ICP传感器调理电路设计

1、-作者xxxx-日期xxxxICP传感器调理电路设计【精品文档】重庆大学本科学生毕业设计（论文）传感器及电源通用控制器的设计学 生：赵磊学 号：20073079指导教师：尹爱军 专 业：机械电子工程重庆大学机械工程学院二O一一年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityDesign of Senor and Source General Controller Undergraduate: Zhao Lei Supervisor: Prof. Yin Aijun Major: Mechanical-electronic Engineer

2、ingCollege of Mechanical EngineeringChongqing UniversityJune 2011【精品文档】摘 要 测试技术与测试仪器是获取信息、分析和处理测量数据的关键技术和手段，是从事科学研究、产品质量分析检验与控制不可获取的工具。机械科学里测试也是很重要的一个研究分支，机械里面的测试有机械的振动、噪声等测试，其中机械振动的测试及工程上很重要的一部分，随着生产的发展和科学理论技术的水平的提高，现代的振动测试过采用电测法，但是在机械行业里面机械式的测振法仍然是以振动传感器为理论基础的。现在工程测试中广泛采用的机械量的电测原理和技术，也就是首先使用各种转换装置

3、传感器来将不同信号的物理特征转为具有物理特性的电信号。所以传感器在机械测试中是占有很重要的地位的。要做好机械测试这一块的工作，我得做好测试整个过程中的每一步。而传感器要很好的工作它肯定是需要完善的调理电路。 而在机械的测试技术中常用到得就是两种传感器，普通的压电式加速度传感器和ICP加速度传感器，两者的应用都很广泛，在现代的机械测试中都应用的很多。本文将为读者介绍两种传感器的结构，在测试中的应用，以及两种传感器使用的差别。两种传感器之间又由于内部有小的细微差别使他们在测试的时候拥有不同的测试通道，这样我们的测试仪器上就需要给两种传感器配备不同的通道口，是仪器显得繁重而且给测试工作带来烦恼，在本

4、文中将以简化测试人员的工作，简化测试仪器的为目的设计一个传感器自动识别及调理电路来实现传感器通道口的共用问题，同时也解决ICP传感器的恒流源供电。于此同时对于所设计的电路我们也需要为其设计一个专门的电源管理模块来实现的智能的电源管理。本电路系统结构简单，应用可靠，采用简单常用的电路实现。可以完成传感器的自动识别，完成传感器的调理，实现信号的准确采集。关键词：压电式加速度传感器 电荷前置放大器 传感器自动识别 恒流源电路 电池的智能管理 ABSTRACTTesting technology and test equipment are the key technologies and means

5、 to obtain information, analysis and processing of measured data,which is indispensable in scientific research, product testing and the control of quality analysis . Testing technology is a very important branch of machinery scientific, which including the mechanical vibration and noise testing, vib

6、ration testing of the machine is an important part of engineering.With the development of production technology and the improving of the level of scientific theory. Vibration testing using modern electric method, but in the machinery industry which mechanical vibration testing is still based on vibr

7、ation sensors. Now electrical mechanical principles and techniques measuring are widely used in engineering testing , which the first step is to use a variety of conversion devices such as sensors to convert the physical characteristics of the different signals into electrical signals that have the

8、physical properties .So the sensors plays a very important position in the mechanical testing.To make sure the testing work well, and must make every step of the process work well .To make sure the sensor work well,a improve conditioning circuit is absolutely necessary . Two types of sensors are oft

9、en used in the mechanical testing techniques , the average ICP piezoelectric acceleration sensor and acceleration sensor, the two applications are both widely used,which are often used in the modern application of mechanical testing.In this article it will simplely introduce the structure of the two

10、 sensors in the test application, and the difference between the two sensors.Because the two sensors have different structure ,they have a different test channels when they are used . So we need a test instrument that are equipped with two sensors channels,which has caused trouble to the test instru

11、ment .In this paper we will simplify the work of testers, test equipment for the purpose of simplifying the design of a sensor and conditioning circuit to automatically identify the sensor openings common problems, while also addressing the constant current source for the ICP sensorelectricity.At th

12、e same time for the circuit we also need to design a dedicated power management module to achieve the intelligent power management. The circuit system is very simple, but which is reliable in application, and the circuit are made of usual simple circuits.The circuit can complete the automatic identi

13、fication of two sensors to complete the sensor conditioning, which can achieve signal accurately.KEY WORDS: piezoelectric acceleration sensor preamplifier of charge automatic identification of sensors constant current source circuit intelligent management of charge目 录摘 要IABSTRACTII目 录IV第一章 绪论61.1 课题

14、的来源与意义61.2 机械振动测试的意义61.3 传感器调理及自动识别电路设计的意义6第二章 传感器输出信号的分析92.1 压电式加速度传感器的结构与原理82.1.1 压电式加速度传感器结构82.1.2 典型的电荷放大系统82.1.3 ICP传感器测试系统92.2 非ICP传感器的输出信号的分析102.3 ICP传感器输出信号的分析112.4 两种传感器信号的比较12第三章 恒流源模块的设计13133.2 恒流源的实现133.1.1 采用集成运放构成的线性恒流源143.2.2 采用集成稳压器构成的开关恒流源143.2.3 采用LM334芯片实现恒流源153.3 LM334搭建恒流源15第四章

15、传感器信号的识别与检测204.1 LM3339比较器电路204.2 所需比较器电路的搭建244.3 自动匹配的实现原理244.4 电路切换开关的选型分析244.4.1 电磁继电器244.4.2 模拟开关25274.6 非ICP传感器工作时信号的检测304.6.1 双限比较器检测信号304.6.2 单限比较器检测信号304.6.3 555单稳态电路304.6.4 74HC123单稳态31第五章 电源管理以及整体电路图的设计315.1 电源管理315.2 辅助电路325.3 整体电路图的设计335.4 电路板得制作33第六章 结论与展望346.1 工作总结与结论346.2 展望34参考文献36附录

16、A：电器原理图.38附录B：PCB图.39致 谢40 第一章 绪论1.1 课题的来源与意义在机械的工作工程中，振动是不可避免存在的，但是振动的存在是不能忽视的，振动带来的影响可能是不可估计的，比如是在高速旋转的机械中如果有较大的振动的存在，就可能引起螺钉的松动等，造成很严重的事故。因此在机械的测试工程中，对于振动的测试是一个很重要的环节，为了测试出机械工作过程中所产生的振动信号我们就要用到测振动的传感器，在测试中用到的最多的就是压电式加速度传感器，通过测机械振动过程中的振动的加速度信号来测得机械的振动信号。1.2 机械振动测试的意义 随着现代科学工业技术的发展，除了对各种机械设备提出了低振级和

17、低噪声的要求外，还应随时对生产过程或设备进行监测、诊断，对工作环境进行控制，这些都离不开振动测量。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计，找出薄弱环节，以改善抗振性能。另外，对于许多承受复杂载荷或本身性质复杂的机械结构的动力学模型及其动力学参数，如阻尼系数、固有频率和边界条件等，目前尚无法用理论公式正确计算，振动试验和测量便是唯一的求解方法。因此，振动测试在工程技术中起着十分重要的作用。振动测试的目的，归纳起来主要有以下几个方面：(1)检查机器运转时的振动特性，以检验产品质量；(2)测定机械系统的动态响应特性，以便确定机器设备承受振动和冲击的能力，并为产品的改进设计

18、提供依据；(3)分析振动产生的原因，寻找振源，以便有效地采取减振和隔振措施；(4)对运动中的机器进行故障监控，以避免重大事故。1.3 传感器调理及自动识别电路设计的意义 机械振动测试如此的重要而在测试过程中用到的最多的是压电式加速度传感器，压电式加速度传感器又主要是分为普通的压电式传感器我和ICP式压电式加速度传感器，在以后的章节中我们就称前者为非ICP式传感器，后者为ICP式传感器。两种传感器都是通过测振动的加速度来测得振动信号的，从应用上看他们的主要区别就是非ICP式传感器不需要外接电源供电，直接就能进行测试，得到信号。但是ICP传感器则需要外接恒流源对其进行供电才能使之正常的工作测出振动

19、信号来（两种传感器的具体的不同之处我们将在接下来的章节里进行全面详细的介绍）。所以两种传感器在使用的工程中我们就必须给他们设计专门的借口电路，两者是不能共用接口的，但是两种传感器的外形上很难区分出来，所以我们就试着想要将两种传感器的接口融合起来使之一个接口可是适应两者不同的传感器，电路内部识别传感器的类型，选择要不要给传感器提供恒流源，这样一样就给我们的测试工作带来了方便，测试人员就可以专心的去研究测试信号的问题了。第二章 传感器输出信号的分析2.1 压电式加速度传感器的结构与原理 压电式加速度传感器结构基于压电效应的传感器，其机构原理图如图1所示，它是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感

20、元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量1。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 图1.压电式传感器结构原理图 典型的电荷放大系统在上面已经提到了压电式传感器的特点就是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。但是缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，所以一般都需要配套的放大器电路，图2为典型的电荷放

21、大测试系统。 图2. 典型电荷放大测试系统 压电加速度传感器在振动与冲击测试中应用最为广泛，但由于压电传感器的压敏元件具有很高阻抗，它产生的是微弱的电荷信号，所以需要一个前置放大器将传感器的高阻抗输出信号转换为低阻抗信号23。外置的前置放大器可分为电压放大器与电荷放大器两种，电压放大器虽然结构简单，线性度和稳定性好，但它的灵敏度受电缆分布电容的影响，当连接电缆长度发生变化时，电压灵敏度也会随之发生变化。电荷放大器的灵敏度虽然受电缆分布电容的影响很小，但电缆受到振动和弯曲时，电缆芯线和绝缘体之间、绝缘体和金属屏蔽层之间由于相对移动摩擦产生静电荷，会造成电缆噪声。这些都给测试工作带来了麻烦，因此就

22、有了ICP传感器的产生。 ICP传感器测试系统ICP（Integrated Circuits Piezoelectric）传感器就是指内置了集成电路的压电传感器。与前面所讲外置前置放大器的压电传感器相比，它可以克服以上缺点。典型的ICP系统采用恒流源供电，供电电缆同时做为信号输出线，输出信号为低阻抗信号456。整个系统包括ICP传感器，普通的双芯电缆和一个不间断电源，所有的ICP系统都需要一个不间断恒流电源为ICP传感器提供恒定的电流，就能进行测试，从中读取振动信号，典型的ICP测试系统如图3所示： 图3 典型的ICP测试系统 非ICP传感器的输出信号的分析非ICP传感器没有外接电源，它就是基

23、于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。通过对压电式传感器结构的分析知道当传感器进行检测时如果有震动存在那么由于质量块的惯性的存在就会对压电材料进行挤压，进而压电材料表面就会产生电荷，而产生的电荷量的大小与压电材料所受到的压力是成正比的因而也是与传感器移动的加速度成正比的，这就是压电式加速度传感器的工作原理。这样一来我们就会发现传感器在没有在没有振动信号存在的时候，它输出的信号应该就是0，因为没有外接电源，内部也不是有源结构，所以是没有直接偏置量存在的。一旦检测振动信号，那么它就将输出微弱的电荷信号。为了证明我们所分析的问题

24、的正确性，将我们所要用到得压电式加速度传感器放在振动平台上面，开启振动实验平台，传感器的两根输出线接在示波器上观察，我们就得到了基于0V的上下波动的信号，由于我们的振动平台是基于正弦波得激振模式，所以我们观察到示波器上显示的为正弦信号，如图4所示： 图4. 非ICP传感器输出信号 ICP传感器输出信号的分析ICP传感器是由恒流源芯片供电，LM334芯片我们选中24V直流电对其供电，如图5所示： 图.5 传感器接线图5中，JP1和JP2处就可以接传感器和引出传感器的信号（ICP传感器有两根引线，它们即是给传感器供电的线，同时也是传感器信号的引出线），若还没接上传感器根据前面对于恒流源电路的分析，

25、那么在JP1和JP2处可以用电流表检测到4mA的电流，如果没有检测到，或者是不为4mA，那么这个恒流源的电路就没有搭建好。对我们搭建好的电路进行检测，电流表的示数为4mA，证明我们所搭建的电路是正确的。查阅资料得知，这个时候JP1和JP2之间的电压应该为11V12V之间，对我们的电路测一下，为11.5V，这是一个很重要的电压，对于我们后续传感器信号的识别是很关键的1011。再接上我们的ICP传感器，将其接在JP1处，JP2作为我们信号的输出引线段，接在示波器上观察，开启我们的振动试验平台，调节我们的示波器选着交流耦合方式（也就是滤掉直流分量，只检测交流分量），观察示波器同样得到了一个正弦信号，

26、信号的频率和我们振动实验平台的激振频率一样。说明我们所设计的恒流源能够使我们的ICP传感器正常工作。再调节示波器选择直流耦合（既测直流信号又测交流信号）观察示波器发现，和有一个直流分量存在。查阅资料上面说ICP传感器输出的信号不是基于0V的一个信号输出而是带有9V左右的直流分量的，用电压表测JP2两端的电压，测得一个9V的电压。传感器没有检测信号，只要接在了恒流源上面就会产生这样的一个信号。示波器上观察到如图6所示：图6 ICP传感器传输信号 两种传感器信号的比较通过上面对于两种传感器信号的分析，我们可以知道ICP传感器和非ICP传感器最大的区别就在于ICP传感器只要是接在了恒流源上面就会有9

27、V左右的直流分量存在，工作的时候也是存在的。而非ICP传感器是没有直流分量的，那当它接在恒流源上会是什么的情况呢。刚开始很担心当我们的非ICP传感器接在恒流源上面会不会被烧坏，询问导师，导师说这个问题可以询问生成传感器的技术工程师，他们比较清楚，于是我就打电话询问了上海一个传感器制造公司的一位工程师，那位工程师说这些都是小电压对传感器没什么影响。这样我就大胆的将非ICP传感器接在恒流源上面，测两端的电压，看看两种传感器在恒流源上表现出现的情况的差别，发现非ICP接上去以后JP2两端的电压为0V，这是一个重大的发现，我们可以利用这一点来实现两种传感器在电路中的识别。因为我们的设计是将两种传感器都

28、接在同一个通道口上，所以我们就必须知道两种传感器接在通道口上后表现出来的不同特性，然后通过电路来检测这些特性，来实现传感器的自动识别，我们已经找出了一个特性那就是他们接在恒流源之后的输出信号的直流分量有很大的差别。这就是我们自动识别的主要思路。第三章 恒流源模块的设计恒流源是输出电流保持恒定的电流源，而理想的恒流源应该具有以下特点： a)不因负载(输出电压)变化而改变； b)不因环境温度变化而改变； c)内阻为无限大（以使其电流可以全部流出到外面）。 能够提供恒定电流的电路即为恒流源电路，又称为电流反射镜电路，如图7所示。 图7. 恒流源电路系统ICP传感器的输出信号是带有一定量的直流分量的，

29、因此不能直接被A/D采集电路获取，必须经恒流源电路为其供电，并将其信号调理成标准的信号（如5V）。其原理图见图 ： 图8. ICP传感器工作图由于ICP传感器输出的就是放大的信号，所以干扰对其的影响小，信噪比高，即使在恶劣的工厂环境下，ICP加速的传感器也都可以利用。所以我们就要为ICP传感器设计一个合适的恒流源电路。 3.2 恒流源的实现恒流源的设计实现有很多的方法最简单的恒流源电路就是FET或者恒流二极管，但是这些电路实现的恒流源的稳定度也是比较差的，我们对折现恒流源电路进行分析，选出一种适合我们ICP传感器供电电路的。 采用集成运放构成的线性恒流源其结构原理图如图9所示： 图9. 集成运

30、放构成的线性恒流源 如图8所示其工作原理是：如果电源波动使U in降低, 从而使负载电流减小时, 则取样电压U S 也将减小, 从而使取样电压与基准电压的差值(U S - U ref) 减小。由于U IA 为反相放大器, 因此其输出电压U b = (R 5R4 ) U a 升高, 从而通过调节环节使U S 升高恢复到原来的稳定值, 保证了U S 的电压稳定,从而使电流稳定7。 调整RW , 可实现电流值在0 4A 之间连续可调。它实现的是较大的恒流源电流，而我们的ICP传感器所需要的是小电流，所不适合我们作为我们ICP传感器的恒流源。 采用集成稳压器构成的开关恒流源 图10. 采用集成稳压器构

31、成的开关恒流源 如图10所示，MC7805为三端集成稳压器，RL为可负载电阻 ，RW为可调电阻器。工作原理: 三端集成稳压器工作在悬浮状态, 在输出端2 和公共端3 之间接入一可变电阻RW , 从而形成一固定恒流源8。调节RW的值 , 可以改变电流的大小, 其输出电流为: 由于7805本身的稳压就存在误差，而且此电路实现的也主要是较大电流，因此也是不适合我们的ICP传感器的。 采用LM334芯片实现恒流源 采用单片集成芯片LM334给ICP提供恒流源电路，LM334是三端恒流器，使用起来很方便。可调电流来源具有10000:1的工作电流范围，优秀的电流调节电压和宽动态范围1V至40V的。最简单的

32、恒流源只需一个外部电阻而不需要其他地方电路就能实现。初始电流精度为3。 图11. LM334构成恒流源如图11所示用此电路结构简单，只需要一个外接电阻就能实现从4uA到10mA的恒流输出，因此我们选用LM来搭建我们的恒流源系统3.3 LM334搭建恒流源LM334的特性：1. 工作电压从1V40V / V电流调节。3. 可编程的电流范围1uA10mA。4. 真正的两端操作。5. 能够作为指定的温度传感器 6. 初始精度为3如图11所示为我们所用到的LM334的封装图 图12. LM334的封装芯片的典型的性能特性如图13所示： 图13. LM334的性能特性图如图11所示，计算 通过LM334

33、（的）的电流的总和是通过设置电阻（）和LM334的偏置电流（）的和，如图11所示为电流的流过情况。 使用时，只要在R端和U之间接电阻就可构成不用独立电源的两端理想横流浮置源，改变可改变恒流源的电流值，并有选择不用的可使恒流源从1uA到10mA连续可调。其工作电压可从1V到30V，典型的工作电压为24V，工作温度为0+70。 由于（给定的设置电流）在中占很小的比例，因此可以等效的写成： 图14. 温度影响在这里n是其中n是ISET的比例在指定的IBIAS电气特性部分，并显示在图14。由于n通常为2A18一毫安ISET的，该方程可进一步简化为：作为一个零点温度系数电流源的应用： 增加一个二极管和一

34、个电阻在一般的LM334电路上就能够消除LM334温度系数的影响特性。电路如图15所示： 图15. 改进后的LM334恒流源 如图15所示，它通过加二级管来消除由于温度变化所引起的电流漂移，要设置的电流Iset是电流和的总和每一端大概都是提供50%的设置的电流。对于通常是包含在里面的大概增加了的值大约为5.9%。 其中： 利用下面的等式减少电路中的临时参数值。给出了一个例子用+227uV/作为芯片的参数，作为二极管的参数（为了得到最好的结果，这个值应该直接被测量出来或者是从制造商那里得到这个二极管的参数值）。 随着R1和R2之间的比例的确定，R1和R2的值就应该根据我们需要设置的电流来设置它们

35、的值。计算T=25时设定电流的计算公司如下面所示，接下来的这个例子就是在二极管是上的压降是0.6V，这个电压相交的电阻值R1是67.7mV（64mV+5.9% ） R1/R2= 10 (从前面的计算得知）。 这个电路会消除大部分LM334的温度影响，而且具有很好的效果即使这个二极管的特征值不是很准确。 LM334功能强大，还有很多典型的应用电路，在这里我们就不一一介绍了，从上面对于LM334的分析在我们设计我们ICP传感器的恒流源的时候我们就只是考虑我们电路受到温度的影响，所以我们选用加一个二极管的那种消除温度影响的方式来设计我们的恒流源电路20。恒流源电路的计算：由ICP传感器的参数知道IC

36、P传感器的工作是所需要的恒流源提供的电流的大小是4mA，所以我们要利用上面介绍的LM334的典型电路搭建一个为我们ICP传感器提供4mA电流的恒流源电路。选用带有一个二极管消除温度影响的电路。计算公式为： 所以： R1=34因为没有34电阻的存在，虽然可以利用其他阻值的电阻搭建，不过显得太麻烦，我们选用33的电路，计算一下得到的电流是4.06mA 误差很小，只有1%左右。所以R1=33。 由 R2/R1=10 得 R2=330 电路图如图16所示： 图16. 搭建的ICP传感器恒流源这样我们就完成了ICP传感器的恒流源的搭建，只需要将ICP传感器接在上面就能正常的工作了。恒流源为ICP传感器提

37、供电流的线路同时也是ICP传感器信号的输出线路，我们只需要在这上面引出一线将ICP的输出信号分离出来即可。第四章 传感器信号的识别与检测两种传感器的接在恒流源上后的电压不同，这是我们检测的出发点，那我们又要通过什么样的方法来检测我们的电压的不同。我们很容易就行到了比较器，通过比较电路我们很容易就将两种信号去分开了。只需做一次电压的比较就能知道传感器到底是ICP的还是非ICP的。比较器可以用的芯片有很多，LM324 LM339 等比较器芯片、集成运放芯片都可以拿来做比较器89，为了够买器材方便，比较电路容易搭建，我们就选用一般的常见的比较器芯片进行搭建。我们选用常见的比较器芯片LM339。4.1

38、 LM339比较器电路LM339系列的四输入独立比较器，拥有很低的比较电压，能够比较2.0mV的电压，能够在单电压供电下工作，也可以在正负电压双电压下工作。LM339芯片的特性：1.较宽的单电压供电2.0VDC36VDC 或者双电压供2V18V2.非常低的电流驱动（0.8mA）独立的电源供电5nA和偏置电压5.输出电压能够与TTL，DTL，ECL，MOS和CMOS逻辑系统兼容LM339引脚图： 图17. LM339引脚图 LM339的一些典型应用： 1. A/D 转换器 2. MOS时钟生成器 3. 高电压逻辑门LM339的输出端不具驱动能力，所以在输出端要加上拉电阻，也正是因为这样所以他具有

39、很好的兼容性，能够兼容TTL，CMOS等芯片。应用也更为广泛了。典型应用的电路图： 】 图18.LM339典型应用电路 LM339的应用很广，我们这里只是要用它来搭建比较器，比较器有很多类型有单限比较器，过零比较器，迟滞比较器，双限比较器等。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出

40、端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。单线比较器： 图给出了一个基本单限比较器。输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考

41、电压（门限电平）Ur。当输入电压UinUr时，输出为高电平UOH。图19为其工作特性： 图19. 单限比较器的工作特性 滞比较器：迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。前面介绍的单限比较器，如果输入信号Uin在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏）。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。图给出了一个迟滞比较器，人们所熟悉的“史密特”电路即是有迟滞的比较器。图20为迟滞比较器的传输特性。 图20. 滞比较器工作特性双限比较器（窗口比较器）：图21电路由两个LM339组成一个窗口比较器。当被比较的信号电压Uin位于门限电压之间时（UR1UinUR2)时输出为高。 图21 双

42、限比较器4.2 所需比较器电路的搭建在这里我们所要用到的是单限比较器，根据上面对LM339的分析和认识，我们就可以搭建一个我们所需要的来检查电压值的比较器：搭建好之后的电路图如图22所示： 图22. 比较器电路 把传感器与恒流源连接之后产生的信号引入到比较器的比较端子，如果是ICP传感器接在了通道口上，那么7端口输入的电压为9V左右是大于6端口的电压5V的这个时候输出端1将输出高电平，由于本身不带驱动能力，我们选用5V作为高电平，选用电阻作为上拉电阻这样输出就为5V的高电平（选用5V作为输出的高电平是为了能与后续电路兼容）。 当接在通道口上的是非ICP传感器的时候，JP2端得电压将被拉低（前面

43、已经介绍过），这样7端口的输入电压就为0V左右是小于6端口电压（5V），这个时候1端口输出端就输出低电平。 通过两种传感器的信号经比较器后能形成高低电平，为我们的后续电路的构建提供了很好的作用。4.3 自动匹配的实现原理上一节已经利用LM339搭建的比较器电路实现了两种传感器的识别，他们都是通过硬件电路实现的，可靠性高，速度快，识别出来以后得到的就是高低电平信号，我们要对这个高低电平信号进行一些处理来实现传感器电路的自动匹配。这里的自动匹配主要是恒流源的问题，两种传感器通过同一个接口电路与内部的调理电路相连接，而接口内部主要就是恒流源模块，所以通道口始终都是与内部的恒流源连接在一起的。在这样的

44、情况下，如果接入的ICP传感器就不需要做调整，ICP传感器正需要恒流源进行供电，所以只要将ICP传感器接入到通道口它就开始正常工作，我们就直接可以从接口处引出信号来。而对于非ICP传感器的接入我们要做的工作就很多了，因为非ICP传感器是不需要恒流源的，如果给它恒流源工作那么它就不能正常的工作，输出的信号也是没有用的信号。所以我们要做的第一步工作就是实现非ICP传感器与恒流源供电模块的切断。 要实现他们之间的切断，那么他们之间肯定是不能直接只用导线连接起来，他们之间就需要一个开关，开关是工作在常开的模式下（也就是恒流源与通道口相接通）。这个开关的作用就是当接入ICP传感器的时候（LM339比较器

45、通过检测信号输出高电平+5V），开关不切换维持闭合的状态，使恒流源持续为传感器供电，进行信号的采集。当接入的是非ICP传感器时（LM339输出低电平），开关切断电路，是同道口与恒流源供电模块切断，这样非ICP传感器才能正常工作4.4 电路切换开关的选型分析 要实现电路的切换需要开关，开关只要有机械式的（电磁继电器），电子式的（模拟开关)。 电磁继电器 电磁继电器一般由电磁铁,衔铁,弹簧片,触点 等组成的，其工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁

46、的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 因为这里所用控制的电路电压很低，也就是恒流源的输出端得电压，所以选用松乐公司生产的SRS05VDCSL 型号的电磁继电器，它的线圈控制电压为直流5伏，工作电流：40mA，吸合电压：75%*5V ，5%*5V 触点电阻：100 机械寿命：10,000,

47、000 触点的负载能力：3A 120VAC/3A 30VDC 。 图23. 电磁继电器内部结构其内部结构原理图如图23所示： 1. 这里开关要对恒流源进行接触，所以要求接触的时候能很好的接触不能都抖动存在，因为这里做的是信号的检测很小的抖动都会引起信号的变化，给我的测试带来误差 2. 当开关切断以后不能对接口处产生干扰，所以要求与恒流源的电路完全端口，它自身也不能对接口产生干扰。 继电器的原理图上说面它切断以后是和恒流源是机械式的断开的，所以恒流源理论上不会对我们的外面传感器产生影响，那这个机械式的开关又会不会产生影响。理论上不能进行分析，我们就进行实际的实验。通过一个小的实验，发现机械式的开

48、关会对外面传感器采集信号产生影响，原因我再做分析了。因为机械式的开关的缺点不只是它会产生干扰，它还存在电磁线圈的驱动问题，我们设计的电路是小功率的电路，电磁线圈工作的时候消耗的电能过大，这对于我们电路的电源部分的设计带来了麻烦，而且利用得到的控制信号（LM339输出端）来驱动我们电磁继电器本来就是很困难的事，得另外选用三级管利用三级管搭建电路来实现电磁继电器的驱动，这样又给我们电路的设计带来了巨大的麻烦。 模拟开关 除了机械式的开关我们还可以选用电子式的，例如4066,4066是最常用的一种电子开关CD4066是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。引出端排列与CC4016一致，但

49、具有比较低的导通阻抗。另外，导通阻抗在整个输入信号范围内基本不变。CD4066由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号，开关中的p和n器件在控制信号作用下同时开关。这种结构消除了开关晶体管阈值电压随输入信号的变化，因此在整个工作信号范围内导通阻抗比较低。与单通道开关相比，具有输入信号峰值电压范围等于电源电压以及在输入信号范围内导通阻抗比较稳定等优点。 需要注意的是当模拟开关的电源电压采用双电源时，例如 =5V， =5V（均对地0V而言），则输入电压对称于0V的正、负信号电压（5V5V）均能传输。这时要求控制信号C=“1”为+5V，C=“0”为-5V，否则只能传输正极性的信号电压。

50、4066引脚功能图： 图24. 4066引脚功能图 图25. 4066典型应用 4066的典型应用电路：4066模拟开关的供电电压范围为3V到15V，具体根据所要通过的电压选择。用4066做实验，发现4066的切断效果非常好，两脚之间完全没有影响，对于我们传感器的测试信号也是没有影响的，所以我们选用4066电子式的模拟开关作为我们这里恒流源模块与传感器之间的切换开关。4.5自动匹配的实现的原理在这里模拟开关所要控制的是一个1V左右的信号的开关，根据前面的介绍，我们对于模拟开关的供电电压选着为12V供电。根据模拟开关的特性，高电平的时候开关接通，那这个时候的高电平是不是我们前面所设计的比较器的输出的TTL高电平5V呢，查阅资料，发现对于模拟开关，它的控制信号的高电平是供电电压的80%以上的电压才被认定我高电平，所以要是我们比较器的控制信号要能够用来控制模拟开关需要一个转换电路，我们选用三级管来搭建，由5v的电压来驱动三级管，再由三极管来实现电压的转换。但是我们5V的电压经三级管后变为0V模拟开关切断，0V的电压经三级管驱动电路后变为