实习报告电路

1、精品文档任务一：电容传感器电路的仿真（5 天）一、主要内容及步骤理解电容传感器电路的主要构成及其工作原理，并应用multisim软件对电容传感器电路进行仿真分析，步骤如下：1、理解电容传感器电路的工作原理。2、熟悉 multisim软件的基本使用方法。3、在 multisim环境中构建电容传感器电路。4、对电容传感器电路进行仿真分析。二、电容传感器电路电容传感器电路实现了对电容式传感器的电容值的检测。 当传感器电容值变化时电路的输出也会产生相应的变化。 在本次仿真研究中应用 RC振荡电路产生正弦电压信号，应用交流型电容电压转换电路实现由传感器电容值到正弦电压信号幅值的转换， 应用整流滤波电路实

2、现交直转换，应用差动及反向放大电路对直流电压信号进行处理，最后应用电压电流转换电路实现 420mA电流输出。1、交流型 C/V 转换电路正弦信号 Vi 对被测电容 C2进行激励，激励电流流经由反馈电阻.精品文档R3,反馈电容 C1，和运放组成的检测器转换成交流电压Vo 。当时，有此时，输出电压值正比于被测电容值。2、电路结构图振荡电路C/V 转换电路整流滤波电路放大电路V/I 转换电路在本任务中，除使用指定的C/V转换电路外，其它各部分电路的实现形式不作限制。三、电容式传感器的工作原理.精品文档电容式传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。平板电容器是由两个金属极板、中间夹一层电介质构成的。当

3、忽略边缘效应时，其电容器的电容量为C=A1*A2*S/D=A*S/D式中： A1真空介电常数A2相对介电常数A电容极板间的介电常数D极板间的距离S极板正对面积由式可知，要想使电容器的电容量发生变化，有三种方法：改变面积（S）、改变极距（ D）、改变介质（A）四、具体电路图与分析（1）总体结构连线图XSC2XSC4XSC5XMM2Ext TrigExt TrigExt Trig+_ABABAB+_+_+_+_+_+_GNDX12X23 4X35X46GND1X5IO1IO1IO1IO1IO1IO2IO2IO2IO2IO3IO3IO3zdcvzllbfdvi 7XSC# 示波器XMM 万用表GND

4、接地端（2）振荡电路（ zd）R1C14510k| ?5nFVCC15VVCC4 U1A31IO1IO1211 LM324MVDDR5VDD47k| ?-15VKey=A 40%R2110k| ?D12R4C2R31N1202C10k| ?5nF10k| ?D21N1202CGNDGNDXSC1Ext Trig+_AB+_+_产生正弦波信号， 采用文氏桥式 RC 振荡器，起振条件： R5+R2 2R3，振荡频率 F0=1/(2 RC) ，C1、 C2 取值在 nf 级，且取在 130nf 之间为宜，相对地 C1、C2 取值越小 F0 越大，正弦信号产生迅速。D1 、 D2 作用：为了使输出幅度

5、稳定，同时在运放反向端加入负反馈支路，支路中D1、 D2.精品文档起稳幅作用， 当输出幅度增大时，处于导通状态的二极管的正向压降随之增大，正向电阻减小，使负反馈深度加深，迫使输出减小，达到稳幅的目的。R5 用于调节负反馈的大小，以便使输出符合设计要求，此处R5 取 40%左右电阻量适宜，过大过小都会产生振荡发散。（3） C/V 转换电路（ cv）R6200k| ?C3C710nFVCC15VVCC1.75nFIO1C4IO1138.25nF90%Key=AR710k| ?GNDGND4 U2A31IO2IO2211 LM324MVDDVDD-15VXSC3Ext Trig+_AB+_+_此处我

6、采用了一个补偿电容C7，使得对可变电容地变化范围可控，同时改变C7 、C3可以调节零点和 C4地测量范围 （具体见第五部分方案一） 。具体操作时： R3取值尽量大， C1最好与振荡电路中电容级别一致，保证较快的响应速度（原因见第二部分讲析）。（4）直流滤波电路（ zllb ）IO1IO12D3411R8IO2IO2100k| ?GND31B4B42C5C650nF50nFGNDIO3IO3整流电路的任务是将交流电变换成直流电。二极管具有单向导电特性，可以将交流变换为单一方向的直流， 此处采用桥式整流电路。滤波电路是尽量降低输出电压的波纹，同时还要尽量保留其中的直流成分，使输出电压更加平滑，接近

7、直流电压。 电容器和电感器是基本的滤波元件， 主要利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器两端的电流不能突变的特点，此处采用电容型滤波电路。具体操作时：C5、C6 相等且为 nf 级以保证高响应速度， R8取值尽量大，才能达到平稳的电压输出信号。(5) 放大电路（ fd）.精品文档GNDGNDR10VCC133k| ?15VVCCIO3IO3R9451k| ?IO1R11IO1351k| ?4 U3A31IO2IO2211 LM324MVDDVDD-15VR12133k| ?放大电路（差动比例运算电路）：当 R9=R11 、 R10=R12 时， I02=K* （ I03 -I01 ），K=R

8、12/R11 。（ I03-I01）前向整流滤波电路的输出电压K 放大倍数具体操作时： K 的取值取决于输入输出信号所需满足的比例关系，R11、 R12 的取值最好在千欧级以接近理想运放的虚短条件。（6） V/I 转换电路（ vi ）XMM1VCC15VVCCIO14U4AIO13IO21IO212IO3IO311 LM324MVDDVDDR16-15V1k| ?R1322k| ?R14250GNDGND采用同相输入的电压/电流变换器。设流过 R16 两端电流为i ，同相端输入为Ui 。则i*R14=U-=Uii=Ui/R14=K*Ui（K=1/R ）由于 Ui=15V ， i=420MA所以

9、 R14=250 欧图 1：振荡电路产生的正弦波信号.精品文档图 2：振荡电路产生的正弦波与其经C/V 转换后形成的正弦波信号叠加.精品文档图 3：可变电容量在10%,90% 时放大电路输出信号波形与V/I 输出电流值.精品文档.精品文档.精品文档五、零点调整与量程调整方案一 ：改变 C/V 转换电路中的C7 和 C3 值，达到零点调整和量程调整。原因：信号经过C/V 、整流滤波、放大、V/I 环节，输入输出都成线性关系。R6200k| ?C3C710nFVCC15VVCC1.75nFIO1C4IO1138.25nF90%Key=AR710k| ?4 U2A31IO2IO2211 LM324M

10、VDDVDD-15VXSC3GNDGNDExt Trig+_AB+_+_如图： C7=1.75nfC3=10nfC4=8.25nf （不变）零点未迁移前当C4=8.25*10%=0.825nf时，对应输出1V-4MA.此时，设A= （ C7+C4 ）/C3=0.2575 ，对应输出1V-4MA.零点未迁移前当C4=8.25*90%=7.25nf时，对应输出5V-20MA.此时，设B=（ C7+C4 ） /C3=0.9175，对应输出5V-20MA.精品文档零点迁移后，设此时迁移至8.25*20% ，即 C4=1.65nf要求： C4=1.65nf 时，对应输出1V-4MA.C4=7.25nf

11、时，对应输出5V-20MA.此时只能调整C3、C7 的值满足线性关系设此时调整C7=X ， C3=YA= （ C7+C4 ）/C3=(X+1.65)/Y=0.2575B=（ C7+C4 ） /C3=(X+7.25)/Y=0.9175解上列方程组可得：X=0.6nf ， Y=8.75nf故，将 C7 ，C3 调整为上面值即可得到正确输出。（以上方法适用在已知零点偏移量的情况）若只知道迁移以后的零点输出Z，则可以由C=（ 1.75+X ）/10=(0.9175 -0.2575)*Z/4+0.0925求得 X=8.25*n%, 即 X 为迁移后的零点位置。再由上面介绍的方法即可求得C7， C3 的调

12、整值。R6200k| ?C3C78.75nFVCC15VVCC600pFIO1C4IO1138.25nF20%Key=AR710k| ?GNDGND4 U2A31IO2IO2211 LM324MVDDVDD-15VXSC3Ext Trig+_AB+_+_.精品文档方案二：改变放大电路的放大倍数和添加附加电源，达到零点调整和量程调整。.精品文档原因：信号经过C/V 、整流滤波、放大、V/I 环节，输入输出都成线性关系。对于放大电路（差动比例运算电路）：当 R9=R11、 R10=R12 时， I02=K* （ I03 -I01 ），K=R12/R11 。（ I03-I01）前向整流滤波电路的输出

13、电压K 放大倍数GNDGNDR10VCC133k| ?15VVCCIO3IO3R9451k| ?IO1R11IO1351k| ?4 U3A31IO2IO2211 LM324MVDDVDD-15VR12133k| ?如图：零点未迁移： I02=K*X=15V，（ I03-I01）= X零点迁移后：（ I03-I01）范围发生变化，I02=K* （ I03 -I01 ） 15V可以通过改变 K 值和添加附加电源达到输出要求设：输出 I02=Y ，输入（ I03-I01 ） =X1 ，调整后 K=K1则有 Y=K1*X1+B所以 K1=K* （MAX （ X ） -MIN （ X） /（ MAX （

14、X1 ）-MIN （ X1）=4/（ MAX （ X1 ） -MIN （ X1 ）（调整后放大倍数）B= 5 -K1*MAX（X1 ） （附加在I01 端电压值）例如：若零点迁移前（I03-I01） =X=0.21V ，K=5若零点迁移后（I03-I01） =X1=0.41V则 K1=20/3 ，B= -5/3则 Y=20*X/3 -5/3 15V应用如下：如图：为零点调整和量程调整电路.精品文档R381kKey=C50%11V41 V0R3612R313kR293.29345k 691k475R37U10370100 R30 1kU95R261k7U851k15R321613R341k2 3

15、554BM16176723554BM72 6R35R271k23554BM8R28V1R331k5001k1 VXMM600输入信号为整流滤波的输出信号，输出信号为15V 直流电压信号。当 XHH6 示数不为零时则出现零点迁移，此时改变滑动变阻器R38 使得 XHH6 示数为零，经减法器后 R32 导线上无电压， 此时 由 V1 提供 1V 电压使得输出为 1V（对应 4MA ），即达到零点调整。零点调整后还要调整放大倍数使得在特定范围得到15V 输出信号。 此时即可 使用方案二 的方法，通过 调节 R31 得到合适的放大倍数，在此次应用中无须附加电压B ，因为在减法器中已经把迁移量屏蔽掉了！

16、方案三：改变 V/I 转换电路的R14 和添加附加电源，达到零点调整和量程调整，原理同方案二。XMM1VCC15VVCCIO14U4AIO13IO21IO212IO3IO311 LM324MVDDVDDR16-15V1k| ?R1322k| ?R14250GNDGND.精品文档任务二铂电阻温度变送器制作(6 天)一、实验设备和元件DT9208万用表一只，+5/24V 万能电路板一块，镊子一只，导线若干， XTR106 OPA2277芯片各一个，电阻若干，变位器2 个，电容一个，二极管，三极管各一个，滑动变阻器5个，焊烙铁等二、实验内容及步骤1、 回顾两线制变送器的工作原理，理解两线制变送器电路

17、设计的原则。2、 了解电阻式传感器原理、测量转换线路，熟悉万用表、电路板、电烙铁等功和原材料的使用方法。3、 阅读 XTR106芯片厂家英文资料，掌握芯片基本工作原理。阅读OPA2277芯片工作原理。4、 分析一下电路的工作原理。桥路电阻要求采用100电阻，传感电阻模拟PT100 热电阻阻值。5、 利用万能电路板搭建上述电路。6、 上述电路具有调整零点、量程功能，7、 进行变送器性能测试。进行负载实验，给出负载范围，考虑如何实现PT100 热电阻温度变送器的功能，包括非线性补偿问题该如何处理，并实现非线性补偿，测试补偿前后的变送器特性。8、 测试变送器的线性工作范围及其非线性误差。三、 铂热电

18、阻的非线性铂热电阻具有测量精度高、测温范围宽、 稳定性好等优点，但铂热电阻是一种非线性测温元件。根据国际电工委员会提供的数据，铂热电阻的电阻- 温度关系式为：其中， A=3.90802×10-3 ；B=-5.802 ×10-7；C=-4.27350×10-12。显然， 随着测量范围的增大，非线性越来越严重。当温度测量范围为 -200 850时，铂热电阻的最大非线性达到 4.6%。当然，减小温度测量范围，将使非线性减小。但是，当精度要求高或测温范围宽时，就必须解决非线性问题。四、 不平衡电桥的非线性常用的不平衡电桥测温电路如图31 所示，图中Rt 为铂热电阻。由图3

19、1 可知，.精品文档这时，输出电压 U 0与传感器电阻的变化量t01）近似成线性关系，此时对测量R /（R+R精度的影响较小。但随着传感器电阻的相对变化量Rt01/（ R +R ）的增大，非线性误差越来越大 ，因而极大地影响了电桥的测量准确度。另外，由式（3 2）可知，电桥输出电压 U 0与电桥供电电源的电压成正比关系，因此，供电电源电压的波动也将直接影响测量精度。铂热电阻的非线性和不平衡电桥的非线性都给最后的温度测量带来一定的非线性误差 。所以，当精度要求高或测温范围宽时，就必须解决这个线性化问题。五、 XTR106 的工作原理XTR106 是高精度、 低漂移、 自带两路激励电压源、可驱动电

20、桥的420 mA 两线制集成单片变送器， 它的最大特点是可以对不平衡电桥的固有非线性进行二次项补偿，它可以使桥路传感器的非线性大大改善，改善前后非线性比最大可达20 1。其原理框图如图4 1 所示。图中， V REF 为两路精密基准电压源2.5V 和 5V ，基准电压源的精度为0.05%； V REG 提供大约 5.1V 的电压源，可带2.5mA 的负载电流，若超过2.5mA 会影响 4mA 的零点输出电流； RG 为外接量程控制电阻。XTR106 的使用要求：.精品文档a.整个电路的电压 电流传递函数为：其转换精度为 0.05%。b.电源电压范围宽：7.5V36V 。当桥路非线性大于 3%，

21、且用 5V 基准电压源作为桥路激励时，要求电源电压为8V36V ；c.当用在高精度场合时，需要外接一个NPN三极管，将外部电源电流与消耗严格地分开 ，这可大大降低 XTR106 的内部功耗及发热，减少热漂移，从而提高了性能。由于这个外接三极管位于反馈回路中，其参数要求如下：VCEO 45V， min =40， PD=800mW 。当对精度要求不高时，可直接在8 脚与 6 脚之间连接一个3.3k 的电阻。d.由于 XTR106 由单一电源供电，为了保证工作在线性区域，要求输入端相对公共地6脚的电压满足：的增加而提高， 所以为了提高测量精度，应尽量使V IN 大一些，V IN 应满足： 0VIN

22、2.4V。当 V IN<0 时，XTR106 的输出电流Io 将小于 4mA ，VIN 减小， Io 也将继续减小， 直到 1.6mA为止 。当 V IN 大于满量程值时，XTR106 的输出电流 Io 将大于 20mA ，V IN 增大， Io 也将继续增大，直到 28mA 为止。f.负载电阻 RL 的选择，必须保证输出电流在 420mA 变化时，7、10 两脚电压在 7.5V36V之间， RLmax =（V PS-7.5） /20-RWIRING ；g.只需简单的管脚连接就可在片内获得2.5V 或 5V 的精密基准电压源用于桥路激励。使用 5V 激励时，只需将 14 脚直接连接到桥路

23、；使用2.5V 激励时，需要先把 13 脚与 14 脚相连后 ，再连接到桥路，如图5 1 所示；h.可对桥路的固有、可测的非线性进行线性化，这里的非线性包括铂电阻的非线性和不平衡电桥本身的非线性。但是XTR106只限于对桥路的抛物线型（下弯或上弯，如图4 2所示）非线性进行二次项线性化补偿，特别是对最大非线性发生在中点的抛物线型非线性的线性化最好，补偿前后非线性比最大可达20 1。当使用 5V 基准电压源作为桥路激励时，可用于矫正不大于 ±5%的非线性；当使用2.5V 基准电压源作为桥路激励时，可用于矫正不大于 +5%/-2.5% 的非线性。但是，对于同时存在较大正、 负非线性的桥路

24、传感器， 使用 XTR106 对其线性改善不大。具体的线性化原理如下：连接于管脚11 与管脚 1 之间的 RLIN 为线性化电阻，提供正反馈，使桥路激励电压（精密基准电压源） 能够随着输入信号 VIN 的变化而变化。 当桥路传感器存在正的非线性（上弯，如图 4 2 所示）时，管脚 12 与管脚 6 连接，这时，基准电压VREF 不是保持 5V或 2.5V 不.精品文档变，而是随着桥路输出（也是XTR106的输入 V IN ）的增加而增加，以补偿正的非线性；当桥路传感器存在负的非线性（下弯，如图42 所示）时，管脚 12 与管脚1 连接，这时，基准电压 V REF 随着桥路输出的增加而减少，以补

25、偿负的非线性；当不需要非线性补偿时，需要把管脚 11 和管脚 12都连接到管脚1，这时，基准电压 V REF 就保持 5V或 2.5V 不变。量程电阻 RG 和线性化电阻RLIN 的选择公式如下：式中： K LIN 线性化因子，单位为 。当基准电压源为2.5V 时， K LIN =9905 ；当基准电压源为5V 时， K LIN =6645 ；B桥路传感器相对于 V FS 的非线性度。对于正的非线性（如图4 2）， B 取正号；对于负的非线性， B 取负号。V FS 在没有线性化时桥路的满量程输出电压，单位为V 。这时基准电压保持2.5V 或5V 不变。V REF（ Adj ） 、 VREF（

26、Initial ） 分别为线性化前后的基准电压值，单位为V 。六、 XTR106 在铂热电阻不平衡电桥测温中的应用由上述分析可知，在铂热电阻不平衡电桥测温中，铂热电阻的非线性和不平衡电桥固有非线性给温度测量带来很大的非线性误差。 特别是测温范围较宽时， 其非线性更明显。 所以，当精度要求高或测温范围宽时， 就必须解决非线性问题。 利用 XTR106 的线性化特性就能很好地解决这个非线性问题。下面以量程为0500的 Pt100 为例，说明XTR106 在铂热电阻不平衡电桥测温中的应用 ，如图 5 1 所示。图中，电容CIN 用于减小输入干扰，电容COUT 用于减小输出干扰；二极管用于防止电源电压

27、反接；R0为零点调节电阻， RG 为量程调节电阻； R1=R 2=5.1k ；R0 等于 Pt100 在 0时的电阻，为100 。 R3、 R4 用于调节桥路初始不平衡电压和XTR106的失调电压，具体的电阻值由下式决定：式中， V TRIM 期望的电压调整范围，单位为V 。RB 桥路的全阻，单位为。如图 51 所示，由于管脚13 与管脚 14 相连后，再连接到桥路，因而桥路的激励电压为 2.5V 。.精品文档七、数据处理部分.精品文档>> t=0:0.001:200;>>>>>> U0=(U.*Rt)./(2.*(200+Rt);>>

28、; plot(t,U0)>> z=0.006032./200.*t;>> plot(t,U0,t,z)>> m=U0-z;>> B1=max(m)B1 =3.1114e-004>> B=B1/0.006032 B =0.0516>> Rlin=abs(9905*4*B/(1-2*B) Rlin =2.2788e+003>> Rg=2043/43*0.006032*(1+2*B)/(0.0004*(1-2*B) Rg =881.3105.精品文档T-I252015系列1I10系列250050100150200250T.精品文档任务三电路的 PCB 布线（ 4 天）一：任务一电路图绘制的 8 管脚芯片，由两个放大电路组成，在PCB 板上就是U1 、U2.精品文档任务一电路PCB 电路板图21121212121212211218222271361112451221212111321222112212121125463722121128112.精品文档二：任务二电路图绘制的 8 管脚芯片OPA2277 ，在 PCB 板上就是 *OPA绘制的 14 管脚芯片XTR106 ，在 PCB 板上就是 *XTR106.精品文档任务二电路PCB 电路板图12182121122721362451121