测控电路设计报告刘俊博

《测控电路课程设计》报告题目人体电子秤设计院系仪器科学与光电工程专业测控技术与仪器班级测控1103班学号2011010677学生姓名刘俊博指导老师刘国忠实验时间2014.06-2014.07实验成绩目录一、课程设计目的及意义3二、系统设计的主要任务4三、总体方案设计5四、电路设计64.1、传感器电路设计64.2、信号调理电路设计84.2.1、放大电路 84.2.2、调零电路计114.3、比拟电路设计 124.4、整体电路原理图 14五、电路调试及实验数据分析 155.1、放大和调零电路调试 155.2、比拟电路调试 155.3、实验数据分析 16六、总结 196.1、技术总结 196.2、个人感悟及建议 19参考文献20一、课程设计目的及意义测控电路课程设计是测控电路课程体系的一个重要组成环节，是按照《测控电路设计与实践》教学大纲所进行的独立实践教学环节。设计内容为典型测控系统电路设计,通过课程设计，使学生完成测控系统任务分析、电路总体设计、单元电路设计以及电路调试等各个环节,掌握有关传感器接口电路、信号处理电路、放大电路、滤波电路、运算电路、显示电路以及执行部件驱动电路等内容在测控系统中的使用方法,了解有关电子器件和集成电路的工作原理[1]。在课程设计中，做到理论联系实际，加深对理论知识的进一步理解，培养学生综合运用所学知识进行工程设计的能力，包括动手能力，独立思考能力，以及分析和解决工程实际问题等的能力，学以致用。电子秤是用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，它的创造极大地方便人们称量物体的。电子称显示快速直观、操作简单，精度高。二、课程设计要求和任务设计一个人体电子秤测量系统，最大称重为150KG，能用输入电压范围0-2V的3位半数字显示表头显示体重，当体重大于W1时，点亮LED1，发出声音提示；当体重小于W2时，点亮LED1，发出声音提示，空载时灯灭。三、总体方案设计本次课设题目设计过程中需要用到压力传感器，放大器，比拟电路，液晶显示和报警装置〔蜂鸣器，LED〕。数字电子称通过传感器将称重电桥产生电压信号，此信号通过仪用放大器AD620进行放大，把较小的电压信号通过运算放大电路进行准确、线性的放大，以满足模数转换器对输入信号电平的要求，AD620芯片的5脚〔基准端〕来调零，调零电路采用741组成的电压跟随器。仪表用放大器具备足够大的放大倍数、高输入电阻和高共模抑制比的特点。放大后的模拟电压信号传递给A/D转换电路然后把数字信号传送给液晶显示器显示重量值，由显示电路显示出测量结果，显示电路采用三位半数码管显示电路进行显示。将信号通过比拟器LM339，设置体重报警的上下限，小于w1和超过w2电路会自动报警提示。本设计中通过改变放大电路的增益，从而到达转换量程的目的。由于被测物体的重量相差较大，根据不同的侧重范围要求，需对量程进行切换。此电路简单明了，方便于调试与修改[2]。总体方案图如图1所示。图1人体电子称系统框图四、单元电路设计4.1传感器电路设计传感器能感受被测量，并按照一定的规律将被测量转换成可用的输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件与转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的局部，转换局部指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于输出和测量的电信号局部。现代科技的快速开展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器的地位与作用特别重要。电子称传感器采用电阻应变式传感器，电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。应变片式传感器有如下特点：1〕应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。2〕分辨力和灵敏度高，精度较高。3〕结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。4〕商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。一直流供电的平衡电阻电桥，AC接直流电源E：当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。电桥原理图如图2所示图2当忽略电源的内阻时，由分压原理有：U0=U当满足条件R1R3=R2U0=0，即电桥平衡,式〔2应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。假设差开工作，即R1=R-∆R,R2=R+∆R,R3=R-∆R,R(3)4.2信号调理电路设计4.2.1放大电路放大电路选用了仪用放大器AD620，AD620是一款低本钱、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10,000。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3mA)，因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用。AD620具有高精度(最大非线性度40ppm)、低失调电压(最大50µV)和低失调漂移(最大0.6µV/°C)特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。由于其输入级采用Superβeta处理，因此可以实现最大1.0nA的低输入偏置电流。AD620在1kHz时具有9nV/√Hz的低输入电压噪声，在0.1Hz至10Hz频带内的噪声为0.28μV峰峰值，输入电流噪声为0.1pA/√Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。同时，AD620的0.01%建立时间为15μs，非常适合多路复用应用；而且本钱很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。AD620由传统的三运算放大器开展而成,但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计,如电源范围宽(±2.3～±18V),设计体积小,功耗非常低(最大供电电流仅1.3mA),因而适用于低电压、低功耗的应用场合[3]。三运放电路如图3所示。图3AD620的单片结构和激光晶体调整,允许电路元件紧密匹配和跟踪,从而保证电路固有的高性能。AD620为三运放集成的仪表放大器结构,为保护增益控制的高精度,其输入端的三极管提供简单的差分双极输入,并采用β工艺获得更低的输入偏置电流,通过输入级内部运放的反应,保持输入三极管的集电极电流恒定,并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。AD620的两个内部增益电阻为24.7k8,因而增益方程式为G=49.4kΩ/RG+1〔3〕对于所需的增益,那么外部控制电阻值为RG=49.4/〔G-1〕kΩ〔4〕AD620由于体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点,使AD620特别适宜应用到诸如传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换等应用场合。AD620特别适宜于较高电阻值,较低电源电压的压力传感器电路设计。AD620的体积小、功耗低成为压力传感器的重要因素,图为+5V电源供电的压力传感器电桥。在如图4这样一个电路中,电桥功耗仅为1.7mA,AD620和AD705缓冲电压驱动器对信号调节,使总供电电流仅为3.8mA,同时该电路产生的噪声和漂移也极低。图4压力传感器电路将AD620的2、3引脚接到传感器电路的输出端，1和8引脚接1kΩ滑动变阻器，用来调节AD620的放大倍数，4和7引脚接正负电源，给芯片供电，5引脚是参考端接调零电路，6引脚是输出放大电路如图5所示图54.2.2调零电路LM741〔单运放〕是高增益运算放大器，用于军事、工业和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。741运算放大器使用时需于7、4脚位供给一对同等大小的正负电源电压＋Vdc与－Vdc，一旦于2、3脚位即两输入端间有电压差存在，压差即会被放大于输出端，唯Op放大器具有一特色，其输出电压值决不会大于正电源电压＋Vdc或小于负电源电压－Vdc，输入电压差经放大后假设大于外接电源电压＋Vdc至－Vdc之范围，其值会等于＋Vdc或－Vdc，输出电压于到达＋Vdc和－Vdc后会呈现饱和现象。使用LM741用作调零电路，把741的2管脚和6管脚短接，就形成了一个电压跟随器，用作调零电路，2脚接AD620的5脚。调零电路原理图如图6所示。图6信号调理电路图如图7所示：图74.3比拟电路设计LM339四电压比拟集成电路，该电路的特点是：失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；比照拟信号源的内阻限制较宽；共模范围很大，为0~〔Ucc-1.5V〕Vo；差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；输出端电位可灵活方便地选用[3]。LM339集成块采用C-14型封装，外型及管脚排列如图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比拟器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数根本一致，可互换使用。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比拟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。用作比拟两个电压时，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〕，另一端加一个待比拟的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差异大于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拟理想的。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，它的集电极电压根本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比拟器的输出端允许连接在一起使用。LM339可构成单限比拟器、迟滞比拟器、双限比拟器〔窗口比拟器〕、振荡器等。LM339还可以组成高压数字逻辑门电路，并可直接与TTL、CMOS电路接口。比拟电路采用的芯片是LM339芯片。设置比拟器的阈值电压，将AD620的信号通过三路比拟器，然后通关逻辑电路，与LED灯和蜂鸣器相连。当体重超过上限或者低于下限的时候，LED灯会发光，蜂鸣器会发出声音，到达报警的目的。该电路的上限为1.5v,下限为0.5v，这两个比拟电路先或(74ls32)，然后与0.2阈值的比拟电路相异或(74ls86)\。比拟电路图8所示图8比拟电路逻辑关系真值表表1所示〔0.5真值与1.5相或，再与0.2真值相异或〕<0.2>1.50.210000.511001.500010101表1逻辑关系4.4整体电路原理图如图9所示：图9五、电路调试及实验的数据分析5.1放大和调零电路调试通过调节AD620引脚1和8中间的电位器来调节放大倍数，测量输出与输入的比值，即放大倍数。G=49.6K/Rg+1当G=1000倍时，电位器的理论值是49.6Ω，实际测量为50.2Ω当到达所需放大倍数，300倍时，理论值为165Ω，实际测量为134Ω基准电路参数选择：使用两个10K的电阻和一个10K的电位器，将电位器的中间端接到741的3引脚，把741的2引脚和6引脚相连，组成电压跟随器，再将输出接到AD620的参考电压端5引脚，调节电位器来对AD620进行调零5.2比拟电路调试上限：电压阈值为1.5v，当接地电阻为200Ω时，接地电位器阻值为0.460kΩ,实际测量中为0.454K。当电压高于1.5v时LM339的上限比拟器输出为低电平。下限：电压阈值为0.5v，当接地电阻为200Ω时，接地电位器阻值为0.020kΩ,实际测量中为0.030K。当电压低于0.5v时LM339的下限比拟器输出为低电平。空载：电压阈值为0.2v，当接+5v电阻为200Ω时，接地电位器阻值为0.088kΩ,实际测量中为0.091K。当电压低于0.2v时LM339的空载比拟器输出为高电平。输入一个电压，测量三个比拟器的输出，与理论计算所得的结果相比拟，如果不满足要求，那么调节电路连线和各个电位器，最终到达理想的结果。5.3实验数据分析体重测量如表2所示小王小刚小刘小李实际体重/kg45.155.570.271.9测量值1/kg45.555.370.272.2测量值2/kg45.656.669.672.4测量值3/kg45.756.069.971.9测量值4/kg45.955.869.871.8测量值5/kg45.856.770.272.0测量值6/kg45.556.470.471.5测量值7/kg45.756.369.771.2测量值8/kg45.656.570.171.3测量值9/kg45.456.769.971.6测量值10/kg45.756.270.071.4平均值/kg45.656.270.071.7绝对误差/kg0.50.70.20.2相对误差1.1%1.3%0.285%0.278%标准差0.520.800.0680.171A类不确定度0.1640.2520.0210.054表2体重测量表通过表2并结合《误差理论与数据处理》[5]绝对误差和相对误差的计算,测量结果存在允许的差异，通过A类不确定度和测量值体重，在误差1斤的范围内电子称测量值的信赖。测量体重稳定性分析图如12所示图12稳定性分析图由图12可知，测量稳定性很好。测量体重线性性分析图如13所示图13线性分析图由图13可知，测量线性度很好。2〕、关键点电压：调零电路输出：0.256v基准电压上限：1.5v基准电压下限：0.5v空载电压阈值：0.2v调节放大倍数电位器中间段电压：0.784v六、总结6.1、技术总结1〕传感器电路采用电阻应变式传感器，将电阻应变片贴在电桥的电阻上，电桥测量准确，方法巧妙，使用方便，提高测量的灵敏度。2〕仪用放大器AD620