2014本科实验设计

一、实验一动力调谐陀螺仪再平衡回路搭建动力调谐陀螺仪模拟再平衡回路，完成信号放大、信号选频、信号解调、控制解耦、控制校正等功能。1.实验任务内容及报告要求：1）分析电路的工作原理，计算电路中的各电阻、各电容的大小，选定元器件。2）联接实验电路，观察各个环节的输入输出波形，并测试所搭建的电路。3）写出试验任务中的分析与计算，包括电路中的各滤波环节的参数选择。4）记录各个电路环节的输入输出波形。5）通过各个环节的具体电路或传递函数，采用Multisim或Labview仿真软件绘制带通滤波、陷波电路、移相电路、校正网络的幅频特性和相频特性曲线，说明仿真分析过程。2.电路参数设计要求：1）前置放大增益：32）带通滤波中心频率放大倍数——01A电路品质因数——1Q带通中心频率——04.8kHz3）相敏解调移相器实现相位180~0可调4）陷波器陷波中心频率——9.6nkHz滤波品质因数——2Q5）积分器积分时间常数1455RC6）校正环节超前角：50°截止频率：100Hz增益：17）增益调节增益变化范围：0.01~18）功率放大增益：13.电路基本原理：1）原理框图与功能介绍典型的动力调谐陀螺仪再平衡回路结构如图1-1所示，该回路由信号器（差动式电感传感器）、前置放大器、选频滤波电路、相敏解调电路、陷波器、解耦网络、校正网络、功率放大和力矩器等组成。陷波网络校正网络驱动电路陀螺马达信号器力矩器相敏解调带通滤波前置放大解耦网络处理及通讯电路解调基准激磁信号输入角速率预处理电路至导航计算机动调陀螺反馈力矩电流图1-1动力调谐陀螺再平衡回路系统组成2）前置放大器电路高精度的前置放大电路一般采用具有三运放结构的仪用放大器，以此来提高系统的抗干扰能力，如图1-2所示。oUiUWR1A2A3A2R4R6R5R8R7R1R3R在实际试验中，如果输入信号比较理想也可以采用一般的反向放大电路，如图1-2三运放放大电路图1-3所示。oU1R2RiU1R2R本实验使用的仪用放大器是INA128，具体电路图1-4如下：图1-4本实验差动放大电路图3）带通滤波电路为了保证有用信号尽可能通过，对滤波器的选频特性要求不高，不需要过高的Q值进行窄带滤波。另外，案例中需要对调制在载波频率（10kHz-20kHz）的调幅信号进行带通滤波，对运算放大器单位增益带宽要求不高。实际使用的带通滤波器结构如图1-5所示，采用即二阶无限增益多路反馈滤波器，选频通过信号器输出的调制信号。2RoU1R3R1C2C3RiU图1-5二阶无限增益多路反馈滤波器电路该电路传函表达式为：+15V-15VRg1V-in2V+in3V-4Rg8V+7V06Ref5TextU101INA12850kR101S_X_in图1-3反向放大电路002001()()1()()()1oisAUsQAsssUsQ（1.1）式中：中心频率放大倍数——30112(1/)RARCC电路品质因数——3121221(1/1/)//RRRQCCCC带通中心频率——031212111()RCCRR合理选择电路参数，使0等于调制频率，品质因数Q一般取1，这样电路的通带宽度较宽，即使激磁频率发生变化或者元件老化引起中心频率偏移，也可以保证激磁频率无阻挡通过。本实验使用芯片为OP07，带通中心频率为4.8KHz，如图1-6。图1-6本实验差动放大电路图4）相敏解调电路此处采用相乘式相敏检波电路。相敏检波电路的主要特点是：除了要有调幅信号外，还要有一个参考信号。通过参考信号可以用来鉴别输入信号的相位和频率，同时作为参考信号需要具有和输入信号一样的频率，因此在实际电路中采用激磁信号作为参考信号。83267451U101OP07R103R101R102C102C101R104+15V-15VS_X_H1_outUiUjzUm滤波器Uo图1-7相敏解调原理设偏角信号为()rt，载波信号（激磁信号）为()2sinmmmtVt，则有：信号器输入信号：()2()sinmmxtkVrtt参考信号：()2sinjzjzUtUt解调输出：2()2()sin()(1cos2)mmjzmmmjzmmUtkkUVrttkkUVrtt式中k为增益值，mk为模拟乘法器系数。偏角信号()rt频率一般较低，从上式可以看出，经过模拟乘法器信号由载波频率二倍频信号和低频信号组成。再经过中心频率为载波频率二倍频的陷波器，输出信号为：()()omjzmmVtkkUVrt由上式可见，调制的信号经过模拟乘法器和陷波器后，复现了陀螺转子的偏角信息。OvjzU3R2R陷波器1RCtm移相电路图1-8相敏解调电路实际中需要注意的是调制的信号经过线路传输和带通滤波会产生一定的附加相移，为了保证检波精度，需要添加移相电路对信号移相以抵消附加相移的影响，保证检波输出的准确性。移相电路如图1-8所示，移相电路传递函数为：12313()(1)RRRCsAsRRCs（1.2）选取12RR，则有：331()1RCsAsRCs，()1As可以得到相位调整函数：32arctanRC调节电阻3R，可以实现相位从1800调节。实际使用的移相电路使用OP07实现，解调芯片为AD835，，具体电路图如下：移相电路乘法解调电路图1-9本实验解调电路图5）陷波电路前面的推导可以看出相敏检波电路的输出包括一个与偏摆信号成线性关系的低频信号和载波二倍频的高频信号。另外，在电路测试中发现，信号器输出的信号还包含一倍电机转子转频的交流信号。该信号虽然不大，但不处理也会影响测试精度。所以，为了提取有用信号，需要滤除载波二倍频信号和电机转频干扰信号。为了不显著改变整个系统的频率特性，以至于影响系统的性能，这里采用陷波网络来滤除载波二倍频和电机转频干扰信号。陷波网络具体包括对相敏检波部分载波信号二倍频的陷波和对电机转频信号的陷波。两组滤波器的组成相同，参数不同。这里采用双T带阻滤波器。具体电路如图1-10所示。+15V-15V83267451U401OP07R403R401R402C401FR_X_outGEHS_X_H1_outY11Y22V-3Z4W5+V6X17X28U201AD835ARS_X_H2_inFR_X_in-5V+5VS_X_H2_out2kR201200R2022RoUiURCC2C1R3R2RR图1-10陷波器电路电路传递函数为：22221()1()()114(1)()()()1nRnnsRCsAssskRCsRCsQ（1.3）式中：陷波中心频率——1nRC分压网络传递系数——23123RRRkRRR滤波品质因数——14(1)RQk对于相敏解调载波二倍频的陷波（10k-40k），此值较大，对系统整体频率特性影响不大，可以选择较小Q值，这样既能达到较好陷波效果，也能兼顾系统的稳定性，Q值可以选择0.5。本实验的陷波电路形式如下图1-11所示：图1-11本实验差动放大电路图6）校正网络电路经过信号预处理以后，下面进行校正电路的设计。校正电路本质就是人为增+15V-15VR311R312C311C312C313R313+15V-15VR314R315S_Y_H3_inS_Y_H3_out83267451U311OP0783267451U312OP07加零极点，改变系统的幅频、相频特性曲线，以获得需要的性能指标。前面的模型分析中，为了兼顾系统的动态性能与稳定性，采用超前校正方式来对整个系统进行校正，全面提高系统的稳定性、动态性能。具体电路实现如图1-12所示：0R2RoUiU1R3RC4RPDKK20/dBdec/adB/fdec0a/fdec90PK1DPDK图1-12反向超前校正网络传递函数：1()1(/)DpDDsAsKKs（1.4）比例增益——231pRRKR微分增益——2341DRRKR微分时间常数——2344(1)DRRRCR本实验校正电路形式如下：图1-13本实验差动放大电路图+15V-15VR705R702R703C701S_X_H7_inS_X_H7_out83267451U701OP07R704R7017）控制解耦电路控制解耦电路的具体电路实现形式如图1-14所示。由积分、加法器构成，用于实现传递函数式1.7中描述的信号处理功能。ROvRxVCOvyV/2RRRjoxV2R3RjoyV1R2R3R1RRRCpRpR12D11D22D21D图1-14控制解耦电路11111()11111ddJJsTsJJHsHDsJHHJsHTssH（1.7）式中，dJTRCH。控制解耦的设计核心在积分器的设计。图1-14、1-15中示例的积分环节是常规米勒积分器，该积分器具有反向结构，输入回路元件为电阻，反馈回路元件使用电容。其传递函数可以表达为：1()AsRCs米勒积分器能否精确实现积分运算的关键在于反向端是否为“虚地”，“虚地”现象保证电容器的充电电流正比于输入电压，也保证了电容器两端的电压在数值上等于输出电压。这也造成了一个问题：不论什么原因引起反向端偏离“虚地”，都将引起积分误差。换句话说，米勒积分器中没有给电容提供良好的充放电回路，造成积分运算误差。另外，米勒积分器中的RC取值范围是有限度的，当取值过小时，积分漂移会随之增大；当取值过大时，电容器漏电和电路寄生参数的影响将有所增强。在实际电路调试中，需要大范围调整积分器的时间常数。米勒积分器的这些问题限制了它在本案例中的应用。基于上面两点问题考虑，作出如下改进：利用两只组件组成如图1-15中所示积分器，该积分器时间常数取值范围很宽的积分运算放大器，它的积分时间常数取值范围可以小到1ns，长到1000s；同时，该电路中积分电容一端接地，构成了完整的充放电回路，因而积分漂移也较米勒积分器有所改善。FRfRFRintRintRintCfRROvRC米勒积分器积分时间常数大范围可调积分器图1-15积分器设计该积分器的传递函数为：intint()1/()fFRAsRCsR（5.6）使用中的积分环节采用积分时间常数范围宽广的运算放大电路。传递函数中intintfdFRTRCR，可以通过改变比值fFRR可以再大范围内调整积分时间常数，有利于解耦参数的实现。本实验解耦电路形式电路图具体如下：图1-16本实验差动放大电路图4.电路说明：具体的电路图见附件，电路的结构已经选好，需根据设计要求进行仿真和计算得到电路参数pdf中有对电路图中具体模块的解释另附上了电路的原理和pcb图83267451U501OP07+15V-15VC501R501R502+15V-15VR503R504R505S_X_H4_out83267451U502OP07R506二、实验二基于电阻应变片的小型电子秤/振动频率测量装置设计1.设计任务：采用电阻应变片设计一个小型电子秤或振动频率测量装置，自行确定测试范围，完成方案设计，制作实物，实现测量和显示功能，提交设计说明书。2.要求完成的主要任务:1)根据测量的需要设计相关测试电路，完成应变电桥输出信号的后续的电路的设计和相关电路参数计算，并绘制电路原理图；2)制作电路；3)对电路进行测试，记录测试数据，对设计的装置进行标定、误差分析；4)实现装置的显示及人机交互功能；5)按设计说明书撰写规范提交一份设计说明书。3.基本原理：1）电子秤原理在载物台上放置被测物时，应变梁会产生相应量的形变。应变梁上粘有横向和纵向的应变片，测量应变梁的形变，通过标定和标度变换可以测得重物的重量。2）振动测量原理当应变梁的振动台受到F(t)作用而振动，使粘贴在应变梁上的应变片产生应变信号dR/R，应变信号dR/R由振荡器提供的载波信号经交流电桥调制成微弱调幅波，再经差动放大器放大,经相敏检波器检波解调和低通滤波器滤除高频载波成分后输出应变片检测到的振动信