仪器仪表电路课程设计概要
目录
1 绪论 (1)
1.1 概述 (1)
1.2 设计任务 (1)
1.3 设计要求 (2)
2 方案确定 (3)
2.1 方案一 (3)
2.2 方案二 (4)
3 方案设计及其仿真 (5)
3.1 震荡电路的设计 (5)
3.2 数据放大器 (7)
3.3 正弦波转换为方波电路 (9)
3.4 移相器电路 (10)
3.5 开关式相敏检波电路 (12)
3.6 低通滤波器电路 (14)
3.7 可调直流放大电路 (15)
3.8 总电路图及其仿真 (16)
4 误差分析 (18)
4.1 设计中存在的误差 (18)
4.2 针对误差采取的措施 (18)
5 元件清单 (19)
6 小结体会 (20)
参考文献 (20)
附录电路原理图
第一章绪论
1.1 概述
我们生活在一个充满着信息的时代，在工业和科技领域信息主要是通过测量
获得，在现代生产中，物质和能量在信息流指挥和控制下运动。在我们的日常生活中，测控技术扮演着非常重要的角色。测控系统主要是传感器，测量放大电路和执行机构三个部分组成，而在测控系统中测量变换电路是最灵活的部分。它的选取往往改变了整个系统性能的优劣。所以，学习并领悟测控电路就显得十分重要了，《仪器仪表电路》是我们测控技术与仪器专业的一门专业技能课，能够运用基本测控电路知识解决日常生活中的方方面面问题也应该是本专业学生的基本素质，也鉴于这些要求，做一些关于测控方面的课程设计就会让我们加深对技术的理解和运用，也正是因为对一些实际问题的研究，才能使我们能够对所学知识有了更深的理解与认识。
1.2 设计任务
初始条件：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。
图
1.1 差动变压器
5 KHz 正弦
交流驱动信号
长线
输出正弦
0-40mVP-P
0-- 20mm
铁芯
○
○
○ ○
1.3设计要求
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。
第二章方案确定
根据课程设计的原理框图，方案选择的重点在于选择检波的方式。通常检波电路大体分为两种。一种的包络检波，另一种叫做相敏检波。其中包络检波又可以细分为二极管与晶体管包络检波和精密全波和半波检波电路，而相敏检波也分为相加式相敏检波和相乘式相敏检波。
传感器数据放大器相敏检波电路低通滤波器正弦驱动电路直流放大器
图2.1 设计原理图
根据此次课程设计的要求就任务特点，既要能够检波，还要对波形的相位加以区分，用来判别传感器一头的位移方向，因此，我选择相敏检波电路来处理信号。
下面，我分别对两种相敏检波电路进行分析，综合他们的特点，选出一种既能符合课程设计要求的又能实现仿真的方案。
2.1方案一：相加式相敏检波电路
相敏检波是可以用信号相加式电路来实现。需要特殊说明的是信号相加只是就其电路形式而言，其实质还是利用参考信号来控制开关的通断，实现输入信号与参考信号的相乘。所不同的是，输入信号与参考信号以相加减的方式加到同一开关器件。对于本次课程设计来说，采用相加式的相敏检波电路就可以直接利用激励信号作为检波的参考信号而且幅值也达到要求，这样就可以省略方波段的电路，利于生产效益的提高。
正弦振荡电路移相器相敏检波电路
图2.2相加式相敏检波原理
2.2方案二：相乘式相敏检波电路
相敏检波电路还可以用信号相乘的方式进行检波。相比于包络检波电路，相乘式相敏检波电路可以鉴别调制信号的相位，可以辨别传感器位移的方向。相乘式相敏检波电路还具有区别信号和噪声的能力，在输入端加入的参考信号可以使非所需频率信号大大衰减，以提高信噪比。对于相加式相敏检波电路而言，相乘式相敏检波电路就具有电路简单，体积较小的优点。
此外，相乘式相敏检波电路它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/ n，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。如果输入信号us为与参考信号uc(或Uc)同频信号，但有一定相位差，这时输出电压uo=Usm/2cos∮，即输出信号随相位差∮的余弦而变化。由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。
正弦振荡电路正弦变方波移相器相敏检波电路
图2.3相乘式相敏检波电路原理
综上所述：检波电路选择相乘式开关相敏检波电路。
第三章 方案设计及其仿真
3.1振荡电路设计
设计要求：要能够自主产生5KHz 的正弦波作为激励信号。 设计方案：RC 振荡电路。
分析： RC 桥式正弦波振荡电路的主要特点是采用RC 串并联网络作为选频和反馈网络，考虑到起振条件AuF > 1, 一般应选取f R 略大2R 1。如果这个比值取
得过大，会引起振荡波形严重失真。 由运放构成的RC 串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入非线性区稳幅，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。 对于该电路来说：激励频率为5K ，则有
ω=1/RC,f=
RC
21
(3-1)
f=5kHz,则有R=1K Ω,C=0.0263uf ，构成RC 并联振荡电路。
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，具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 振荡电路图如下：
图3.1 RC 正弦振荡电路
仿真如下：起振
图3.2 起振仿真波形稳定时：
图3.3 稳定时的仿真波形
频率：
图3.4 正弦波的频率
3.2数据放大器
由于经过传感的变压之后，从变压器次级线圈输出的信号只有mV数量级，再加上电路中的各种噪声和干扰，很难将信号完好地进行处理，因此需要对输出信号要进行第一级放大，放大倍数20到50倍。于是我设计了如下电路对信号进行放大。
图3.5 数据放大器
所用芯片：AD620。它有如下特性：1.精确度高、使用简单、低噪声 2.高输入阻抗：10G Ω||2pF 3.高共模抑制比高(CMR)：100dB 4.低输入抵补电压( Input offset Voltage)：50uV 5.低输入偏移电流(Input bias current)：1.0nA 6.低功耗电流：1.3 mA 7.具有过电压保护功能. 而它的放大电路倍数有：
（3-2）
确定，其中G R =5R ,取放大倍数为25.7，5R =2K Ω。
仿真如下：
图3.6 数据放大器仿真图
3.3 正弦波转换为方波电路
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目的，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0V。以此来转换为方波。
电路图如下：
图3.7 方波转换电路
仿真图如下：
图3.8 方波仿真图
3.4 移相器电路
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，使得相敏检波时，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：
图3.9 移相器电路
仿真如下：
图3.10 移相器仿真图
3.5开关式相敏检波电路
在第二章已经叙述了选择开关式相敏检波电路的原因，此处不再赘述。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：
图3.11 相乘式相敏检波电路
输入信号如下：
图3.12 输入信号波形仿真图检波后仿真如下：
图3.13 相敏检波后波形仿真图
3.6低通滤波器
根据要求，信号经过检波后电路中还存在干扰和噪声，为了等到稳定的输出，还需要对检波后的信号进行滤波，因为此次课程设计的滤波要求不高，而且载波信号的频率远远大于信号的带宽，没有必要采用高成本，高性能的滤波电路。因此，我选用一阶有源滤波器，他不但可以作为滤波器，还可以作为反向放大电路，对最后的信号作出放大。
电路图如下：
图3.14 低通滤波器
根据公式滤波器的转折频率C
R 21=
ω， （3-3） 截止频率为f=C
R 221
π=318Hz ，
仿真如图：
图3.15 低通滤波器仿真图
3.7 直流可调放大电路
由于从滤波器中输出的信号会有衰减，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：
图3.16 反向直流放大电路图
电压表示数为：
图3.17 电压表仿真图
3.8总电路图及其仿真
总体电路图如下:
图3.18 总电路原理图
仿真如下：
图3.19 总体仿真图
第四章误差分析
4.1设计中存在的误差
根据设计要求及情况，特此判断存在如下误差：
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。
4.2消除误差的措施
因此，针对以上误差，作如下分析：
对于共模信号的抑制，在电路设计中采用了741，AD620等高性能的运算放大器，能够有效的抑制共模信号对信号的干扰。
对于长导线及环境里的噪声和干扰信号，在电路中采取了低通滤波器的设计，过滤掉高频的噪声干扰，只留下有用的低频信号，使信号稳定输出。
对于零点残余电压的消除，在电路中采取了相乘式开关相敏检波电路，由于参考信号和输入信号同频，而且参考信号决定了输出信号的频率，故相乘式相加相敏检波电路对于零点残余电压有消除作用。
第五章 元件清单
该设计中所用到的所有元件：
个数 标号
类型
大小
3 871,,R R R 19181615,,,,R R R R
电阻 1K 3 643,,R R R
电阻 3K 1 5R 电阻 2K 1 10R 电阻 10K 1 9R
滑动变阻器 5.5K 2 112,R R
滑动变阻器 10K 2 32,C C
电容 0.0262u 1 1C 4,C
电容 1u 2 21,U U ，765,,U U U
运算放大器 TL022 1 3U
运算放大器 AD620 1 4U 运算放大器 741 1
1Q
三极管
2N3392