測(cè)控電路設(shè)計(jì)報(bào)告劉俊博

《測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)》報(bào)告題目人體電子秤設(shè)計(jì)院系儀器科學(xué)與光電工程專業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)測(cè)控1103班學(xué)號(hào)2011010677學(xué)生姓名劉俊博指導(dǎo)老師劉國(guó)忠實(shí)驗(yàn)時(shí)間2014.06-2014.07實(shí)驗(yàn)成績(jī)目錄一、課程設(shè)計(jì)目的及意義3二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)4三、總體方案設(shè)計(jì)5四、電路設(shè)計(jì)64.1、傳感器電路設(shè)計(jì)64.2、信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)84.2.1、放大電路 84.2.2、調(diào)零電路計(jì)114.3、比擬電路設(shè)計(jì) 124.4、整體電路原理圖 14五、電路調(diào)試及實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 16六、總結(jié) 196.1、技術(shù)總結(jié) 196.2、個(gè)人感悟及建議 19參考文獻(xiàn)20一、課程設(shè)計(jì)目的及意義測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)是測(cè)控電路課程體系的一個(gè)重要組成環(huán)節(jié)，是按照《測(cè)控電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐》教學(xué)大綱所進(jìn)行的獨(dú)立實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)內(nèi)容為典型測(cè)控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì),通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生完成測(cè)控系統(tǒng)任務(wù)分析、電路總體設(shè)計(jì)、單元電路設(shè)計(jì)以及電路調(diào)試等各個(gè)環(huán)節(jié),掌握有關(guān)傳感器接口電路、信號(hào)處理電路、放大電路、濾波電路、運(yùn)算電路、顯示電路以及執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)電路等內(nèi)容在測(cè)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(jì)中，做到理論聯(lián)系實(shí)際，加深對(duì)理論知識(shí)的進(jìn)一步理解，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的能力，包括動(dòng)手能力，獨(dú)立思考能力，以及分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題等的能力，學(xué)以致用。電子秤是用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(jiǎn)單，精度高。二、課程設(shè)計(jì)要求和任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)人體電子秤測(cè)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(dāng)體重大于W1時(shí)，點(diǎn)亮LED1，發(fā)出聲音提示；當(dāng)體重小于W2時(shí)，點(diǎn)亮LED1，發(fā)出聲音提示，空載時(shí)燈滅。三、總體方案設(shè)計(jì)本次課設(shè)題目設(shè)計(jì)過(guò)程中需要用到壓力傳感器，放大器，比擬電路，液晶顯示和報(bào)警裝置〔蜂鳴器，LED〕。數(shù)字電子稱通過(guò)傳感器將稱重電橋產(chǎn)生電壓信號(hào)，此信號(hào)通過(guò)儀用放大器AD620進(jìn)行放大，把較小的電壓信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大電路進(jìn)行準(zhǔn)確、線性的放大，以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)電平的要求，AD620芯片的5腳〔基準(zhǔn)端〕來(lái)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(diǎn)。放大后的模擬電壓信號(hào)傳遞給A/D轉(zhuǎn)換電路然后把數(shù)字信號(hào)傳送給液晶顯示器顯示重量值，由顯示電路顯示出測(cè)量結(jié)果，顯示電路采用三位半數(shù)碼管顯示電路進(jìn)行顯示。將信號(hào)通過(guò)比擬器LM339，設(shè)置體重報(bào)警的上下限，小于w1和超過(guò)w2電路會(huì)自動(dòng)報(bào)警提示。本設(shè)計(jì)中通過(guò)改變放大電路的增益，從而到達(dá)轉(zhuǎn)換量程的目的。由于被測(cè)物體的重量相差較大，根據(jù)不同的側(cè)重范圍要求，需對(duì)量程進(jìn)行切換。此電路簡(jiǎn)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(jì)4.1傳感器電路設(shè)計(jì)傳感器能感受被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)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?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的局部，轉(zhuǎn)換局部指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵隽哭D(zhuǎn)換為適于輸出和測(cè)量的電信號(hào)局部。現(xiàn)代科技的快速開(kāi)展使人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代，在信息時(shí)代人們的社會(huì)活動(dòng)將主要依靠對(duì)信息資源的開(kāi)發(fā)和獲取、傳輸和處理，而傳感器處于自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測(cè)信息的窗口；傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息，都要通過(guò)它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號(hào)。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(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(dú)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(xué)量傳感器。導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)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(jī)械應(yīng)變信號(hào)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(cè)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(cè)量電橋。直流電橋的特點(diǎn)是信號(hào)不會(huì)受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)變的輸出信號(hào)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(diǎn)：1〕應(yīng)用和測(cè)量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機(jī)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(duì)試件影響小，對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化測(cè)量。一直流供電的平衡電阻電橋，AC接直流電源E：當(dāng)電橋輸出端接無(wú)窮大負(fù)載電阻時(shí)，可視輸出端為開(kāi)路，此時(shí)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(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時(shí)，由分壓原理有：U0=U當(dāng)滿足條件R1R3=R2U0=0，即電橋平衡,式〔2應(yīng)變片測(cè)量電橋在測(cè)量前使電橋平衡，從而使測(cè)量時(shí)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(kāi)工作，即R1=R-?R,R2=R+?R,R3=R-?R,R(3)4.2信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)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(gè)外部電阻來(lái)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(jì)，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(yuǎn)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(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)儀等醫(yī)療應(yīng)用。由于其輸入級(jí)采用Superβeta處理，因此可以實(shí)現(xiàn)最大1.0nA的低輸入偏置電流。AD620在1kHz時(shí)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(shí)，AD620的0.01%建立時(shí)間為15μs，非常適合多路復(fù)用應(yīng)用；而且本錢很低，足以實(shí)現(xiàn)每通道一個(gè)儀表放大器的設(shè)計(jì)。AD620由傳統(tǒng)的三運(yùn)算放大器開(kāi)展而成,但一些主要性能卻優(yōu)于三運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表放大器的設(shè)計(jì),如電源范圍寬(±2.3～±18V),設(shè)計(jì)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(chǎng)合[3]。三運(yùn)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(yùn)放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu),為保護(hù)增益控制的高精度,其輸入端的三極管提供簡(jiǎn)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(guò)輸入級(jí)內(nèi)部運(yùn)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(gè)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(duì)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(diǎn),使AD620特別適宜應(yīng)用到諸如傳感器接口、心電圖監(jiān)測(cè)儀、精密電壓電流轉(zhuǎn)換等應(yīng)用場(chǎng)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(jì)。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(gè)電路中,電橋功耗僅為1.7mA,AD620和AD705緩沖電壓驅(qū)動(dòng)器對(duì)信號(hào)調(diào)節(jié),使總供電電流僅為3.8mA,同時(shí)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(dòng)變阻器，用來(lái)調(diào)節(jié)AD620的放大倍數(shù)，4和7引腳接正負(fù)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(yùn)放〕是高增益運(yùn)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(hù)和閉鎖自由運(yùn)作。這些類型還具有廣泛的共同模式，差模信號(hào)范圍和低失調(diào)電壓調(diào)零能力與使用適當(dāng)?shù)碾娢弧?41運(yùn)算放大器使用時(shí)需于7、4腳位供給一對(duì)同等大小的正負(fù)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(huì)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(huì)大于正電源電壓＋Vdc或小于負(fù)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(huì)等于＋Vdc或－Vdc，輸出電壓于到達(dá)＋Vdc和－Vdc后會(huì)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(gè)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(hào)調(diào)理電路圖如圖7所示：圖74.3比擬電路設(shè)計(jì)LM339四電壓比擬集成電路，該電路的特點(diǎn)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(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；共模范圍很大，為0~〔Ucc-1.5V〕Vo；差動(dòng)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(yùn)算放大器。每個(gè)比擬器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比擬兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)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(diǎn)〕，另一端加一個(gè)待比擬的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開(kāi)路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)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(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比擬理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)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(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓根本上取決于上拉電阻與負(fù)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(hào)通過(guò)三路比擬器，然后通關(guān)邏輯電路，與LED燈和蜂鳴器相連。當(dāng)體重超過(guò)上限或者低于下限的時(shí)候，LED燈會(huì)發(fā)光，蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲音，到達(dá)報(bào)警的目的。該電路的上限為1.5v,下限為0.5v，這兩個(gè)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(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析5.1放大和調(diào)零電路調(diào)試通過(guò)調(diào)節(jié)AD620引腳1和8中間的電位器來(lái)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，測(cè)量輸出與輸入的比值，即放大倍數(shù)。G=49.6K/Rg+1當(dāng)G=1000倍時(shí)，電位器的理論值是49.6Ω，實(shí)際測(cè)量為50.2Ω當(dāng)?shù)竭_(dá)所需放大倍數(shù)，300倍時(shí)，理論值為165Ω，實(shí)際測(cè)量為134Ω基準(zhǔn)電路參數(shù)選擇：使用兩個(gè)10K的電阻和一個(gè)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(lái)對(duì)AD620進(jìn)行調(diào)零5.2比擬電路調(diào)試上限：電壓閾值為1.5v，當(dāng)接地電阻為200Ω時(shí)，接地電位器阻值為0.460kΩ,實(shí)際測(cè)量中為0.454K。當(dāng)電壓高于1.5v時(shí)LM339的上限比擬器輸出為低電平。下限：電壓閾值為0.5v，當(dāng)接地電阻為200Ω時(shí)，接地電位器阻值為0.020kΩ,實(shí)際測(cè)量中為0.030K。當(dāng)電壓低于0.5v時(shí)LM339的下限比擬器輸出為低電平。空載：電壓閾值為0.2v，當(dāng)接+5v電阻為200Ω時(shí)，接地電位器阻值為0.088kΩ,實(shí)際測(cè)量中為0.091K。當(dāng)電壓低于0.2v時(shí)LM339的空載比擬器輸出為高電平。輸入一個(gè)電壓，測(cè)量三個(gè)比擬器的輸出，與理論計(jì)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(gè)電位器，最終到達(dá)理想的結(jié)果。5.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析體重測(cè)量如表2所示小王小剛小劉小李實(shí)際體重/kg45.155.570.271.9測(cè)量值1/kg45.555.370.272.2測(cè)量值2/kg45.656.669.672.4測(cè)量值3/kg45.756.069.971.9測(cè)量值4/kg45.955.869.871.8測(cè)量值5/kg45.856.770.272.0測(cè)量值6/kg45.556.470.471.5測(cè)量值7/kg45.756.369.771.2測(cè)量值8/kg45.656.570.171.3測(cè)量值9/kg45.456.769.971.6測(cè)量值10/kg45.756.270.071.4平均值/kg45.656.270.071.7絕對(duì)誤差/kg0.50.70.20.2相對(duì)誤差1.1%1.3%0.285%0.278%標(biāo)準(zhǔn)差0.520.800.0680.171A類不確定度0.1640.2520.0210.054表2體重測(cè)量表通過(guò)表2并結(jié)合《誤差理論與數(shù)據(jù)處理》[5]絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差的計(jì)算,測(cè)量結(jié)果存在允許的差異，通過(guò)A類不確定度和測(cè)量值體重，在誤差1斤的范圍內(nèi)電子稱測(cè)量值的信賴。測(cè)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(cè)量穩(wěn)定性很好。測(cè)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(cè)量線性度很好。2〕、關(guān)鍵點(diǎn)電壓：調(diào)零電路輸出：0.256v基準(zhǔn)電壓上限：1.5v基準(zhǔn)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(cè)量準(zhǔn)確，方法巧妙，使用方便，提高測(cè)量的靈敏度。2〕儀用放大器AD620