仪器仪表课程设计

仿真波形
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3.5 开关式相敏检波电路及其仿真
开关式相敏检波电路的原理是将和被检波信号同频率的方波信号作为参考 信号送到三极管的基极作为基极电压，三极管作为电子开关，当方波信号为高电 平时，三极管导通，运放正向端接地，输出等于负的输入;当方波信号为低电平 时，三极管截止，运放正向端接输入，输出等于输入。因此，只要参考信号与输 入信号的频率相同，便可以实现全波检波。改变参考信号的极性，便可以实现对 输入信号方向的鉴别。 电路图如下：
开关式相敏检波电路
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输入信号如下：
输入信号波形仿真图
检波后仿真如下：
相敏检波后波形仿真图
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3.6 低通滤波器及其仿真
本单元采用压控电压源型滤波电路组成的低通滤波器。 设定 fc=1kHz，则 C1=0.01μF，则根据式 K=100/(fc．C1) 式中 K——电阻换标系数 fc——截止频率比 则 K=10 ，再根据式 Ri=Kri(i=1,2,3) 查表可知：R1=R2=5.3kΩ
第三章 电路模块的设计与仿真
3.1 振荡电路设计
依据本次课设要求，所选器件应简单可行，电路性能优越，故选择以下 RC 文氏电桥振荡器，并通过反向并联二极管对电路进行稳幅。利用电流增大时二极 管动态电阻减小，电流减小时二极管动态电阻增大的特性，加入非线性环节，避 免因正反馈作用造成的输出信号失真现象从而使输出电压稳定，实现等。 本电路采用 LM741 芯片，通过运放 741 及 RC 串联网络构成正负反馈网络达 到选频特性。运放 741 特性:741 是通用运算放大器，是单运放。特点是宽输入 电压、高性能、内补偿运算放大器，功耗低，无需外部频率补偿，其有短路保护 和失调电压调零能力，使用中不会出现闩锁现象，可用作积分器、求和放大器及 普通反馈放大器。 1 1 w= = 2 f=5kHz,则有 R=1KΩ，C=0.0263uF,构成 RC 并联振荡电路.
反向直流放大电路
最终电压表仿真图
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3.8 总电路图及其仿真
总电路原理图
总体仿真图
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Hale Waihona Puke 武汉理工大学《仪器仪表电路设计与实训》课程设计说明书
第四章 小结
这几天可以说是相当的艰难，一开始不知道如何将零散的相关资料点整合 在一张电路图上，在网上查阅了很多资料，有很多资料看不懂，而自己学习的知 识似乎又解决不了问题，这时我才发现原来自己会的真的太少了，仅满足于课本 知识是远远不够的，一个小小的环节调试不出来就要耽误好几天。如今虽然终于 完成了，却丝毫不敢懈怠，深深认识到自身知识的不足，认识到自己有时考虑问 题太过简单，还要对自己有所要求才对，勤加锻炼。 刚开始不会做的时候还不敢和同学讨论，怕会影响自己的想法，后来才发现 只要明确大致方向，同学之间还是可以互相讨论的，因为没有十全十美的电路， 大家都是给出自己的理由选择各自认为最好的方案， 况且同学的一个及时指正可 以使自己少走好多弯路。在此次仪器仪表电路设计的过程中，我觉得自己对课本 上的理论知识的理解加深很多，并且学到了许多教学课本上没提到过的内容。不 仅如此，我还对关于要求的问题有了比较全面的认识，精度对于此种传感器无疑 至关重要，时刻专注于减小误差，提高测量精度。我们了解了很多元件的功能， 并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。 通过动手实践让我们对各个元件印 象更为深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理 的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。 另一方面实际操作时，因为对各种电路没有真正直观的认识，自己曾尝试将 可能的电路都接出来，一个个比较，虽然经过比较筛选很容易不过还是耗费了大 量时间在这上面，看来私下还应该多巩固课本知识，理解电路原理才是掌握了核 心。实践可以加深理解，巩固学习并不能完全代替理论的修习。 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性， 只有把所学的理 论知识与实践相结合起来， 提高自己的实际动手能力和独立思考的能力才能真正 做到学有所用。总而言之，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，虽然在以后的设计还会有很多，但 在领悟到仪器仪表电路的的基本要点之后自己以后能够设计更好的电路， 考虑更 加全面。最后感谢一直以来老师、同学们的帮助。
1.1 概述 ……………………………………………………2 1.2 课设任务 ………………………………………………3 1.3 课设要求 ………………………………………………3
2 方案论证及选择…………………………………………4 3 电路模块的设计与仿真 ………………………………6
3.1 振荡电路设计及其仿真 …………………………………6 3.2 高共模放大电路及其仿真 ………………………………7 3.3 正弦波转方波电路及其仿真 ………………………………9 3.4 移相器电路及其仿真………………………………………10 3.5 开关式相敏检波电路及其仿真………………………………11 3.6 低通滤波器及其仿真………………………………………13 3.7 直流放大器及其仿真………………………………………14 3.8 总电路图及其仿真…………………………………………15
电路图如下：
压控电压源型滤波器
滤波器仿真图
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3.7 直流放大器及其仿真
由于从滤波器中愉出的信号会有衰减，而且经过相敏检波后信号也会有损 失， 因此需要额外设计最后一级放大电路对滤波器输出的直流信号进行可调的放 大，最后得到课程设计的要求为 2V 的直流电压，特设计如下放大电路:
电路图如下：
仿真波形
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3.4 移相器电路及其仿真
由于经过方波转换电路之后，输出的方波和输入的正弦信号存在相位差， 虽然他们的频率相同，但是不同相位，使得相敏检时，由于相位的不同会导致 很多有效的信号被抑制，因而要额外设计一移相器使得方波信号和输入的正弦 信号同相位。 电路图如下：
三运放高共模抑制比放大电路
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仿真前后电压大小
电路仿真波形
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3.3 正弦波转方波电路及其仿真
由于相乘式开关相敏检波电路需要外加参考信号，而且这种参考信号要为 方波信号，为了达到相敏检波的日的，方波的信号频率还要与输入检波的信号相 同，因此， 要将产生的正弦信号经过方波电路转换成方波送给三极管作为电子开 关的信号，以此来进行相敏检波。 将运放接成电压比较器的形式，当信号为正时，输出运放的正向电压+5V, 当信号为负时，输出负向电压-5V，以此来转换为方波。
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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：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（如图所示） ，要求将信号处理为与位移对应的 0--2V 直流信号，以便供 三位半数显表头显示
1.3 课设要求
传感器在测量现场 （1）用长线将信号引出到信号处理单元，因此要考虑抑制共模信号； （2）由于测量现场工况复杂且传感器输出信号由长线引出到后续处理电路，要 考虑抑制干扰信号； （3）由于两次级线圈几何、电、磁等因素的不对称，即使铁芯处于中间位置， 也得不到零输出，总存在驱动信号的正交输出或高频输出，在电路上还要考虑抑 制差动变压器的这一所谓零点残余电压。
双运放高共模抑制比 放大电路 相加式相敏检波电路 无限增益多路反馈型 二阶低通滤波器
同向放大器
正弦驱动电路
0 ～ 2V
方案一
直
三位半数 显表头
三运放高共模抑制
传感器
开关式相敏检波电路
比放大电路
压控电压源型二阶 低通滤波器
反向放大器 正弦驱动电路
0 ～
2V
三位半数 显表头 方案二
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RC 正弦振荡电路
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频率
仿真波形
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3.2 高共模放大电路及其仿真
测量现场需要用长线将信号引出到信号处理单元，因此需要考虑抑制共模 信号。同时，由于差动变压器输出一般为几毫伏到几十毫伏的电压信号，信号较 弱，不利于后面的信号处理工作。因此，采用高共模抑制比放大电路可在抑制共 模信号的同时，将差动变压器的输出信号进行放大。 制比放大电路有双运放高共模抑制比放大电路、 三运放高共模抑制比放大电 路、有源屏蔽驱动电路等，本设计选择三运放高共模抑制比放大电路方案，其不 仅具有很高的共模抑制比，而且增益可调，能够放大很高的倍数。
4 小结…………………………………………………………16
参考文献………………………………………………………16 附录： 元件清单…………………………………………………17
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第一章 绪论
1.1 概述
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。