第一篇：基于CCD圖像傳感器驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

摘 要：本文以tcd1501c型ccd圖像傳感器為例。介紹了其性能參數(shù)及外圍驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)，驅(qū)動時(shí)序參數(shù)可以通過vhdl程序靈活設(shè)置。該電路已成功開發(fā)并應(yīng)用于某型非接觸式位置測量產(chǎn)品中。

關(guān)鍵詞：ccd 驅(qū)動時(shí)序 放大器

1引言

電荷耦合器件(ccd)是20世紀(jì)60年代末期出現(xiàn)的新型半導(dǎo)體器件。目前隨著ccd器件性能不斷提高。ccd驅(qū)動器有兩種：一種是在脈沖作用下ccd器件輸出模擬信號，經(jīng)后端增益調(diào)整電路進(jìn)行電壓或功率放大再送給用戶：另一種是在此基礎(chǔ)上還包含將其模擬量按一定的輸出格式進(jìn)行數(shù)字化的部分，然后將數(shù)字信息傳輸給用戶，通常的線陣ccd攝像機(jī)就指后者，外加機(jī)械掃描裝置即可成像[1]。所以根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)指標(biāo)要求。選擇不同型號的線陣ccd器件，設(shè)計(jì)方便靈活的驅(qū)動電路與之匹配是ccd應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2ccd工作原理

ccd是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號，其基本功能是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。當(dāng)光入射到ccd的光敏面時(shí)，ccd首先完成光電轉(zhuǎn)換，即產(chǎn)生與入射光輻射量成線性關(guān)系的光電荷。ccd的工作原理是被攝物體反射光線到ccd器件上，ccd根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，產(chǎn)生與光電荷量成正比的弱電壓信號，經(jīng)過濾波、放大處理，通過驅(qū)動電路輸出一個(gè)能表示敏感物體光強(qiáng)弱的電信號或標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號?；谏鲜鰧⒁痪S光學(xué)信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔⑤敵龅脑恚€陣ccd可以實(shí)現(xiàn)圖像傳感和尺寸測量的功能。

3驅(qū)動電路的實(shí)現(xiàn)

圖像傳感器tcd1501c的主要技術(shù)指標(biāo)如下：像敏單元數(shù)為5 000；像元尺寸為7μm×7μm；像元中心距為7μm；像元總長為35mm；光譜響應(yīng)范圍為400nm-1000nm．光譜響應(yīng)峰值波長為550nm，靈敏度為10.4v／lx.s～15.6v／lx.s。使ccd芯片正常工作的驅(qū)動電路主要有兩大功能：一是產(chǎn)生ccd工作所需的多路時(shí)序脈沖；二是對ccd輸出的原始模擬信號進(jìn)行處理，包括增益放大、差分信號到單端信號的轉(zhuǎn)換[2]。最后驅(qū)動器輸出用戶所需的模擬或視頻信息。

3.1 基于vhdl的驅(qū)動時(shí)序設(shè)計(jì)

本部分的設(shè)計(jì)是基于xilinx公司的cpld xc9572一pc44-10，在ise6.1環(huán)境下開發(fā)實(shí)現(xiàn)的。ccd器件需要復(fù)雜的三相或四相交疊驅(qū)動脈沖，多數(shù)面陣ccd都是三相或四相驅(qū)動，多數(shù)線陣ccd都是二相驅(qū)動。ccd為容性負(fù)載，工作頻率高時(shí)有一定的功耗，因此需要對cpld輸出的復(fù)位脈沖rs、移位脈沖(又稱光積分脈沖)sh、箝位脈沖cp、采樣脈沖sp，以及二相時(shí)鐘脈沖φ1e、φ2e等各路驅(qū)動脈沖采用74hc14進(jìn)行整形和驅(qū)動能力的放大，然后再送至tcd1501c器件的相應(yīng)輸入端，在ccd的模擬信號輸出端將得到信號0s和補(bǔ)償信號dos。tcdl501c正常工作時(shí)要有76個(gè)啞像元輸出，一個(gè)掃描行周期內(nèi)至少應(yīng)包含有5 076個(gè)時(shí)鐘脈沖，即tsh=5076×φ1e0.1μs，在本設(shè)計(jì)中tsh=5200×φ1e。由此可見，改變時(shí)鐘脈沖頻率或增加光積分脈沖周期內(nèi)的時(shí)鐘脈沖數(shù)，可以改變光積分周期，通常φ1e的頻率設(shè)置為可調(diào)節(jié)的，這樣可以根據(jù)ccd器件的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境靈活運(yùn)用ccd器件的優(yōu)點(diǎn)以改變光積分時(shí)間。只要條件允許，為降低ccd的電荷轉(zhuǎn)移損失率。ccd驅(qū)動脈沖的頻率應(yīng)盡可能小。驅(qū)動脈沖的頻率降低時(shí)，可以在示波器上觀察到ccd輸出信號幅值明顯增強(qiáng)。

3.2 基于ad623的ccd輸出信號差分驅(qū)動設(shè)計(jì)

ccd在驅(qū)動脈沖的作用下，經(jīng)移位寄存器順序輸出視頻信號，復(fù)位脈沖rs每復(fù)位一次，ccd輸出一個(gè)光脈沖信號。差分信號測量電路里差模和共模電壓，vdiff是信號差模電壓，vcm是信號共模電壓，信號輸出vout=r2/r1·vdiff=g·vdiff理想狀態(tài)下，一般差模增益g≥1，而共模增益(％mismatch／100)×g／(g+1)接近于零，因此可以看出共模增益主要是電阻不匹配的函數(shù)，在實(shí)際測量電路中可能會由于電阻值的微小不匹配而導(dǎo)致兩個(gè)輸入端的共模電壓不一致，而使電路的直流共模增益不為零。共模抑制比(cmrr)就是差模增益g與共模增益的比值[3]。用對數(shù)形式表示：201g[(100／％mismatch)×(g+1)]。實(shí)際工程應(yīng)用中，電路工作在一個(gè)很大的噪聲源中，如50hz交流電源線的噪聲、設(shè)備的開關(guān)噪聲、無線信號的傳輸噪聲，這些干擾信號作用在差分輸入端，將會在輸出端產(chǎn)生一個(gè)共模信號，因此差分信號處理除了要求有高的dc cmrr．還要有高的ac cmrr。

圖2 ccd的os端和dos端輸出波形

在電路設(shè)計(jì)中選用了adi公司的儀器儀表放大器ad623。ad623集成了3路運(yùn)放，將視頻信號及其補(bǔ)償輸出分別送至ad623的反相和同相輸入端．在ad623的輸出端接一級射極跟隨器以增強(qiáng)信號的驅(qū)動能力。選用該器件可消除采用普通運(yùn)放和外圍電阻所引起的輸出信號的溫度漂移。

4結(jié)束語

基于上述開發(fā)的線陣ccd驅(qū)動器已調(diào)試成功．并且用于某位置測量系統(tǒng)中，工作穩(wěn)定可靠。本設(shè)計(jì)方案只要再拓展ad轉(zhuǎn)換部分就可以應(yīng)用于成像系統(tǒng)的前端。

第二篇：傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真及電荷放大器轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì).（范文模版）

燕山大學(xué)

課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書

題目： 傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真及電荷放大器轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

學(xué)院（系): 年級專業(yè)： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 項(xiàng)昕 指導(dǎo)教師： 陳 穎 朱丹丹 教師職稱： 副教授 講 師

第一章

摘要

摘要 電荷放大器由電荷變換級、適調(diào)級、低通濾波器、高通濾波器、末級功放、電源幾部分組成。電荷放大器可配接壓電加速度傳感器。其特點(diǎn)是將機(jī)械量轉(zhuǎn)變成與其成正比的微弱電荷Q，而且輸出阻抗Ra極高。電荷變換級是將電荷變換為與其成正比的電壓,將高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩?。本文介紹了一種電荷放大器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其工作原理,闡述了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的工作模式,給出了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞。壓電傳感器；電荷放大器；放大器設(shè)計(jì)

第二章 引言

引言 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，非電物理量的測量與控制技術(shù)已越來越廣泛地應(yīng)用于航天、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造、自動檢測與計(jì)量等技術(shù)領(lǐng)域，而且也正在逐步引入人們的日常生活中。非電物理量的測量和控制技術(shù)會涉及大量的振動信號，在實(shí)際生活中振動信號的大小經(jīng)常用加速度來度量，加速度一般通過壓電加速度傳感器進(jìn)行測量。它能將傳感器輸出的微弱電荷信號變換成放大了的電壓信號，同時(shí)又能將傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出。壓電加速度傳感器的輸出需經(jīng)電荷放大器進(jìn)行變換（即電荷．電壓轉(zhuǎn)換），方可用于后續(xù)的放大、處理，因此電荷放大器是加速度測量中必不可少的二次儀表，設(shè)計(jì)性能良好的電荷放大器具有重要意義

第三章 基本原理

1、工作原理分析

圖1 是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路[2 ].圖中Ca 為壓電傳感器等效電容, Cc 為連接電纜電容, Ci 為放大器的輸入電容, Ra 為壓電傳感器的絕緣漏電阻, Ri 為運(yùn)算放大器的輸入阻抗, Cf 是放大器的反饋電容, Rf 為并聯(lián)在反饋電容兩端的漏電阻.在電荷放大器中采用電容負(fù)反饋, 對直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開路,對電纜噪聲比較敏感, 故放大器零漂較大而產(chǎn)生誤差,為減小零漂,使放大器工作穩(wěn)定, Rf 選阻值非常高的電阻(約101010 數(shù)量級所以有(1 + A)Cf》 Ca + Cc + Ci ,此時(shí)Ca、Cc 和Ci 均可忽略不計(jì),當(dāng)Ra、Ri 和Rf

相當(dāng)大時(shí),放大器的輸出電壓可寫為

U0=

?AQQ??

(2)(1?A)CfCf從式(2)可以發(fā)現(xiàn),在使用電荷放大器的測量系統(tǒng)中,電荷放大器的輸出電壓U0 與電荷Q 成正比,與電纜電容Cc 無關(guān),與信號的頻率也沒有關(guān)系.-4

輸出波形

4.2差動放大電路

原理：差分放大器也叫差動放大器是一種將兩個(gè)輸入端電壓的差以一固定增益放大的電子放大器，有時(shí)簡稱為“差放”。

放大倍數(shù)A=R3R1

輸出電壓U0=（U1-U2）?R3R1=（120-118）?21=4V 輸出電壓

輸出波形

4.3交流電橋電路

原理：在交流電橋中，四個(gè)橋臂由四個(gè)阻抗元件，每個(gè)阻抗元件由一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)組成，當(dāng)電容值變化時(shí)引起阻抗變化，從而使輸出電壓發(fā)生變化，后面接比例放大電路將輸出信號放大一定的倍數(shù)。

所以，輸出電壓Uo=Ui*1/4*(ΔZ/Z)*(-R7/R8)=Ui*1/4*(ΔC/C)*(-R7/R8)

電壓U2

輸出電壓U1

4.5整流電路

原理：e2為正半周時(shí)，對D1、D3和方向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、Dl、Rfz、D3通電回路，在Rfz，上形成上正下負(fù)的半波整流電壓，e2為負(fù)半周時(shí)，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2Rfz、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。

輸出波形

4.6二階低通濾波器

原理：它由兩節(jié)RC輸入端之間通過C2引入一個(gè)正反饋。在不同的頻段，反饋的作用效果也有很大的不同，當(dāng)信號頻率f<

>pf時(shí)(pf為截止頻率)雖然1C的容抗很小，但由于2C的容抗很小，使得集成運(yùn)放同相輸入端的信號也很小,輸出電壓必然也很小。所以只允許低頻率信號通過.輸出波形

4.7電荷放大器

原理:在高頻時(shí)，電路中各電阻（Ra、Ri、Rf）的值大于各電容的容抗，以上略去Ra、Ri和Rf討論電路特性是符合實(shí)際情況的。電荷放大器的頻率響應(yīng)上限主要取決于運(yùn)算放大器的頻率特性。

在低頻時(shí)，Ra、Ri與1/jwCc、1/jwCi相比仍可忽略。但Rf與1/jwCf相比就不能忽略了。此時(shí)電荷放大器輸出電壓為

Uo=-jwQ/(1/Rf+jwCf)

（3-8）

上式表明，輸出電壓Uo不僅與Q有關(guān)，而且與反饋網(wǎng)絡(luò)的原件參數(shù)Cf、Rf 和傳感器信號頻率w有關(guān)，Uo的幅值為

Uo=-wQ/[(1+ Rf)2+w2Cf2]?

（3-9）由此可得，電荷放大器的3dB下限截止頻率為

（3-10）

低頻時(shí)，輸出電壓Uo與輸入電荷Q之間的相位差為

φ=arctan[(1/Rf)/wCf]=arctan(1/wRfCf)

（3-11）在

截止頻率處φ=45°。

輸出波形

-***81920-

第三篇：“組合邏輯電路設(shè)計(jì)”的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法

【摘要】采用任務(wù)驅(qū)動法進(jìn)行教學(xué)，通過層層深入的電路設(shè)計(jì)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生完成從單輸出到多輸出、從不含無關(guān)項(xiàng)到存在無關(guān)項(xiàng)、從輸入不需編碼到需要編碼，設(shè)計(jì)多個(gè)符合學(xué)員認(rèn)知規(guī)律，由淺入深的問題。通過對問題的不斷深化和虛擬實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

【關(guān)鍵詞】組合電路設(shè)計(jì)；任務(wù)驅(qū)動教學(xué)；multisim仿真

1.教材和教學(xué)內(nèi)容分析

《數(shù)字電子技術(shù)》是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，教學(xué)過程中涉及到的器件種類較多，知識更新速度快。課程的授課重點(diǎn)是以數(shù)字基本理論為基礎(chǔ)、基本技能為橋梁、綜合創(chuàng)新為目的，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

《組合邏輯電路的設(shè)計(jì)》是組合邏輯電路的重要組成部分，它在課程中起著承前啟后的作用，既是對前面所學(xué)的邏輯電路、真值表、邏輯函數(shù)表達(dá)式以及邏輯代數(shù)等知識的綜合應(yīng)用，又為后續(xù)編碼器、譯碼器等中規(guī)模組合邏輯電路的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

2.教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方法

本次教學(xué)的知識能力目標(biāo)是使學(xué)生熟練掌握組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法及步驟，提高學(xué)生學(xué)以致用的能力。為了調(diào)動學(xué)生的積極性，教學(xué)過程中主要采用“任務(wù)驅(qū)動法”來進(jìn)行教學(xué)，結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生分析任務(wù)探究新知，然后啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際任務(wù)。中間配合使用“類比法”、“討論法”、“仿真法”來達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

3.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法

3.1 任務(wù)一校園歌曲評比電路

（1）創(chuàng)建任務(wù)，導(dǎo)入新知

設(shè)計(jì)一個(gè)“校園原創(chuàng)歌曲評比”考核電路?？己私M由1名主評委和2名副評委組成。每名評委面前有一個(gè)按鈕。只有當(dāng)包括主評委在內(nèi)的2名或2名以上評委認(rèn)為該歌曲合格，按下按鈕，表明是否通過的指示燈才亮。

本設(shè)計(jì)任務(wù)從學(xué)生身邊事件引入，創(chuàng)設(shè)了真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，引導(dǎo)學(xué)生帶著真實(shí)的任務(wù)進(jìn)入學(xué)習(xí)情境，使學(xué)習(xí)直觀化和形象化，將學(xué)生自然而然地引入到學(xué)習(xí)氛圍中。

（2）案例分析，傳授新知

如何設(shè)計(jì)一個(gè)校園歌曲評比電路呢？學(xué)生根據(jù)課前預(yù)習(xí)情況會做出相應(yīng)回答，即跟組合邏輯電路的分析過程順序相反。接下來啟發(fā)學(xué)生對實(shí)際問題進(jìn)行分析，電路有幾個(gè)輸出變量和幾個(gè)輸入變量？每個(gè)變量代表什么含義呢？設(shè)a、b、c代表三名評委面前的按鈕，按按鈕用1表示，不按用0表示，y為評比結(jié)果顯示指示燈，亮用1表示，不亮用0表示，同時(shí)還應(yīng)考慮a為主評委，具有否決權(quán)。要設(shè)計(jì)組合邏輯電路，必須找出輸出變量和輸入變量直接的邏輯關(guān)系，通過教員的啟發(fā)先列出輸入輸出的邏輯關(guān)系表，即真值表（見表1）。

3.2 自主學(xué)習(xí)含無關(guān)項(xiàng)的多輸出任務(wù)

通過任務(wù)1的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本明確了組合電路設(shè)計(jì)的基本步驟。這時(shí)采用層層遞進(jìn)的方式，加大設(shè)計(jì)難度，將輸出量提升到3個(gè)，同時(shí)在邏輯抽象列真值表時(shí)又出現(xiàn)了無關(guān)項(xiàng)問題。這是1個(gè)加強(qiáng)任務(wù)，要求學(xué)生獨(dú)立完成，以此自行消化、吸收、鞏固掌握本次課的知識點(diǎn)的目的。

任務(wù)二：圖4為一個(gè)電開水器的示意圖，a、b、c為水位傳感器，當(dāng)a、b、c電極被淹沒時(shí)，會有信號輸出。當(dāng)水面在ab間時(shí)為正常狀態(tài)，綠燈亮；當(dāng)水面在a以上或bc間時(shí)為異常狀態(tài)，黃燈亮；當(dāng)水面在c以下時(shí)，為危險(xiǎn)狀態(tài)，紅燈亮。試設(shè)計(jì)一個(gè)水位監(jiān)測邏輯電路。

在任務(wù)2中出現(xiàn)了3個(gè)輸出變量問題，初看起來不易設(shè)計(jì)，但引導(dǎo)學(xué)生只要對于一個(gè)具有因果關(guān)系的事件，通過邏輯抽象的方法，列出真值表這一關(guān)鍵的一步，后面幾步就容易了。組織小組討論：水位能不能既高于a又低于b？出現(xiàn)這種不合實(shí)際的情況該怎么辦？這些無關(guān)項(xiàng)如何處理？通過鼓勵學(xué)生開闊思路、創(chuàng)新思維，突破重點(diǎn)難點(diǎn)，也使枯燥、乏味的新課內(nèi)容很流暢的就被“由淺入深”、“化難為易”了。

3.3 小組討論輸入需要編碼的任務(wù)

任務(wù)三：人類有四種基本血型—a、b、ab、o型。輸血者與受血者的血型必須符合下述原則：o型血可以輸給任意血型的人，但o型血只能接受o型血；ab型血只能輸給ab型，但ab型能接受所有血型；a型血能輸給a型和ab型，但只能接受a型或o型血；b型血能輸給b型和ab型，但只能接受b型或o型血。試設(shè)計(jì)一個(gè)檢驗(yàn)輸血者與受血者血型是否符合上述規(guī)定的邏輯電路。如果輸血者與受血者的血型符合規(guī)定電路輸出1。

任務(wù)三的難點(diǎn)在邏輯抽象環(huán)節(jié)，即如何根據(jù)給定邏輯問題確定輸入輸出變量。課堂上將學(xué)生分組，給出一定思考時(shí)間后，組織不同小組的同學(xué)討論設(shè)計(jì)方案。

方案一：輸血者和受血者的血型都有4種血型，共8個(gè)輸入變量，對應(yīng)的真值表過于復(fù)雜。

方案二：對輸入進(jìn)行編碼，用變量ef表示輸血者血型，變量gh表示受血者血型；用兩個(gè)邏輯變量的四種取值分別表示輸血者、受血者血型。

通過學(xué)生分析，得出表達(dá)式并搭建電路?？梢?，任務(wù)三的難點(diǎn)就在于如何正確列出真值表，之后的邏輯化簡、電路搭建等問題都是對前面所學(xué)內(nèi)容的鞏固，并不是本次課的重點(diǎn)。因此，教師可以適時(shí)引入電路設(shè)計(jì)軟件來自動實(shí)現(xiàn)后續(xù)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生耳目一新。

啟動multisim，打開邏輯轉(zhuǎn)換儀面板，在真值表區(qū)點(diǎn)擊e、f、g、h四個(gè)邏輯變量，建立一個(gè)四變量真值表，輸入真值表1。點(diǎn)擊邏輯轉(zhuǎn)換儀面板上“真值表→簡化邏輯表達(dá)式”按鈕，求得簡化的邏輯表達(dá)式如圖5邏輯轉(zhuǎn)換儀面板底部邏輯表達(dá)式欄所示。點(diǎn)擊邏輯轉(zhuǎn)換儀面板上“表達(dá)式→邏輯電路”按鈕，得到用與非門組成的邏輯電路。

這一環(huán)節(jié)面向?qū)嶋H應(yīng)用，通過“教學(xué)互動”；不斷激發(fā)學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生們在教學(xué)過程中體驗(yàn)成功、自我肯定、提升能力。

4.任務(wù)的延伸

本節(jié)課采用“虛實(shí)結(jié)合”、“循序漸進(jìn)”的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法，在教學(xué)中加入仿真驗(yàn)證，把理論知識同實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合起來，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)課程的興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力等方面應(yīng)該有積極的引導(dǎo)作用。

本次教學(xué)的三個(gè)設(shè)計(jì)都是通過小規(guī)模集成電路（ssi）來實(shí)現(xiàn)的。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，組合邏輯電路設(shè)計(jì)的重心和實(shí)際邏輯命題也朝著中規(guī)模（msi）甚至大規(guī)模的方向發(fā)展。目前使用較多的組合邏輯msi有編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)值比較器、奇偶校驗(yàn)/產(chǎn)生器和全加器等，教學(xué)過程中還要引導(dǎo)預(yù)習(xí)后續(xù)課程，在以后的學(xué)習(xí)中用msi重新設(shè)計(jì)這三個(gè)題目，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生舉一反

三、學(xué)以致用的綜合能力。

參考文獻(xiàn)

[1]姜春玲，封百濤.任務(wù)驅(qū)動法在“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)改革中的應(yīng)用[j].中國電子教育，2009（04）：56-59.[2]陳莉平，王紅.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)數(shù)字部分的一次實(shí)踐[j].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，4：75-76.基金項(xiàng)目：本文系“2013海軍大連艦艇學(xué)院教育科研項(xiàng)目”（項(xiàng)目編號：2013-08）的研究成果。

第四篇：ICP加速度傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)2

第二章

ICP加速度傳感器簡介

2.1 壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

2.1.1 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)

壓電式傳感器是由壓電效應(yīng)制作，其機(jī)構(gòu)原理圖如圖2.1所示，它是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換式與自發(fā)電式的傳感器。它的感應(yīng)器件是采用壓電材料制成的。當(dāng)壓電材料受到力作用之后表面會產(chǎn)生一定量的電荷。電荷通過電荷放大器放大、測量電路放大和變換阻抗后就成為與所受外力成正比的電量輸出。它的優(yōu)點(diǎn)是信噪比很高、靈敏度高、頻帶較寬、重量較輕、結(jié)構(gòu)簡單、和工作性能可靠等。缺點(diǎn)則是某些壓電材料需要良好的防水防潮防有害氣體措施，而直流輸出響應(yīng)比較差，這就需要采用電荷放大器來克服這一條件，在缺少電荷放大器的情況下，也可以采用具有高輸入阻抗的電路來滿足要求。

圖2.1壓電式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

2.1.2 典型的電荷放大系統(tǒng)

除了在上面已經(jīng)提到了壓電式傳感器的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)外，它也有自己的缺點(diǎn)，那就是某些壓電材料需要良好的防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，所以一般都需要配套的放大器電路，圖2.2為典型的電荷放大測試系統(tǒng)。

圖2.2 典型電荷放大測試系統(tǒng)

在沖擊與振動測試中應(yīng)用最為廣泛的就是壓電式加速度傳感器，但由于其壓敏元件具有非常高的阻抗，而且它產(chǎn)生的是微弱的電荷信號，因此需要將傳感器產(chǎn)生的高阻抗的輸出信號通過一個(gè)前置放大器轉(zhuǎn)換成低阻抗的信號。

常用的前置放大器可以分為電荷放大器和電壓放大器兩種。雖然電纜分布電容對電荷放大器的干擾不大，靈敏度不會受到太大影響，但是由于當(dāng)彎曲或者振動電纜時(shí)，屏蔽層與絕緣體會因?yàn)榇嬖谙鄬σ苿釉斐赡Σ?，產(chǎn)生靜電荷，從而產(chǎn)生電纜噪聲，同樣的道理，電纜芯線與絕緣體也會因此而對測試產(chǎn)生干擾。結(jié)構(gòu)簡單的電壓放大器盡管，穩(wěn)定性和線性度良好，電纜分布電容的存在會干擾電荷放大器，從而影響到靈敏度。這些情況都會給測試工作帶來較大麻煩，由此ICP傳感器應(yīng)運(yùn)而生[21]。

2.1.3 ICP傳感器測試系統(tǒng)

ICP（Integrated Circuits Piezoelectric）傳感器本質(zhì)就是內(nèi)置了集成電路電荷放大器的壓電傳感器。與前面所講的外部連接前置放大器的壓電傳感器相對比，它彌補(bǔ)了上述的不足。具有代表性的ICP傳感器測試系統(tǒng)通過恒流源供電，并且信號輸出線路直接與供電電纜相連接，輸出的信號為低阻抗形式的信號。整個(gè)測試系統(tǒng)包括ICP加速度傳感器，普通的雙芯電纜和一個(gè)能夠?yàn)閭鞲衅鬟B續(xù)供電的電源模塊。恒流源模塊為ICP傳感器供電，并從中讀取振動信號，典型的ICP測試系統(tǒng)如圖2.3所示：

圖2.3典型的ICP測試系統(tǒng)

2.2 ICP傳感器的選型

ICP加速度傳感器有很多型號，每種型號都有自己適用的某種特定用途。為了使測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度更高，我們需要基于測試系統(tǒng)的適用要求，選擇最合適的ICP傳感器。一般來講，重量，靈敏度和頻率響應(yīng)是選擇ICP加速度傳感器最主要的參考因素。

2.2.1 重量

傳感器自身有質(zhì)量，附加在被測物體上，自然會影響其運(yùn)動狀態(tài)。而如果ICP傳感器的質(zhì)量比較大，或者是被測物體的質(zhì)量比較小，是傳感器接近于被測物體的動態(tài)質(zhì)量，那么被測物體的振動就會由于受到干擾而有所減弱。對于有些被測物體，可能整體質(zhì)量非常大，但在安裝ICP加速度傳感器的部位，典型的比如一些薄壁結(jié)構(gòu)，傳感器的質(zhì)量已經(jīng)與結(jié)構(gòu)的局部質(zhì)量在一個(gè)數(shù)量級或者非常接近，這樣傳感器將會使局部運(yùn)動狀態(tài)受到干擾和影響。因此，在工程實(shí)際中，傳感器的質(zhì)量ma需要遠(yuǎn)小于被測裝置傳感器安裝點(diǎn)的運(yùn)動質(zhì)量m。

因?yàn)槭艿絺鞲衅髻|(zhì)量的干擾，被測裝置的振動加速度a會有所減小，其減小的加速度△a可以使用下式進(jìn)行粗略計(jì)算: △a =a[1-m/(ma+m)]……………………………………………………(式2.1)

2.2.2 靈敏度

系統(tǒng)的信噪比、分辨率和抗干擾能力是與傳感器的靈敏度成正比的。就特定功能的傳感器來講，靈敏度與傳感器的重量成正比，與諧振頻率和量程成反比。因此靈敏度的選擇主要考慮這三個(gè)方面，即重量、量程和頻率響應(yīng)。此外，在滿足這三方面的要求下，我們還要考慮傳感器的靈敏度，當(dāng)然越高越好，這樣有利于提高系統(tǒng)的信噪比。2.2.3 頻率響應(yīng)特性

高頻響應(yīng)特性：ICP傳感器使用手冊給出的上限截止頻率為+10%頻響，粗略計(jì)算為安裝諧振頻率的1/3。在要求上限截止頻率誤差為+5%的情況下，大概為安裝諧振頻率的1/5。如果設(shè)置適當(dāng)?shù)男Ｕ禂?shù)，則在更高的頻率范圍內(nèi)依然能夠獲取非?？煽康臋z測數(shù)據(jù)。

低頻響應(yīng)特性：ICP傳感器使用手冊給出的下限截止頻率為-10%頻響?；鶓?yīng)變、內(nèi)置IC放大電路芯片的下限截止頻率和熱釋電效應(yīng)等環(huán)境特性決定ICP傳感器的低頻響應(yīng)特性。應(yīng)變片式ICP傳感器能夠響應(yīng)靜態(tài)信號。

2.3 ICP傳感器輸出信號的分析

ICP傳感器是由恒流源芯片供電，LM334芯片我們選中12V直流電對其供電，如圖2.4所示：

圖2.4 傳感器接線

圖2.4中，JP1和JP2處就可以接傳感器和引出傳感器的信號（ICP傳感器有兩根引線，它們即是給傳感器供電的線，同時(shí)也是傳感器信號的引出線），若還沒接上傳感器根據(jù)前面對于恒流源電路的分析，那么在JP1和JP2處可以用電流表檢測到4mA的電流，如果沒有檢測到，或者是不為4mA，那么這個(gè)恒流源的電路就沒有搭建好。對我們搭建好的電路進(jìn)行檢測，電流表的示數(shù)為4mA，證明我們所搭建的電路是正確的。查閱資料得知，這個(gè)時(shí)候JP1和JP2之間的電壓應(yīng)該為11V~12V之間，對我們的電路測一下，為11.5V，這是一個(gè)很重要的電壓，對于我們后續(xù)傳感器信號的識別是非常關(guān)鍵的。

再接上我們的ICP傳感器，將其接在JP1處，JP2作為我們信號的輸出引線段，接在示波器上觀察，開啟我們的振動試驗(yàn)平臺，調(diào)節(jié)我們的示波器選著交流耦合方式（也就是濾掉直流分量，只檢測交流分量），觀察示波器同樣得到了一個(gè)正弦信號，信號的頻率和我們振動實(shí)驗(yàn)平臺的激振頻率一樣。說明我們所設(shè)計(jì)的恒流源能夠使我們的ICP傳感器正常工作。再調(diào)節(jié)示波器選擇直流耦合（既測直流信號又測交流信號）觀察示波器發(fā)現(xiàn)，和有一個(gè)直流分量存在。查閱資料上面說ICP傳感器輸出的信號不是基于0V的一個(gè)信號輸出而是帶有9V左右的直流分量的，用電壓表測JP2兩端的電壓，測得一個(gè)9V的電壓。傳感器沒有檢測信號，只要接在了恒流源上面就會產(chǎn)生這樣的一個(gè)信號。示波器上觀察到如圖2.5所示：

圖2.5 ICP傳感器傳輸信號

第五篇：熱電偶溫度傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)與仿真介紹

電子工藝設(shè)計(jì)

錄

第1章 緒 論.........................................................................................................1 1.1 課題背景與意義..........................................................................................1 1.2 設(shè)計(jì)目的與要求..........................................................................................1 1.2.1 設(shè)計(jì)目的...........................................................................................1 1.2.2 設(shè)計(jì)要求...........................................................................................1 第2章 設(shè)計(jì)原理與內(nèi)容...........................................................................................2

2.1 熱電偶的種類及工作原理.............................................................................3

2.1.1熱電偶的種類....................................................................................3

2.1.2 工作原理分析....................................................................................4

2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容......................................................................................................4 2.2.1 總體設(shè)計(jì)...........................................................................................4 2.2.2 原理圖設(shè)計(jì).......................................................................................5 2.2.3 可靠性和抗干擾設(shè)計(jì).......................................................................7 第3章 器件選型與電路仿真...................................................................................8 3.1 器件選型說明..............................................................................................8 3.2 電路仿真......................................................................................................8 第4章 設(shè)計(jì)心得與體會...........................................................................................9 參考文獻(xiàn).....................................................................................................................10 附錄1：電路原理圖...................................................................................................11 附錄2：PCB圖............................................................................................................11 附錄3：PCB效果圖....................................................................................................11

電子工藝設(shè)計(jì)

第1章 緒 論

1.1 課題背景與意義

溫度是一個(gè)基本的物理量，在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中，如機(jī)械、食品、化工、電力、石油、等領(lǐng)域，溫度常常是表征對象和過程狀態(tài)的重要參數(shù)，溫度傳感器是最早開發(fā)、應(yīng)用最廣的一類傳感器。本設(shè)計(jì)中正是關(guān)于溫度的測量，采用熱電偶溫度測量具有很多的好處，它具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，測量范圍廣，精度高，慣性小和輸出信號便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)，熱電偶作為有源傳感器，測量時(shí)不需外加電源，使用十分方便，所以常在日常生活中被應(yīng)用，如測量爐子，管道內(nèi)的氣體或液體溫度及固體的表面溫度。熱電偶作為一種溫度傳感器，通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。熱電偶可直接測量各種生產(chǎn)中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。

1.2 設(shè)計(jì)目的與要求 1.2.1 設(shè)計(jì)目的

(1)了解常用電子元器件基本知識（電阻、電容、電感、二極管、三極管、集成電路）；(2)了解印刷電路板的設(shè)計(jì)和制作過程；(3)掌握電子元器件選型的基本原理和方法；

(4)了解電路焊接的基本知識和掌握電路焊接的基本技巧；

(5)掌握熱電偶溫度傳感器信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，并利用仿真軟件進(jìn)行電路的調(diào)試。

1.2.2 設(shè)計(jì)要求

選用熱電偶溫度傳感器進(jìn)行溫度測量，要求測溫范圍100-300℃、精度為0.1℃。設(shè)計(jì)傳感器的信號調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)以下要求：

（1）將傳感器輸出4.096-12.209mV的信號轉(zhuǎn)換為0-5V直流電壓信號；（2）對信號調(diào)理電路中采用的具體元器件應(yīng)有器件選型依據(jù)；（3）電路的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)內(nèi)容；（4）電路的基本工作原理應(yīng)有一定說明；

（5）電路應(yīng)當(dāng)在相應(yīng)的仿真軟件上進(jìn)行仿真以驗(yàn)證電路可行性

電子工藝設(shè)計(jì)

第2章 設(shè)計(jì)原理與內(nèi)容

2.1 熱電偶的種類及工作原理 2.1.1 熱電偶種類

1、K型熱電偶鎳鉻

Ｋ型熱電偶是抗氧化性較強(qiáng)的賤金屬熱電偶，可測量0～1300℃的介質(zhì)溫度，適宜在氧化性及惰性氣體中連續(xù)使用，短期使用溫度為1200℃，長期使用溫度為1000℃，其熱電勢與溫度的關(guān)系近似線性，是目前用量最大的熱電偶。然而，它不適宜在真空、含硫、含碳?xì)夥占把趸€原交替的氣氛下裸絲使用；當(dāng)氧分壓較低時(shí)，鎳鉻極中的鉻將擇優(yōu)氧化，使熱電勢發(fā)生很大變化，但金屬氣體對其影響較小，因此，多采用金屬制保護(hù)管。Ｋ型熱電偶缺點(diǎn)：

(1)熱電勢的高溫穩(wěn)定性較Ｎ型熱電偶及貴重金屬熱電偶差，在較高溫度下(例如超過1000℃)往往因氧化而損壞；

(2)在250～500℃范圍內(nèi)短期熱循環(huán)穩(wěn)定性不好，即在同一溫度點(diǎn)，在升溫降溫過程中，其熱電勢示值不一樣，其差值可達(dá)2～3℃；

(3)其負(fù)極在150～200℃范圍內(nèi)要發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變，致使在室溫至230℃范圍內(nèi)分度值往往偏離分度表，尤其是在磁場中使用時(shí)往往出現(xiàn)與時(shí)間無關(guān)的熱電勢干擾；

(4)長期處于高通量中系統(tǒng)輻照環(huán)境下，由于負(fù)極中的錳(Ｍn)、鈷(CO)等元素發(fā)生蛻變，使其穩(wěn)定性欠佳，致使熱電勢發(fā)生較大變化。

2、S型熱電偶

該熱電偶的正極成份為含銠10%的鉑銠合金，負(fù)極為純鉑。其特點(diǎn)是：

(1)熱電性能穩(wěn)定、抗氧化性強(qiáng)、宜在氧化性氣氛中連續(xù)使用、長期使用溫度可達(dá)1300℃ 超達(dá)1400℃時(shí)，即使在空氣中、純鉑絲也將會再結(jié)晶，使晶粒粗大而斷裂；(2)精度高，在所有熱電偶中準(zhǔn)確度等級最高，通常用作標(biāo)準(zhǔn)或測量較高溫度；(3)使用范圍較廣，均勻性及互換性好；

(4)主要缺點(diǎn)有：微分熱電勢較小，因而靈敏度較低；價(jià)格較貴，機(jī)械強(qiáng)度低，不適宜在原

電子工藝設(shè)計(jì)

性氣氛或有金屬蒸汽的條件下使用。

3、E型熱電偶(鎳鉻－銅鎳[康銅]熱電偶)Ｅ型熱電偶為一種較新產(chǎn)品，正極為鎳鉻合金，負(fù)極為銅鎳合金(康銅)。其最大特是 在常用的熱電偶中，其熱電勢最大，即靈敏度最高；它的應(yīng)用范圍雖不及Ｋ型偶廣泛但要 求靈敏度高、熱導(dǎo)率低、可容許大電阻的條件下，常常被選用；使用中的限制條件與型相 同，但對于含有較高濕度氣氛的腐蝕不很敏感。

4、N型熱電偶(鎳鉻硅－鎳硅熱電偶)

該熱電偶的主要特點(diǎn)：在1300℃以下調(diào)溫抗氧化能力強(qiáng)，長期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)復(fù)現(xiàn)性好，耐核輻射及耐低溫性能好，另外，在400～1300℃范圍內(nèi)，Ｎ型熱電偶的熱電特性的線性比Ｋ型偶要好；但在低溫范圍內(nèi)(-200～400℃)的非線性誤差較大，同時(shí)，材料較 硬難于加工。

5、J型熱電偶(鐵－康銅熱電偶)

J 型熱電偶：該熱電偶的正極為純鐵，負(fù)極為康銅(銅鎳合金)，具特點(diǎn)是價(jià)格便宜,適 用于真空氧化的還原或惰性氣氛中，溫度范圍從-200～800℃，但常用溫度只在500℃以下，因?yàn)槌^這個(gè)溫度后，鐵熱電極的氧化速率加快，如采用粗線徑的絲材，尚可在高溫中使用且有較長的壽命；該熱電偶能耐氫氣(Ｈ2)及一氧化碳(ＣＯ)氣體腐蝕，但不能在高溫(例如500℃)含硫(Ｓ)的氣氛中使用。

6、T型熱電偶(銅－銅鎳熱電偶)

T型熱電電偶：該熱電偶的正極為純銅，負(fù)極為銅鎳合金(也稱康銅)，其主要特點(diǎn)是： 在賤金屬熱電偶中，它的準(zhǔn)確度最高、熱電極的均勻性好；它的使用溫度是-200～350℃，因銅熱電極易氧化，并且氧化膜易脫落，故在氧化性氣氛中使用時(shí)，一般不能超過300℃，在-200～300℃范圍內(nèi)，它們靈敏度比較高，銅－康銅熱電偶還有一個(gè)特點(diǎn)是價(jià)格便宜，是 常用幾種定型產(chǎn)品中最便宜的一種。

7、R型熱電偶(鉑銠13－鉑熱電偶)該熱電偶的正極為含13%的鉑銠合金，負(fù)極為純鉑，同S 型相比，它的電勢率大15% 左右，其它性能幾乎相同，該種熱電偶在日本產(chǎn)業(yè)界，作為高溫?zé)犭娕加玫米疃?，而在中國，則用得較少。

熱電偶通常分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶兩類。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指制造工藝比

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較成熟，應(yīng)用廣泛，能成批生產(chǎn)，性能優(yōu)良而穩(wěn)定，并以利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化元件中的那些熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶具有統(tǒng)一的分度表，常見的七種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是R型、S型、B型、K型、E型、J型、T型。N型熱電偶為廉金屬熱電偶，是一種最新國際標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶。

2.1.2 工作原理分析

熱電溫度計(jì)是由熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線及測量儀表構(gòu)成的。其中熱電偶是敏感元件, 它由兩種不同的導(dǎo)體A 和B 連接在一起, 構(gòu)成一個(gè)閉合回路, 當(dāng)兩個(gè)連接點(diǎn)1 與2 的溫度不同時(shí), 由于熱電效應(yīng),回路中就會產(chǎn)生零點(diǎn)幾到幾十毫伏的熱電動勢, 記為EAB。接點(diǎn)1 在測量時(shí)被置于測場所, 故稱為測量端或工作端。接點(diǎn)2 則要求恒定在某一溫度下,稱為參考端或自由端, 如圖1 所示。

實(shí)驗(yàn)證明, 當(dāng)電極材料選定后, 熱電偶的熱電動勢僅與兩個(gè)接點(diǎn)的溫度有關(guān), 即.比例系數(shù)SAB 稱為熱電動勢率, 它是熱電偶最重要的特征量。當(dāng)兩接點(diǎn)的溫度分別為t1 , t2 時(shí), 回路總的熱電動勢為 , 式中eAB(t1)、eAB(t2)分別為接點(diǎn)的分熱電動勢。

對于已選定材料的熱電偶, 當(dāng)其自由端溫度恒定時(shí), eAB(t2)為常數(shù), 這樣回路總的熱電動勢僅為工作溫度t1 的單值函數(shù)。所以, 通過測量熱電動勢的方法就可以測量工作點(diǎn)的實(shí)際溫度

圖 1 熱電偶原理圖

2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 2.2.1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)需要測量溫度為100到300度，選用K型熱電偶，在將測量所得電壓進(jìn)行放大

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處理。

K型熱電偶作為一種溫度傳感器，K型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。K型熱電偶可以直接測量各種生產(chǎn)中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。

K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。K型熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。K型熱電偶絲直徑一般為1.2～4.0mm。正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni：Cr=92：12，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)成分為：Ni：Si=99：3，其使用溫度為-200~1300℃。K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性惰性氣氛中廣泛為用戶所采用。K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛.，熱電偶測量輸出的信號為4.096-12.209mV，我們用信號調(diào)理電路將其轉(zhuǎn)換為0-5V直流電壓信號

此信號調(diào)理電路由一個(gè)減法放大器和一個(gè)同相比例放大器組成，減法放大器一端電壓接4.096 mV，這樣在經(jīng)過減法器的時(shí)候電壓變化范圍就會變成4.096-8.113mV，再由比例放大器輸出，就會得到0-5V直流電壓信號.2.2.2 原理圖設(shè)計(jì)

同相輸入放大電路如圖2所示，信號電壓通過電阻RS加到運(yùn)放的同相輸入端，輸出電壓vo通過電阻R1和Rf反饋到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路。

根據(jù)虛短、虛斷的概念有vN= vP= vS，i1=if

于是求得所以該電路實(shí)現(xiàn)同相比例運(yùn)算。同相比例運(yùn)算電路的特點(diǎn)如下 1.輸入電阻很高，輸出電阻很低。

2.由于vN= vP= vS，電路不存在虛地，且運(yùn)放存在共模輸入信號，因此要求運(yùn)放有較高的共模抑制比。

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圖 2 同相比例放大電路

差分式減法運(yùn)算電路

電路原理：差分式減法運(yùn)算電路是利用一級運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的電路，圖1所示。要進(jìn)行運(yùn)算的兩路信號分別由運(yùn)放的同相和反相輸入端送入，這是一種差分輸入方式。由于存在著負(fù)反饋，電路屬于線性電路，因此，可以利用疊加定理分析求解電路輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系。

圖3 減法電路圖

當(dāng)令ui1單獨(dú)作用時(shí)，ui2=0，電路實(shí)質(zhì)是一個(gè)反相輸入比例電路，如圖所示，輸出端電壓

電子工藝設(shè)計(jì)

uo1=-R3*ui1/R2(2-2-1)電阻R2//R3，只起平衡作用，不影響電路輸入輸出關(guān)系。當(dāng)u2單獨(dú)作用時(shí)，令ui1=0,此時(shí)電路實(shí)質(zhì)是所分析的同相輸入比例電路。分析結(jié)果得：

uo2=(1+R3/R2)*Rf*ui2/(R+Ri)(2-2-2)最后，利用疊加定理就可以求出輸入信號ui1和ui2共同作用時(shí)，輸出電壓為 uo=uo1+uo2=-R3*ui1/R2+R3*ui2/R2=R3(ui2-ui1)/R2(2-2-3)若取R3=R2，則有 uo=ui2-ui1從而實(shí)現(xiàn)對輸入信號的減法運(yùn)算。減法運(yùn)算也可以看成是對兩個(gè)輸入信號的差進(jìn)行放大，所以此電路也廣泛應(yīng)用于自動檢測儀器中，實(shí)現(xiàn)對輸入信號的檢測。

2.2.3 可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)

抗干擾的應(yīng)用包括避免強(qiáng)磁場，補(bǔ)償導(dǎo)線加屏蔽動力電纜，與信號線、分開布線、保持距離。系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的原因有很多，在工業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制需要用到各種自動化儀表、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它們之間的信號傳輸既有微弱到毫伏級、微安級的小信號，又有幾十伏，甚至數(shù)千伏、數(shù)百安培的大信號；既有低頻直流信號，也有高頻脈沖信號等等，構(gòu)成系統(tǒng)后往往發(fā)現(xiàn)在儀表和設(shè)備之間信號傳輸互相干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至誤操作。出現(xiàn)這種情況除了每個(gè)儀表、設(shè)備本身的性能原因如抗電磁干擾影響外，還有一個(gè)十分重要的因素就是由于儀表和設(shè)備之間的信號參考點(diǎn)之間存在電勢差，因而形成“接地環(huán)路”造成信號傳輸過程中失真。因此，要保證系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行，“接地環(huán)路”問題是在系統(tǒng)信號處理過程中必須解決的問題。解決“接地環(huán)路”的方法 根據(jù)理論和實(shí)踐分析，有三種解決方案： 第一種方案：所有現(xiàn)場設(shè)備不接地，使所有過程環(huán)路只有一個(gè)接地點(diǎn)，不能形成回路，這種方法看似簡單，但在實(shí)際應(yīng)用中往往很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槟承┰O(shè)備要求必須接地才能保證測量精度或確保人生安全，某些設(shè)備可能因?yàn)殚L期遭到腐蝕和磨損后或氣候影響而形成新的接地點(diǎn)。第二種方案：使兩接地點(diǎn)的電勢相同，但由于接地點(diǎn)的電阻受地質(zhì)條件及氣候變化等眾多因素的影響，這種方案其實(shí)在實(shí)際中無法完全能做到。第三種方案：在各個(gè)過程環(huán)路中使用信號隔離方法，斷開過程環(huán)路，同時(shí)又不影響過程信號的正常傳輸，從而徹底解決接地環(huán)路問題

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第3章 器件選型與電路仿真

3.1 器件選型說明

在熱電偶測溫傳感器信號調(diào)理電路中，用到了電阻、集成運(yùn)算放大器等。具體如下表所示：

表1所用元器件清單表

器件類型 K型熱電偶 電阻 放大器

數(shù)量 1 6 2

單價(jià) 128.00 0.02 2.60

合計(jì) 128.00 0.12 5.20 3.2 電路仿真

Proteus電路仿真軟件功能非常強(qiáng)大，在電路設(shè)計(jì)中，能夠直觀有效的觀察電路的運(yùn)行狀態(tài)，工作點(diǎn)和電路參數(shù)，利用仿真來調(diào)整電路參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)目的，有事半功倍的效果，尤其在單片機(jī)程序調(diào)試過程中，無需搭建實(shí)驗(yàn)電路板，能夠跟Keil C單片機(jī)程序開發(fā)軟件直接聯(lián)調(diào)，方便快捷的調(diào)試單片機(jī)的程序，進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，在儀器的開發(fā)設(shè)計(jì)中，能夠有效地提高效率，減少試驗(yàn)成本，縮短開發(fā)周期。根據(jù)電路原理，將信號放大電路、溫度采集電路、模擬開關(guān)，統(tǒng)一設(shè)計(jì)在一個(gè)電路原理圖中。使用proteus軟件的仿真功能，得到如圖4-1所示：

4-1總體電路圖

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第4章 設(shè)計(jì)心得與體會

本次課程設(shè)計(jì)我們的選題是熱電偶溫度傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)與仿真，通過本周的課程設(shè)計(jì)。我對電子元器件基本知識（電阻、電容、電感、二極管、三極管、集成電路）有了更多的了解，增長了知識也對自己所學(xué)的知識有了新的認(rèn)識，同時(shí)也可以真的切實(shí)的將所學(xué)的知識應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中，這讓我對所學(xué)的課程知識和軟件的認(rèn)知更加深刻，了解了如何利用仿真軟件進(jìn)行簡單的電路的調(diào)試，通過本次課設(shè)，我深刻意識到紙上談兵對知識的認(rèn)知終究只能停留在表面，只有通過實(shí)驗(yàn)才能對知識有更好更深刻的理解與感悟。很高興我能有這個(gè)機(jī)會和大家共同交流學(xué)習(xí)，從中學(xué)到了很多。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)自己對于軟件使用方面仍有不足，在今后應(yīng)該加強(qiáng).-10-

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參考文獻(xiàn)

[1]徐德炳譯，《傳感器的接口及信號調(diào)理電路》，北京：國防工業(yè)出版社，1984年 [2]劉宏，《電子工藝實(shí)習(xí)》，廣州：華南理工大學(xué)出版社，2009年 [3]俞雅珍，《電子工藝技術(shù)》，上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2007年 [4]康華光，《模擬電子技術(shù)》，北京：高等教育出版社，2004年

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附錄1：電路原理圖

附錄2：PCB圖

附錄3：PCB效果圖