仪器仪表电路课设报告

武汉理工大学《仪器仪表电路》课程设计说明书1目录第一章绪论……………………………………………………………21.1概论……………………………………………………………21.2课设任务………………………………………………………2第二章方案论证及选择………………………………………………3第三章单元电路设计…………………………………………………63.1放大电路设计…………………………………………………63.2相敏检波电路设计……………………………………………63.3低通滤波器设计………………………………………………73.4直流放大器设计………………………………………………8第四章电路仿真（部分）………………………………………………95.1开关式相敏检波电路仿真……………………………………95.2低通滤波器仿真………………………………………………95.3总电路功能结果仿真…………………………………………10第五章元器件清单……………………………………………………11第六章小结……………………………………………………………13参考文献武汉理工大学《仪器仪表电路》课程设计说明书2第一章绪论1.1概论测控技术自古以来就是人类生活和生产的重要组成部分。最初的测控尝试都是来自于生产生活的需要，对时间的测控要求使人类有了日晷这一原始的时钟，对空间的测控要求使人类有了点线面的认识。现代社会对测控的要求当然不会停留在这些初级阶段，随着科技的发展，测控技术进入了全新的时代。自从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透到测控和仪器仪表技术领域，便使该领域的面貌不断更新。相继出现的智能仪器、总线仪器和虚拟仪器等微机化仪器，都无一例外地利用计算机的软件和硬件优势，从而既增加了测量功能，又提高了技术性能。由于信号被采集变换成数字形式后，更多的分析和处理工作都由计算机来完成，故很自然使人们不再去关注仪器与计算机之间的界限。近年来，新型微处理器的速度不断提高，采用流水线、RISC结构和cachE等先进技术，又极大提高了计算机的数值处理能力和速度。在数据采集方面，数据采集卡、仪器放大器、数字信号处理芯片等技术的不断升级和更新，也有效地加快了数据采集的速率和效率。与计算机技术紧密结合，已是当今仪器与测控技术发展的主潮流。对微机化仪器作一具体分析后，不难见，配以相应软件和硬件的计算机将能够完成许多仪器、仪表的功能，实质上相当于一台多功能的通用测量仪器。测控技术与仪器专业是信息科学技术的源头，是光学、精密机械、电子、电力、自动控制、信号处理、计算机与信息技术多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。它的涉及面广，小到生产过程自动控制，大到火箭卫星的发射及监控。由于对自动控制及精度的严格要求，测控技术与仪器成为不可或缺的专业。1.2课设任务测控系统由传感器、电路和执行机构组成。电路时测控系统中最为灵活的部分。可以通过改变电路，达到获得不同信号的目的。此次课设任务就是着重于此。具体任务为：某差动变压器传感器用于测量位移，当所测位移在0—20mm范围时（铁芯由中间平衡位置往上为正，往下为负），其输出的信号为正弦信号0—40mVP-P，要求将信号处理为与位移对应的0--2V直流信号。武汉理工大学《仪器仪表电路》课程设计说明书3第二章方案论证及选择课设任务是将0-40mVpp转化为0--2V的直流电，参考0—20mm的位移移动，故要考虑正反相的问题。故要在整体电路中考虑相敏检波电路。故整体思路是由正弦振荡电路激发电路工作，将输出通过放大电路进行信号放大，再进入相敏检波电路进行判断正负，最后进入滤波器去除噪声。每块单元电路都有不同类型的电路可供选择。正弦振荡电路：（1）、RC正弦波振荡电路：桥式振荡电路、双T网络式和移相式振荡电路等类型；（2）、LC振荡电路等。放大电路：（1）、反相放大电路；（2）、同相放大电路；（3）差动放大电路；（4）、高共模抑制比放大电路等等。相敏检波电路：（1）、相乘式相敏检波电路；（2）、相加式相敏检波电路。低通滤波器：（1）、一阶滤波；（2）、压控电压源型滤波；（3）、无限增益多路反馈型滤波等。选择了以下两种方案：方案一：整体电路图如下：传感器差分仪放电路相加式相敏检波器压控电压源低通滤波器0～2V直流桥式振荡电路微分电路武汉理工大学《仪器仪表电路》课程设计说明书4图2-1方案一整体电路图方案二：方案一和方案二都可以实现正弦信号0—40mVP-P，要求将信号处理为与位移对应的0--2V直流信号。方案一中RC正弦桥式振荡器作为激发电路，但是在实际操作中，由于软件的原因不能正常输出，及时正常输出信号不稳定，故选择了Mulsitim软件中信号发生器输出5000Hz、20mv的信号。相乘式相敏检波电路具有可以鉴别调制信号相位，区别信号与噪声的能力。在开关式相敏检波电路中加入参考信号方波使用芯片提高方波输出的精准度。综合考虑，方案二电路简单，同样能达到目的。故选择方案二。整体电路图如下：传感器反相放大电路开关式相敏检波器压控电压源低通滤波器0～2V直流正弦信号发生器反相放大电路电路武汉理工大学《仪器仪表电路》课程设计说明书5图2-2方案二整体电路图武汉理工大学《仪器仪表电路》课程设计说明书6第三章单元电路设计3.1放大电路设计图3-1放大单元设计电路图本单元输入Ui=20mv，设定放大50倍，运用反相放大电路，则闭环增益：Kf=-R2/R1(3-1)式中R2=R4=5kΩ，R1=R2=0.1kΩ，Kf=-50反相增大50倍。同理串联一个增益为-1的反相放大器。最终成功放大50倍。3.2相敏检波电路设计图3-2开关式相敏检波电路设计电路图此单元中，R3=R6=R7=100kΩ，故放大倍数为-1。在Uc=1的半周期，同相输入端接地，Us只从反相输入端输入，放大器的放大倍数为-1，输出信号Uo如图3-3实线所示。在Uo=0的半周期，V截止，us同时从输入端和反相输入端输入，武汉理工大学《仪器仪表电路》课程设计说明书7放大器的放大倍数为+1，输出信号uo如图3-3中虚线所示。图3-3开关式全波相敏检波电路3.3低通滤波器设计本单元采用压控电压源型滤波电路组成的低通滤波器。电路图如3-4。图3-4压控电压源型滤波器设定fc=1kHz，则C1=0.01μF，则根据式（3-2）K=100/(fc．C1)(3-2)式中K——电阻换标系数fc——截止频率比则K=108，再根据式（3-3）武汉理工大学《仪器仪表电路》课程设计说明书8Ri=Kri(i=1,2,3)(3-3)查表可知：R1=R2=5.3kΩ最终输出电压仿真输出为620mV。3.4直流放大器设计图3-5反相放大器电路图为输出2V电压，由公式（3-1）可得R1：R17=31:100。故取R1=3.1kΩ，R17=1kΩ。最后将620mV电压放大为2V。由于存在误差，最后结果近似等于2V。武汉理工大学《仪器仪表电路》课程设计说明书9第四章电路仿真（部分）5.1开关式相敏检波电路仿真图5-1开关式相敏检波电路仿真图5.2低通滤波器电路仿真图5-2低通滤波器输出仿真武汉理工大学《仪器仪表电路》课程设计说明书105.3总电路功能结果仿真图5-3总电路输出仿真武汉理工大学《仪器仪表电路》课程设计说明书11第五章元器件清单表1元器件清单列表标号大小型号C1C5R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14R15R16R17U1U2U3U4U5U6V10.1uF50nF3.1kΩ0.1kΩ100kΩ5kΩ50kΩ100kΩ100kΩ5.3Ω10kΩ34Ω5.3Ω10kΩ10kΩ10kΩ1kΩ10kΩ1kΩLM324ADLM324ADOP07AHLM324AD4066BD＿5VLM324AD5kHz5V电容电容电阻电阻电阻电阻电阻电阻电阻电阻电阻电阻电阻电阻电阻电阻电阻电阻电阻运放运放运放运放芯片运放电源武汉理工大学《仪器仪表电路》课程设计说明书12VCCVCCVCCVDDVEEVSS5V5V5V5V-5V0V电源电源电源电源电源电源武汉理工大学《仪器仪表电路》课程设计说明书13第六章小结本次课程设计，设计任务基本达到。因为两个课设时间冲突，所以在同段时间里完成两门课设确实有一定的难度。但还是很努力去做，最后按时完成。课程设计是一个将所学理论应用于实际的过程，也是一个不断探索、不断尝试、不断学习的过程我也从中学到了不少知识。从测量电路到放大电路的选择，滤波电路的选择，让我深刻体会到理论与实践是密切相关的，感谢老师给了我们动手、动脑的机会，能让我们用自己所学的知识去解决一些问题仪器仪表课设结合模电、数电、测控电路等学科，交融性很强。对于我们测控技术与仪器专业的学生来讲，一定要端正学习态度，保质保量的去完成培养计划的任务。本学期有两门课设，现在想来这两门其实测控系统中最重要的两部分，也是我们应该掌握的必备技能。在此课程设计中，我才知道原来自己有那么多地方在平时的学习中并没有完全掌握，明明很简单的问题需想很久才能够记起。这说明知识点不扎实。所以在设计中遇到很多困难。好在通过查阅资料，同学间相互讨论最后将问题解决。希望以后能多有这样的机会锻炼自己的动手能力。这次设计虽然结束了，但是，它的指导意义却是永久的。它锻炼了我们的实战能力，让我们用所学知识做出可行的电路，不仅是对知识的一种升华，更是对自己专业素养的一中考验。这对以后的工作也产生很大的帮助，为以后在工作中能否出色完成任务打下良好的基础。参考文献：[1]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1988.[2]李刚,林凌.现代仪器电路[M].北京：高等教育出版社，2004.[3]黄爱萍.数字信号处理[M].北京：机械工业出版社，1991.[4]张建民.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，1988.[5]强锡富.传感器[M].3版.北京：机械工业出版社，2001.