第一篇：基于CCD圖像傳感器驅(qū)動電路的設計

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)動電路的設計，驅(qū)動時序參數(shù)可以通過vhdl程序靈活設置。該電路已成功開發(fā)并應用于某型非接觸式位置測量產(chǎn)品中。

關鍵詞：ccd 驅(qū)動時序 放大器

1引言

電荷耦合器件(ccd)是20世紀60年代末期出現(xiàn)的新型半導體器件。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)整電路進行電壓或功率放大再送給用戶：另一種是在此基礎上還包含將其模擬量按一定的輸出格式進行數(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攝像機就指后者，外加機械掃描裝置即可成像[1]。所以根據(jù)不同應用領域和技術指標要求。選擇不同型號的線陣ccd器件，設計方便靈活的驅(qū)動電路與之匹配是ccd應用中的關鍵技術之一。

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。當光入射到ccd的光敏面時，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)光的強弱積聚相應的電荷，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)動電路輸出一個能表示敏感物體光強弱的電信號或標準的視頻信號。基于上述將一維光學信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔⑤敵龅脑恚€陣ccd可以實現(xiàn)圖像傳感和尺寸測量的功能。

3驅(qū)動電路的實現(xiàn)

圖像傳感器tcd1501c的主要技術指標如下：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；光譜響應范圍為400nm-1000nm．光譜響應峰值波長為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工作所需的多路時序脈沖；二是對ccd輸出的原始模擬信號進行處理，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)動時序設計

本部分的設計是基于xilinx公司的cpld xc9572一pc44-10，在ise6.1環(huán)境下開發(fā)實現(xiàn)的。ccd器件需要復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為容性負載，工作頻率高時有一定的功耗，因此需要對cpld輸出的復位脈沖rs、移位脈沖(又稱光積分脈沖)sh、箝位脈沖cp、采樣脈沖sp，以及二相時鐘脈沖φ1e、φ2e等各路驅(qū)動脈沖采用74hc14進行整形和驅(qū)動能力的放大，然后再送至tcd1501c器件的相應輸入端，在ccd的模擬信號輸出端將得到信號0s和補償信號dos。tcdl501c正常工作時要有76個啞像元輸出，一個掃描行周期內(nèi)至少應包含有5 076個時鐘脈沖，即tsh=5076×φ1e0.1μs，在本設計中tsh=5200×φ1e。由此可見，改變時鐘脈沖頻率或增加光積分脈沖周期內(nèi)的時鐘脈沖數(shù)，可以改變光積分周期，通常φ1e的頻率設置為可調(diào)節(jié)的，這樣可以根據(jù)ccd器件的實際應用環(huán)境靈活運用ccd器件的優(yōu)點以改變光積分時間。只要條件允許，為降低ccd的電荷轉(zhuǎn)移損失率。ccd驅(qū)動脈沖的頻率應盡可能小。驅(qū)動脈沖的頻率降低時，可以在示波器上觀察到ccd輸出信號幅值明顯增強。

3.2 基于ad623的ccd輸出信號差分驅(qū)動設計

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，復位脈沖rs每復位一次，ccd輸出一個光脈沖信號。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)，在實際測量電路中可能會由于電阻值的微小不匹配而導致兩個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)]。實際工程應用中，電路工作在一個很大的噪聲源中，如50hz交流電源線的噪聲、設備的開關噪聲、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

在電路設計中選用了adi公司的儀器儀表放大器ad623。ad623集成了3路運放，將視頻信號及其補償輸出分別送至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信號的驅(qū)動能力。選用該器件可消除采用普通運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。本設計方案只要再拓展ad轉(zhuǎn)換部分就可以應用于成像系統(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)換電路設計.（范文模版）

燕山大學

課 程 設 計 說 明 書

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

學院（系): 年級專業(yè)： 學 號： 學生姓名： 項昕 指導教師： 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。其特點是將機械量轉(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)榈洼敵鲎杩埂１疚慕榻B了一種電荷放大器的設計結(jié)構(gòu)及其工作原理,闡述了實驗樣機的工作模式,給出了實驗樣機的實驗結(jié)果。

關鍵詞。壓電傳感器；電荷放大器；放大器設計

第二章 引言

引言 隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，非電物理量的測量與控制技術已越來越廣泛地應用于航天、交通運輸、機械制造、自動檢測與計量等技術領域，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會涉及大量的振動信號，在實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，設計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反饋, 對直流工作點相當于開路,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Ca、Cc 和Ci 均可忽略不計,當Ra、Ri 和Rf

相當大時,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,與信號的頻率也沒有關系.-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輸入端電壓的差以一固定增益放大的電子放大器，有時簡稱為“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，四個橋臂由四個阻抗元件，每個阻抗元件由一個電容和一個電阻并聯(lián)組成，當電容值變化時引起阻抗變化，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，對D1、D3和方向電壓，Dl，D3導通；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，上形成上正下負的半波整流電壓，e2為負半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導通；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引入一個正反饋。在不同的頻段，反饋的作用效果也有很大的不同，當信號頻率f<

>pf時(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，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際情況的。電荷放大器的頻率響應上限主要取決于運算放大器的頻率特性。

在低頻時，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，而且與反饋網(wǎng)絡的原件參數(shù)Cf、Rf 和傳感器信號頻率w有關，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，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：“組合邏輯電路設計”的任務驅(qū)動教學法

【摘要】采用任務驅(qū)動法進行教學，通過層層深入的電路設計任務，引導學生完成從單輸出到多輸出、從不含無關項到存在無關項、從輸入不需編碼到需要編碼，設計多個符合學員認知規(guī)律，由淺入深的問題。通過對問題的不斷深化和虛擬實驗，提高了學生學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

【關鍵詞】組合電路設計；任務驅(qū)動教學；multisim仿真

1.教材和教學內(nèi)容分析

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

《組合邏輯電路的設計》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，既是對前面所學的邏輯電路、真值表、邏輯函數(shù)表達式以及邏輯代數(shù)等知識的綜合應用，又為后續(xù)編碼器、譯碼器等中規(guī)模組合邏輯電路的學習奠定基礎。

2.教學目標和教學方法

本次教學的知識能力目標是使學生熟練掌握組合邏輯電路的設計方法及步驟，提高學生學以致用的能力。為了調(diào)動學生的積極性，教學過程中主要采用“任務驅(qū)動法”來進行教學，結(jié)合學生特點，精心設計任務，引導學生分析任務探究新知，然后啟發(fā)學生運用所學知識解決實際任務。中間配合使用“類比法”、“討論法”、“仿真法”來達到教學目標。

3.任務驅(qū)動教學方法

3.1 任務一校園歌曲評比電路

（1）創(chuàng)建任務，導入新知

設計一個“校園原創(chuàng)歌曲評比”考核電路。考核組由1名主評委和2名副評委組成。每名評委面前有一個按鈕。只有當包括主評委在內(nèi)的2名或2名以上評委認為該歌曲合格，按下按鈕，表明是否通過的指示燈才亮。

本設計任務從學生身邊事件引入，創(chuàng)設了真實的學習情境，引導學生帶著真實的任務進入學習情境，使學習直觀化和形象化，將學生自然而然地引入到學習氛圍中。

（2）案例分析，傳授新知

如何設計一個校園歌曲評比電路呢？學生根據(jù)課前預習情況會做出相應回答，即跟組合邏輯電路的分析過程順序相反。接下來啟發(fā)學生對實際問題進行分析，電路有幾個輸出變量和幾個輸入變量？每個變量代表什么含義呢？設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，同時還應考慮a為主評委，具有否決權(quán)。要設計組合邏輯電路，必須找出輸出變量和輸入變量直接的邏輯關系，通過教員的啟發(fā)先列出輸入輸出的邏輯關系表，即真值表（見表1）。

3.2 自主學習含無關項的多輸出任務

通過任務1的學習，學生基本明確了組合電路設計的基本步驟。這時采用層層遞進的方式，加大設計難度，將輸出量提升到3個，同時在邏輯抽象列真值表時又出現(xiàn)了無關項問題。這是1個加強任務，要求學生獨立完成，以此自行消化、吸收、鞏固掌握本次課的知識點的目的。

任務二：圖4為一個電開水器的示意圖，a、b、c為水位傳感器，當a、b、c電極被淹沒時，會有信號輸出。當水面在ab間時為正常狀態(tài)，綠燈亮；當水面在a以上或bc間時為異常狀態(tài)，黃燈亮；當水面在c以下時，為危險狀態(tài)，紅燈亮。試設計一個水位監(jiān)測邏輯電路。

在任務2中出現(xiàn)了3個輸出變量問題，初看起來不易設計，但引導學生只要對于一個具有因果關系的事件，通過邏輯抽象的方法，列出真值表這一關鍵的一步，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)這種不合實際的情況該怎么辦？這些無關項如何處理？通過鼓勵學生開闊思路、創(chuàng)新思維，突破重點難點，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

任務三：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。試設計一個檢驗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。

任務三的難點在邏輯抽象環(huán)節(jié)，即如何根據(jù)給定邏輯問題確定輸入輸出變量。課堂上將學生分組，給出一定思考時間后，組織不同小組的同學討論設計方案。

方案一：輸血者和受血者的血型都有4種血型，共8個輸入變量，對應的真值表過于復雜。

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

通過學生分析，得出表達式并搭建電路。可見，任務三的難點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內(nèi)容的鞏固，并不是本次課的重點。因此，教師可以適時引入電路設計軟件來自動實現(xiàn)后續(xù)設計，讓學生耳目一新。

啟動multisim，打開邏輯轉(zhuǎn)換儀面板，在真值表區(qū)點擊e、f、g、h四個邏輯變量，建立一個四變量真值表，輸入真值表1。點擊邏輯轉(zhuǎn)換儀面板上“真值表→簡化邏輯表達式”按鈕，求得簡化的邏輯表達式如圖5邏輯轉(zhuǎn)換儀面板底部邏輯表達式欄所示。點擊邏輯轉(zhuǎn)換儀面板上“表達式→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應用，通過“教學互動”；不斷激發(fā)學生的求知欲和學習熱情，讓學生們在教學過程中體驗成功、自我肯定、提升能力。

4.任務的延伸

本節(jié)課采用“虛實結(jié)合”、“循序漸進”的任務驅(qū)動教學方法，在教學中加入仿真驗證，把理論知識同實際應用有機結(jié)合起來，對提高學生學習電子技術課程的興趣、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力等方面應該有積極的引導作用。

本次教學的三個設計都是通過小規(guī)模集成電路（ssi）來實現(xiàn)的。隨著電子技術的發(fā)展，組合邏輯電路設計的重心和實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/產(chǎn)生器和全加器等，教學過程中還要引導預習后續(xù)課程，在以后的學習中用msi重新設計這三個題目，進一步培養(yǎng)學生舉一反

三、學以致用的綜合能力。

參考文獻

[1]姜春玲，封百濤.任務驅(qū)動法在“數(shù)字電子技術”教學改革中的應用[j].中國電子教育，2009（04）：56-59.[2]陳莉平，王紅.電子技術課程設計數(shù)字部分的一次實踐[j].電氣電子教學學報，2008，4：75-76.基金項目：本文系“2013海軍大連艦艇學院教育科研項目”（項目編號：2013-08）的研究成果。

第四篇：ICP加速度傳感器調(diào)理電路設計本科畢業(yè)設計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制作，其機構(gòu)原理圖如圖2.1所示，它是一種機電轉(zhuǎn)換式與自發(fā)電式的傳感器。它的感應器件是采用壓電材料制成的。當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和優(yōu)點外，它也有自己的缺點，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，但是由于當彎曲或者振動電纜時，屏蔽層與絕緣體會因為存在相對移動造成摩擦，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傳感器應運而生[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。整個測試系統(tǒng)包括ICP加速度傳感器，普通的雙芯電纜和一個能夠為傳感器連續(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)量在一個數(shù)量級或者非常接近，這樣傳感器將會使局部運動狀態(tài)受到干擾和影響。因此，在工程實際中，傳感器的質(zhì)量ma需要遠小于被測裝置傳感器安裝點的運動質(zhì)量m。

因為受到傳感器質(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可以使用下式進行粗略計算: △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方面，即重量、量程和頻率響應。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 頻率響應特性

高頻響應特性：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。如果設置適當?shù)男Ｕ禂?shù)，則在更高的頻率范圍內(nèi)依然能夠獲取非常可靠的檢測數(shù)據(jù)。

低頻響應特性：ICP傳感器使用手冊給出的下限截止頻率為-10%頻響。基座應變、內(nèi)置IC放大電路芯片的下限截止頻率和熱釋電效應等環(huán)境特性決定ICP傳感器的低頻響應特性。應變片式ICP傳感器能夠響應靜態(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，那么這個恒流源的電路就沒有搭建好。對我們搭建好的電路進行檢測，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，這個時候JP1和JP2之間的電壓應該為11V~12V之間，對我們的電路測一下，為11.5V，這是一個很重要的電壓，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正弦信號，信號的頻率和我們振動實驗平臺的激振頻率一樣。說明我們所設計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)理電路設計與仿真介紹

電子工藝設計

錄

第1章 緒 論.........................................................................................................1 1.1 課題背景與意義..........................................................................................1 1.2 設計目的與要求..........................................................................................1 1.2.1 設計目的...........................................................................................1 1.2.2 設計要求...........................................................................................1 第2章 設計原理與內(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 設計內(nèi)容......................................................................................................4 2.2.1 總體設計...........................................................................................4 2.2.2 原理圖設計.......................................................................................5 2.2.3 可靠性和抗干擾設計.......................................................................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 設計心得與體會...........................................................................................9 參考文獻.....................................................................................................................10 附錄1：電路原理圖...................................................................................................11 附錄2：PCB圖............................................................................................................11 附錄3：PCB效果圖....................................................................................................11

電子工藝設計

第1章 緒 論

1.1 課題背景與意義

溫度是一個基本的物理量，在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中，如機械、食品、化工、電力、石油、等領域，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)、應用最廣的一類傳感器。本設計中正是關于溫度的測量，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傳等許多優(yōu)點。

同時，熱電偶作為有源傳感器，測量時不需外加電源，使用十分方便，所以常在日常生活中被應用，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 設計目的與要求 1.2.1 設計目的

(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計和制作過程；(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)理電路的設計，并利用仿真軟件進行電路的調(diào)試。

1.2.2 設計要求

選用熱電偶溫度傳感器進行溫度測量，要求測溫范圍100-300℃、精度為0.1℃。設計傳感器的信號調(diào)理電路，實現(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有器件選型依據(jù)；（3）電路的設計應當考慮可靠性和抗干擾設計內(nèi)容；（4）電路的基本工作原理應有一定說明；

（5）電路應當在相應的仿真軟件上進行仿真以驗證電路可行性

電子工藝設計

第2章 設計原理與內(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、含碳氣氛及氧化還原交替的氣氛下裸絲使用；當氧分壓較低時，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，多采用金屬制保護管。Ｋ型熱電偶缺點：

(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，在升溫降溫過程中，其熱電勢示值不一樣，其差值可達2～3℃；

(3)其負極在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往往出現(xiàn)與時間無關的熱電勢干擾；

(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，負極為純鉑。其特點是：

(1)熱電性能穩(wěn)定、抗氧化性強、宜在氧化性氣氛中連續(xù)使用、長期使用溫度可達1300℃ 超達1400℃時，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，在所有熱電偶中準確度等級最高，通常用作標準或測量較高溫度；(3)使用范圍較廣，均勻性及互換性好；

(4)主要缺點有：微分熱電勢較小，因而靈敏度較低；價格較貴，機械強度低，不適宜在原

電子工藝設計

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；它的應用范圍雖不及Ｋ型偶廣泛但要 求靈敏度高、熱導率低、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：在1300℃以下調(diào)溫抗氧化能力強，長期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)復現(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，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，負極為康銅(銅鎳合金)，具特點是價格便宜,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，因為超過這個溫度后，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，負極為銅鎳合金(也稱康銅)，其主要特點是： 在賤金屬熱電偶中，它的準確度最高、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，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特點是價格便宜，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，作為高溫熱電偶用得最多，而在中國，則用得較少。

熱電偶通常分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶兩類。標準化熱電偶是指制造工藝比

電子工藝設計

較成熟，應用廣泛，能成批生產(chǎn)，性能優(yōu)良而穩(wěn)定，并以利用工業(yè)標準化元件中的那些熱電偶。標準化熱電偶具有統(tǒng)一的分度表，常見的七種標準熱電偶是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，是一種最新國際標準化的熱電偶。

2.1.2 工作原理分析

熱電溫度計是由熱電偶、補償導線及測量儀表構(gòu)成的。其中熱電偶是敏感元件, 它由兩種不同的導體A 和B 連接在一起, 構(gòu)成一個閉合回路, 當兩個連接點1 與2 的溫度不同時, 由于熱電效應,回路中就會產(chǎn)生零點幾到幾十毫伏的熱電動勢, 記為EAB。接點1 在測量時被置于測場所, 故稱為測量端或工作端。接點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。

實驗證明, 當電極材料選定后, 熱電偶的熱電動勢僅與兩個接點的溫度有關, 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。當兩接點的溫度分別為t1 , t2 時, 回路總的熱電動勢為 , 式中eAB(t1)、eAB(t2)分別為接點的分熱電動勢。

對于已選定材料的熱電偶, 當其自由端溫度恒定時, 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的實際溫度

圖 1 熱電偶原理圖

2.2 設計內(nèi)容 2.2.1 總體設計

本設計需要測量溫度為100到300度，選用K型熱電偶，在將測量所得電壓進行放大

電子工藝設計

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）的名義化學成分為：Ni：Cr=92：12，負極（KN）的名義化學成分為：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，價格便宜等優(yōu)點，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)理電路由一個減法放大器和一個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 原理圖設計

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

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現(xiàn)同相比例運算。同相比例運算電路的特點如下 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，且運放存在共模輸入信號，因此要求運放有較高的共模抑制比。

電子工藝設計

圖 2 同相比例放大電路

差分式減法運算電路

電路原理：差分式減法運算電路是利用一級運放實現(xiàn)的電路，圖1所示。要進行運算的兩路信號分別由運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系。

圖3 減法電路圖

當令ui1單獨作用時，ui2=0，電路實質(zhì)是一個反相輸入比例電路，如圖所示，輸出端電壓

電子工藝設計

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系。當u2單獨作用時，令ui1=0,此時電路實質(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，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從而實現(xiàn)對輸入信號的減法運算。減法運算也可以看成是對兩個輸入信號的差進行放大，所以此電路也廣泛應用于自動檢測儀器中，實現(xiàn)對輸入信號的檢測。

2.2.3 可靠性和抗干擾設計

抗干擾的應用包括避免強磁場，補償導線加屏蔽動力電纜，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)這種情況除了每個儀表、設備本身的性能原因如抗電磁干擾影響外，還有一個十分重要的因素就是由于儀表和設備之間的信號參考點之間存在電勢差，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)理論和實踐分析，有三種解決方案： 第一種方案：所有現(xiàn)場設備不接地，使所有過程環(huán)路只有一個接地點，不能形成回路，這種方法看似簡單，但在實際應用中往往很難實現(xiàn)，因為某些設備要求必須接地才能保證測量精度或確保人生安全，某些設備可能因為長期遭到腐蝕和磨損后或氣候影響而形成新的接地點。第二種方案：使兩接地點的電勢相同，但由于接地點的電阻受地質(zhì)條件及氣候變化等眾多因素的影響，這種方案其實在實際中無法完全能做到。第三種方案：在各個過程環(huán)路中使用信號隔離方法，斷開過程環(huán)路，同時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

電子工藝設計

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 128.00 0.02 2.60

合計 128.00 0.12 5.20 3.2 電路仿真

Proteus電路仿真軟件功能非常強大，在電路設計中，能夠直觀有效的觀察電路的運行狀態(tài)，工作點和電路參數(shù)，利用仿真來調(diào)整電路參數(shù)達到設計目的，有事半功倍的效果，尤其在單片機程序調(diào)試過程中，無需搭建實驗電路板，能夠跟Keil C單片機程序開發(fā)軟件直接聯(lián)調(diào)，方便快捷的調(diào)試單片機的程序，進行單片機系統(tǒng)的設計開發(fā)，在儀器的開發(fā)設計中，能夠有效地提高效率，減少試驗成本，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，統(tǒng)一設計在一個電路原理圖中。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

電子工藝設計

第4章 設計心得與體會

本次課程設計我們的選題是熱電偶溫度傳感器信號調(diào)理電路設計與仿真，通過本周的課程設計。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的知識有了新的認識，同時也可以真的切實的將所學的知識應用到實踐當中，這讓我對所學的課程知識和軟件的認知更加深刻，了解了如何利用仿真軟件進行簡單的電路的調(diào)試，通過本次課設，我深刻意識到紙上談兵對知識的認知終究只能停留在表面，只有通過實驗才能對知識有更好更深刻的理解與感悟。很高興我能有這個機會和大家共同交流學習，從中學到了很多。同時也發(fā)現(xiàn)自己對于軟件使用方面仍有不足，在今后應該加強.-10-

電子工藝設計

參考文獻

[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，《電子工藝實習》，廣州：華南理工大學出版社，2009年 [3]俞雅珍，《電子工藝技術》，上海：復旦大學出版社，2007年 [4]康華光，《模擬電子技術》，北京：高等教育出版社，2004年

電子工藝設計

附錄1：電路原理圖

附錄2：PCB圖

附錄3：PCB效果圖