模擬電子課程設計-- 傳感器測量系統(tǒng)的設計

1、<p>　　模擬電子技術(shù)課程設計任務書</p><p>　姓 名： 院 （系）：信息系專 業(yè) ： 班 級：</p><p>　課程設計題目： 傳感器測量系統(tǒng)的設計 </p><p>　課程設計要求：設計一個放大器系統(tǒng)，當電阻值變化±1%時，放大電路能夠產(chǎn)生±

2、6V的輸出電壓。要求偏差為0時輸出為0，偏差為1%時輸出為6V，偏差為-1%時輸出為-1V，誤差不超過±2%。</p><p>　設計任務總述：對設計題目進行分析，根據(jù)設計的要求先確定基準電壓源：為測量電橋提供一定精度要求的7.0V基準電壓，然后修改電路，進行參數(shù)計算.，測量當電阻值變化±1%時，放大電路能夠產(chǎn)生±6V的輸出電壓；要求偏差為0時輸出為0，偏差為1%時輸出為6V，偏差為

3、-1%時輸出為-6V，誤差不超過±2%；最后電路仿真實驗。</p><p>　工作計劃及安排：熟悉課題要求，查找相關(guān)資料；甄選資料的相關(guān)內(nèi)容，初步確定設計方案；尋找參考電路,修改電路，進行參數(shù)計算.調(diào)試（仿真），如不成功，返回第2步整理數(shù)據(jù);撰寫課程設計報告。</p><p>　成績指導教師簽字___________________年 月 日 </p&g

4、t;<p>　　摘要： 設計一個放大器系統(tǒng)，當電阻值變化±2%時，放大電路能夠產(chǎn)生±8V的輸出電壓。要求偏差為0時輸出為0，偏差為2%時輸出為8V ，偏差為-2%時輸出為-8V，誤差不超過±5%。</p><p>　　一、電路結(jié)構(gòu)及原理說明：</p><p>　　該電路由四部分組成：基準電壓源電路、測量電橋電路、放大電路、電平轉(zhuǎn)移電路。<

5、;/p><p><b>　　電路框圖如下所示：</b></p><p>　　1．基準電壓源：為測量電橋提供一定精度要求的7.5V基準電壓，采用5.6V穩(wěn)壓管與同相比例運算電路結(jié)合實現(xiàn)。</p><p>　　2．測量電橋電路：當電橋的所有阻值都相同時，輸出電壓為零。當有一電阻發(fā)生變化時將會有電壓輸出。此電路可以等效為傳感器測量電路，測取的溫度變化量并

6、將其轉(zhuǎn)化成電壓變化。</p><p><b>　　3.放大電路：</b></p><p>　　放大電路用于將測溫橋輸出的微小電壓變化（ΔV）放大，使其滿足性能要求。放大電路采用兩個同相電壓跟隨器（作為輸入緩沖器）與兩級放大器組成，其中第一級放大器為差動放大器，第二級放大器為可以方便調(diào)節(jié)的反相比例運算電路。</p><p><b>　　

7、電平轉(zhuǎn)移電路：</b></p><p>　　二、測量電路和參數(shù)計算</p><p><b>　　1、基準電源電路</b></p><p>　　基準源輸出電壓為V+=6.0V，穩(wěn)壓管電壓為5.6V，取穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電流為1~1.2mA。</p><p><b>　　根據(jù)基準源電路有</b>&

8、lt;/p><p><b>　　得到：</b></p><p>　　選RJ2=5kΩ，可得RJ1=71.43kΩ。</p><p>　　由于 </p><p>　　若取IF=1mA，則有</p><p>　　得到RJF=0.4kΩ。</p>

9、<p>　　電阻R3和R4的計算：</p><p>　　由穩(wěn)壓管開始啟動的條件：</p><p>　　設VS、RJ3、RJ4組成的電路向穩(wěn)壓管提供的電流為0.2mA，</p><p>　　若流過R4的電流也為0.2mA：則由下式：</p><p>　　可得RJ4=31.5kΩ</p><p>　　因為流過R

10、J3電阻的電流為0.4mA，所以</p><p>　　取VS=10，得到：</p><p><b>　　驗證</b></p><p><b>　　這是一個啟動電路。</b></p><p><b>　　2、測量電橋的計算</b></p><p>　　式中

11、V+是電橋的基準電壓。由于Vo1與電壓V成正比，因此V應該由基準電壓源電路提供。</p><p>　　取V=6.0V，電橋的R1=R2=R3=R4=100kΩ。</p><p>　　這里δ=0.02，V+=6.0V。</p><p><b>　　3、放大電路的計算</b></p><p>　　如果對于Vo1=0.03V時

12、，輸出電壓為6V，則有放大倍數(shù)為6/0.03=200.0倍。</p><p><b>　　則對于放大器有</b></p><p>　　一般希望RY4/RY3和RY2/RY1 有相同的數(shù)量級。</p><p>　　令R11=10kΩ，R21=100kΩ，則1+2R21/R11=21，R41/R41=10.159</p><p&

13、gt;　　若令R31=5kΩ，則R41=47.619KΩ</p><p>　　其中R21=R22，R31=R32，R41=R42</p><p><b>　　4、電平轉(zhuǎn)移電路</b></p><p><b>　　聯(lián)立解得，得到，。</b></p><p>　　取R5=96kΩ，R6=4kΩ,得V1=

14、0.4166V。</p><p>　　取RG=1kΩ,RF=4kΩ。</p><p><b>　　三、電路仿真</b></p><p>　　1：基準電壓源的單獨仿真</p><p>　　經(jīng)過反復調(diào)試，最終選擇 RJ2=31.02kΩ，此時輸出電Vout=7.5V。</p><p>　　2、測溫電橋

15、的單獨仿真</p><p>　　當四個電阻都相等時，理論上電橋輸出應為0，實際存在偏差，輸出為-0.074nV。</p><p><b>　　當 </b></p><p>　　在基準電壓為7.5的時候，對于R3阻值在99KΩ，101KΩ時的分別仿真 </p><p>　　3： 放大電路的單獨仿真</p>&

16、lt;p>　　在R3=99KΩ時的仿真</p><p>　　在R3=101KΩ時的仿真</p><p><b>　　4.</b></p><p><b>　　4：整體電路仿真</b></p><p>　　在R3阻值改變時，輸出電壓變化，R3=99KΩ時 輸出電壓為6.028V；當R3=10

17、1KΩ時，輸出電壓為-5.968V，這2數(shù)值都在誤差允許范圍內(nèi)。</p><p><b>　　5：誤差產(chǎn)生的分析</b></p><p>　　雖然在仿真時用的是理想的元器件但是，在計算放大倍數(shù)是RY1，RY2，RY3，RY4取了近似值，導致結(jié)果輸出不是+6V和-6V。</p><p>　　四、主要元件參數(shù)和元件列表</p><

18、;p>　　注：圖中RY2，RY5即為計算放大倍數(shù)時的“RY2”；RY3，RY6即為計算放大倍數(shù)時的“RY3”，RY7，R5即為計算放大倍數(shù)時的“RY4”，RY1不變。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　通過本次模擬電子技術(shù)課程設計，鞏固了模擬電子技術(shù)課程中學習的理論知識，例如同相比例電路﹑反相比例電路﹑實際運放﹑穩(wěn)壓管等知識；<

19、/p><p>　　通過在網(wǎng)絡中尋找實際元件參數(shù)，鍛煉了自己閱讀技術(shù)資料的能力；</p><p>　　初步掌握了Multisim2001用于模擬電子技術(shù)的仿真方法，初步了解了計算機輔助設計的方法；</p><p>　　通過參閱參考文獻，了解了更多關(guān)于鉑電阻測溫傳感器的知識；</p><p>　　本次課程設計還有相當多的不足和缺點，例如：仿真設計時沒

20、有考慮穩(wěn)定對其他元件的影響；仿真是沒有具體對實際運放進行失調(diào)電壓和失調(diào)電流的調(diào)零；選取某些電阻時使用的虛擬電阻，沒有采用實際電阻，缺乏實用性；對誤差的分析比較簡單，希望通過本次課程設計，進一步掌握計算機輔助設計的能力，對本試驗題目做進一步改進。</p><p><b>　　六﹑ 參考文獻</b></p><p>　　[1]. 太原理工大學信息工程學院自動化系. 模擬電

21、子技術(shù)課程設計指導書. 太原理工大學. 2007.5</p><p>　　[2]. 周凱. EWB虛擬電子實驗室—Multisim 7 & Ultiboard 7電子電路設計與運用. 電子工業(yè)出版社. 2006</p><p>　　[3]. 華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(第四版). 高等教育出版社. 2006</p><p>　　摘要： 設計一個放大器系統(tǒng)，

22、當電阻值變化±2%時，放大電路能夠產(chǎn)生±8V的輸出電壓。要求偏差為0時輸出為0，偏差為2%時輸出為8V ，偏差為-2%時輸出為-8V，誤差不超過±5%。</p><p>　　一、電路結(jié)構(gòu)及原理說明：</p><p>　　該電路由四部分組成：基準電壓源電路、測量電橋電路、放大電路、電平轉(zhuǎn)移電路。</p><p><b>　　電

23、路框圖如下所示：</b></p><p>　　1．基準電壓源：為測量電橋提供一定精度要求的7.5V基準電壓，采用5.6V穩(wěn)壓管與同相比例運算電路結(jié)合實現(xiàn)。</p><p>　　2．測量電橋電路：當電橋的所有阻值都相同時，輸出電壓為零。當有一電阻發(fā)生變化時將會有電壓輸出。此電路可以等效為傳感器測量電路，測取的溫度變化量并將其轉(zhuǎn)化成電壓變化。</p><p>

24、;<b>　　3.放大電路：</b></p><p>　　放大電路用于將測溫橋輸出的微小電壓變化（ΔV）放大，使其滿足性能要求。放大電路采用兩個同相電壓跟隨器（作為輸入緩沖器）與兩級放大器組成，其中第一級放大器為差動放大器，第二級放大器為可以方便調(diào)節(jié)的反相比例運算電路。</p><p><b>　　電平轉(zhuǎn)移電路：</b></p>&

25、lt;p>　　二、測量電路和參數(shù)計算</p><p><b>　　1、基準電源電路</b></p><p>　　基準源輸出電壓為V+=7.5V，穩(wěn)壓管電壓為5.6V，取穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電流為1~1.2mA。</p><p><b>　　根據(jù)基準源電路有</b></p><p><b>　

26、　得到：</b></p><p>　　選RJ2=30kΩ，可得RJ1=88.1kΩ。</p><p>　　由于 </p><p>　　若取IF=1mA，則有</p><p>　　得到RJF=1.9kΩ。</p><p>　　電阻R3和R4的計算：</p&

27、gt;<p>　　由穩(wěn)壓管開始啟動的條件：</p><p>　　設VS、RJ3、RJ4組成的電路向穩(wěn)壓管提供的電流為0.2mA，</p><p>　　若流過R4的電流也為0.2mA：則由下式：</p><p>　　可得RJ4=31.5kΩ</p><p>　　因為流過RJ3電阻的電流為0.4mA，所以</p>&l

28、t;p>　　取VS=10，得到：</p><p><b>　　驗證</b></p><p><b>　　這是一個啟動電路。</b></p><p><b>　　2、測量電橋的計算</b></p><p>　　式中V+是電橋的基準電壓。由于Vo1與電壓V成正比，因此V應該由

29、基準電壓源電路提供。</p><p>　　取V=7.5V，電橋的R1=R2=R3=R4=100kΩ。</p><p>　　這里δ=0.02，V+=7.5V。</p><p><b>　　3、放大電路的計算</b></p><p>　　如果對于Vo1=0.0375V時，輸出電壓為8V，則有放大倍數(shù)為8/0.0375=213

30、.33倍。</p><p><b>　　則對于放大器有</b></p><p>　　一般希望RY4/RY3和RY2/RY1 有相同的數(shù)量級。</p><p>　　令R11=10kΩ，R21=100kΩ，則1+2R21/R11=21，R41/R41=10.159</p><p>　　若令R31=5kΩ，則R41=50.79

31、3Kω</p><p>　　其中R21=R22，R31=R32，R41=R42</p><p><b>　　4、電平轉(zhuǎn)移電路</b></p><p><b>　　聯(lián)立解得，得到，。</b></p><p>　　取R5=96kΩ，R6=4kΩ,得V1=0.4166V。</p><p

32、>　　取RG=1kΩ,RF=4kΩ。</p><p><b>　　三、電路仿真</b></p><p>　　1：基準電壓源的單獨仿真</p><p>　　經(jīng)過反復調(diào)試，最終選擇 RJ2=31.02kΩ，此時輸出電Vout=7.5V。</p><p>　　2、測溫電橋的單獨仿真</p><p>

33、;　　當四個電阻都相等時，理論上電橋輸出應為0，實際存在偏差，輸出為-0.074nV。</p><p><b>　　當 </b></p><p>　　在基準電壓為7.5的時候，對于R3阻值在99KΩ，101KΩ時的分別仿真 </p><p>　　3： 放大電路的單獨仿真</p><p>　　在R3=99KΩ時的仿真<

34、;/p><p>　　在R3=101KΩ時的仿真</p><p><b>　　4.</b></p><p><b>　　4：整體電路仿真</b></p><p>　　在R3阻值改變時，輸出電壓變化，R3=99KΩ時 輸出電壓為6.028V；當R3=101KΩ時，輸出電壓為-5.968V，這2數(shù)值都在誤

35、差允許范圍內(nèi)。</p><p><b>　　5：誤差產(chǎn)生的分析</b></p><p>　　雖然在仿真時用的是理想的元器件但是，在計算放大倍數(shù)是RY1，RY2，RY3，RY4取了近似值，導致結(jié)果輸出不是+6V和-6V。</p><p>　　四、主要元件參數(shù)和元件列表</p><p>　　注：圖中RY2，RY5即為計算放大

36、倍數(shù)時的“RY2”；RY3，RY6即為計算放大倍數(shù)時的“RY3”，RY7，R5即為計算放大倍數(shù)時的“RY4”，RY1不變。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　通過本次模擬電子技術(shù)課程設計，鞏固了模擬電子技術(shù)課程中學習的理論知識，例如同相比例電路﹑反相比例電路﹑實際運放﹑穩(wěn)壓管等知識；</p><p>　　通過在網(wǎng)絡中

37、尋找實際元件參數(shù)，鍛煉了自己閱讀技術(shù)資料的能力；</p><p>　　初步掌握了Multisim2001用于模擬電子技術(shù)的仿真方法，初步了解了計算機輔助設計的方法；</p><p>　　通過參閱參考文獻，了解了更多關(guān)于鉑電阻測溫傳感器的知識；</p><p>　　本次課程設計還有相當多的不足和缺點，例如：仿真設計時沒有考慮穩(wěn)定對其他元件的影響；仿真是沒有具體對實際運

38、放進行失調(diào)電壓和失調(diào)電流的調(diào)零；選取某些電阻時使用的虛擬電阻，沒有采用實際電阻，缺乏實用性；對誤差的分析比較簡單，希望通過本次課程設計，進一步掌握計算機輔助設計的能力，對本試驗題目做進一步改進。</p><p><b>　　六﹑ 參考文獻</b></p><p>　　[1]. 太原理工大學信息工程學院自動化系. 模擬電子技術(shù)課程設計指導書. 太原理工大學. 2007.