bǔ)償〔平移〕后的電流→電壓特性⑵平移、放大后的電流→電壓特性問(wèn)題與思考這種電路為什么要使用雙電源〔±V〕.2.AD592恒壓補(bǔ)償、運(yùn)算放大器電流→電壓轉(zhuǎn)換電路的平移方案⑴恒壓補(bǔ)償〔平移〕后的電流→電壓特性〔2〕平移、同相比例放大后的電流→電壓特性問(wèn)題與思考這種轉(zhuǎn)換方法有什么缺點(diǎn).電路中的0.273V電壓源如何實(shí)現(xiàn).〔3〕反相加法電路實(shí)現(xiàn)的恒壓補(bǔ)償平移方案電阻取樣、反相放大后的電流→電壓特性經(jīng)過(guò)反相加法電路平移后的電流→電壓特性2.4任務(wù)實(shí)施2.4.1確定變送器電路及硬件本錢(qián)核算從前面給出的幾種方案中選擇一種，并按照任務(wù)要求設(shè)計(jì)實(shí)際電路。問(wèn)題與思考你為什么選擇這種方案.說(shuō)明各個(gè)元器件的選型依據(jù)及計(jì)算方法。準(zhǔn)備元器件時(shí)，按照下表對(duì)電路所需的元件進(jìn)展本錢(qián)核算。序號(hào)元件名稱參數(shù)數(shù)量單價(jià)〔元〕合計(jì)〔元〕1234567891011總計(jì)：2.4.2電路仿真使用WorkBench仿真選定的變送器電路，完成功能驗(yàn)證。①按照前述“AD592恒流補(bǔ)償、運(yùn)算放大器電流→電壓轉(zhuǎn)換電路的平移方案〞原理圖進(jìn)展仿真，如下列圖，并計(jì)算R1和R2的阻值。當(dāng)恒流源I1的電流值分別為273uA,298uA,323uA,348uA,373uA時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出電壓各是多少.②按照前述“平移、同相比例放大的方案〞原理圖進(jìn)展仿真。當(dāng)恒流源I1的電流值分別為273uA,298uA,323uA,348uA,373uA時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出電壓各是多少.2.4.3電路板制作變送器安裝引腳布置由于變送器做為整個(gè)溫度測(cè)控系統(tǒng)的一個(gè)子單元，要配合AD轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)使用，制作應(yīng)前將其引腳排列規(guī)劃好，以便與AD單元互連。例如：電路板布局規(guī)劃原則：運(yùn)放應(yīng)置于中心位置由于本電路是純模擬電路，電路各元件距離不應(yīng)太遠(yuǎn)，以防止引入干擾。2.4.4設(shè)計(jì)要求及考前須知1.滑動(dòng)變阻器的使用電路中電阻的阻值需要調(diào)整的可以使用滑動(dòng)變阻器。使用中滑動(dòng)變阻器應(yīng)串接電阻，使滑動(dòng)變阻器單位旋轉(zhuǎn)角度的阻值變化盡量小，以保證調(diào)整更準(zhǔn)確，并減小各種因素對(duì)阻值穩(wěn)定的影響。2.穩(wěn)壓二極管的使用為了獲得穩(wěn)定的電壓，可以利用穩(wěn)壓二級(jí)管的反向擊穿特性設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路。使用中應(yīng)注意穩(wěn)壓二極管只有通過(guò)一定的電流的情況下，才能獲得穩(wěn)定的電壓，應(yīng)正確計(jì)算限流電阻的阻值。3.電路干擾的抑制可以在直流放大電路的負(fù)反應(yīng)電阻上并接電容來(lái)降低交流增益抑制噪聲。但是電容不宜太大，否則會(huì)延長(zhǎng)放大器對(duì)于被測(cè)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間。4.模擬/數(shù)字電源的區(qū)分使用模擬電路與數(shù)字電路的電源盡量分開(kāi)，否則會(huì)產(chǎn)生不良耦合，干擾模擬測(cè)量電路的正常工作。5.限幅電路設(shè)計(jì)注意限幅電路由限幅二極管和限流電阻組成，用于保護(hù)后級(jí)電路。限流電阻不可以沒(méi)有，也不可以太大，