【正文】 燕山大學(xué)課 程 設(shè) 計 說 明 書題目： 精密四應(yīng)變片稱重傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計 學(xué)院（系）： 電氣工程學(xué)院 年級專業(yè)： XX 學(xué) 號： XX 學(xué)生姓名： XX 指導(dǎo)教師： XX 教師職稱： XX 燕山大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書院（系）： 基層教學(xué)單位： 學(xué) 號Xx學(xué)生姓名Xx專業(yè)（班級）Xx設(shè)計題目精密四應(yīng)變片稱重傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計 設(shè)計技術(shù)參數(shù)設(shè)計要求工作量工作計劃參考資料指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。年 月 日 燕山大學(xué)課程設(shè)計評審意見表指導(dǎo)教師評語：成績： 指導(dǎo)教師： 年 月 日答辯小組評語：成績： 組長： 年 月 日課程設(shè)計總成績：答辯小組成員簽字：年 月 日 目 錄第1章 摘要…………………………………………………………………………………1第2章 引言…………………………………………………………………………………2 第3章 基本原理……………………………………………………………………………3第4章 參數(shù)設(shè)計及運(yùn)算……………………………………………………………………5 結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………………………………………5 電容設(shè)計與計算……………………………………………………………………8 其他參數(shù)的計算 …………………………………………………………………10 測量電路的設(shè)計 …………………………………………………………………12第5章 誤差分析 …………………………………………………………………………14第6章 結(jié)論 ………………………………………………………………………………16心得體會 ……………………………………………………………………………………17參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………18第1章 摘要在分析重力傳感器信號特性的基礎(chǔ)上，模塊化地設(shè)計了稱重傳感器信號的調(diào)理電路并對其進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：電路能實(shí)時、準(zhǔn)確地處理信號，且工作穩(wěn)定，可靠，重復(fù)性好，抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)精密測量的目的。第2章 引言隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對高精度信號調(diào)理技術(shù)的要求也越來越高。由于傳感器輸出的信號往往存在溫漂、信號比較小及非線性等問題，因此它的信號通常不能被控制元件直接接收，這樣一來，信號調(diào)理電路就成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不可缺少的一部分，并且其電路設(shè)計的優(yōu)化程度直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。在稱重傳感器信號檢測中，檢測精度受到諸多因素的影響，其中電橋激勵電壓源的精度和穩(wěn)定度是影響信號精確度的重要因素之一。電橋輸出與激勵電壓成正比，因此，激勵電壓出現(xiàn)任何漂移都將導(dǎo)致電橋輸出出現(xiàn)相應(yīng)的漂移。并且現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，可能存在粉塵、振動、噪聲以及電磁干擾等，稱重傳感器輸出的幾百微伏至幾十毫伏信號極易受到干擾。所以研究抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時性好的信號變送和傳輸技術(shù)對保證檢測精度具有重要意義。第3章 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計 信號處理電路的要求分析測量電阻有兩種簡單的方法：一種是在電阻上通過恒定電流，并測量電阻兩端的電壓，這需要精密電流源和精密電壓表。電流的任何變化都將視為電阻的變化。此外，阻性傳感器的功耗盡可能的小，以確保自身散熱不造成誤差。另一種是利用電阻電橋測量微小電阻變化，電橋由連成四邊形的四個電阻組成，其中一個對角接激勵電壓源，而另一個對角接電壓檢測器，檢測器將測量兩個分壓電阻中點(diǎn)間的電壓。這種電橋電路在實(shí)際中可以根據(jù)輸出電壓直接觀測出電阻差。第一種方法要求驅(qū)動電流必須小，但是這又限制了該方法的測量精度。根據(jù)設(shè)計要求精密四應(yīng)變片稱重傳感器應(yīng)采用流行的電壓驅(qū)動型電橋,既第二種方法,這樣就確保了檢測信號的精確度和線性度。 綜合了稱重傳感器信號特性及仿真實(shí)驗(yàn)，按第二種方法設(shè)計了調(diào)理電路，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。其中稱重傳感器采用傳感器，提高檢測精度和使加卸載曲線對稱；調(diào)理電路采用5V參考電壓芯片AD588，使輸出為符合設(shè)計要求的電壓輸出，精密齊納二極管型參考源AD588對溫度變化具有極低的激勵漂移和增益。調(diào)理模塊采用精確度高、使用簡易、。圖1 信號調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)圖全器件變化電橋通常采用分立設(shè)計,必須采用特殊的技術(shù)以確保精度.,因此激勵電壓出現(xiàn)任何漂移都將導(dǎo)致電橋輸出出現(xiàn)相應(yīng)的漂移.因此,我們設(shè)計的精密四應(yīng)變片稱重傳感器的電橋具有六個引腳:兩個與電橋輸出端相連,兩個與電橋激勵源相連,設(shè)計出了開爾文(或稱4線),將導(dǎo)線電阻引起的誤差降至最低,.圖2 開爾文傳感器系統(tǒng)該電路中激勵電壓VB并未驅(qū)動電橋,而是先與上精密運(yùn)放的輸入端相連,該運(yùn)放在電橋的(+)+FORCE引腳處會受遠(yuǎn)程電纜電阻的影響而出現(xiàn)明顯壓降,但是通過運(yùn)放+(),FORCE引腳處的壓降將被來自SENSE引腳的反饋校正.在這兩種情況中,傳感器引腳都與運(yùn)放的高阻抗輸入端相連,(+)和()始終等于VB,從而保證遠(yuǎn)程電橋所需的激勵電壓精確不變.開爾文傳感器電橋能有效抑制因?qū)Ь€電阻引起的誤差.穩(wěn)壓模塊主要由比較先進(jìn)的精密齊納二極管型參考源AD588構(gòu)成,AD588具有較低的初始誤差,對溫度變化具有極低的激勵漂移和增益,用于精密測量,能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供5V的穩(wěn)定的參考電壓.在設(shè)計開爾文傳感電路時,(約30mA)所以該電路在運(yùn)放輸出端最好增加電流緩沖級.參考源、,(與標(biāo)準(zhǔn)的350Ω電橋相連).此時也需要運(yùn)放緩沖.因此為了使該電路獲得最高的精度,因此采用簡單的一個三極管就可以實(shí)現(xiàn)緩沖.在這里我們使用2N2219A型的三極管作為緩沖器,與OP177構(gòu)成反饋回路,.　在許多現(xiàn)代電子設(shè)備中, 如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、 醫(yī)療儀器、 信號處理系統(tǒng)等需要對弱信號進(jìn)行高精度處理的場合, 都較普遍地采用了儀器放大器, 常用的儀器放大器有傳統(tǒng)的三運(yùn)放儀器放大器和單片儀器放大器, 因單片儀器放大器具有高精度、 低噪聲及易于控制、 設(shè)計簡單等特點(diǎn)而成為設(shè)計者優(yōu)選的對象。作為著名的模擬電路及數(shù)?；旌想娐返闹圃焐藺D 公司為設(shè)計者提供了許多性能優(yōu)良的單片儀器放大器芯片, 如AD52 AD6 AD624 等已廣泛應(yīng)用到各種電路設(shè)計之中, 這些芯片的電氣性能指標(biāo)各不相同, 但設(shè)計方法大同小異。在我們設(shè)計的信號調(diào)理電路中采用了增益范圍較大, 且精度較高的AD620 芯片作為高精度放大模塊。其結(jié)構(gòu)如圖3所示:圖3 AD620結(jié)構(gòu)功能框圖AD620BN 特點(diǎn) 易于使用通過一個外部電阻設(shè)置增益(增益范圍：1至10000)寬電源電壓范圍(177。 V至177。18 V)具有比三運(yùn)放IA設(shè)計更高的性能提供8引腳DIP和SOIC封裝低功耗, mA 低噪聲輸入電壓噪聲：9 nV/√Hz(1 kHz) 181。V 峰峰值噪聲( Hz至10 Hz) 出色的直流性能(B級)輸入失調(diào)電壓：50 181。V(最大值)輸入失調(diào)漂移： 181。V/176。C(最大值)輸入偏置電流： nA(最大值)共模抑制比：100 dB(最小值,G = 10) 出色的交流特性帶寬：120 kHz (G = 100)%建立時間：15 181。s AD620BN 技術(shù)指標(biāo)如表1.表1Single/Dual SupplyDualVnoise RTI 110 Hz 181。Vpp ppVoltage Supply (Vmax)177。18VTemperature Range55 to +125Gain Setting MethodResistorGain Error (%) max+%Gain Range (min to max)10000Supply CurrentBandwidth G=10 (kHz typ)800kHzPackageDIP,SOICCMRR (dB)93dBVosi (181。V)30181。VAD620 為一個低成本, 高精度的單片儀器放大器, 為 8 腳SO IC 塑封外形(圖4)。圖4 AD620芯片引腳圖該放大器的特點(diǎn)為， 差動輸入， 單端輸出。電壓增益可由一個電阻 RG來確定,且增益連續(xù)可調(diào),并有效地解決了后級負(fù)載對地連接的問題。 Al 、A 2組成了同相高輸入阻抗的差動輸入，差動輸出,并承擔(dān)了全部的增益放大任務(wù)。由于電路結(jié)構(gòu)對稱， 增益改變時,輸入阻抗不變。反饋電阻R1=R2= ， 放大器AA2的共增益、失調(diào)、漂移等誤差均得到了相互補(bǔ)償．后級A3的增益為 1 ，具有較高的共模抑制比和抗干擾能力。 盡管AD620 由傳統(tǒng)的三運(yùn)算放大器發(fā)展而成, 但一些主要性能卻優(yōu)于三運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表放大器的設(shè)計, 如電源范圍寬(177?！?177。18 V ) , 設(shè)計體積小, 功耗非常低( mA ) , 因而適用于低電壓、 低功耗的應(yīng)用場合?！　D620 的單片結(jié)構(gòu)和激光晶體調(diào)整, 允許電路元件緊密匹配和跟蹤, 從而保證電路固有的高性能。AD620 為三運(yùn)放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu), 為保護(hù)增益控制的高精度, 其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入, 并采用B工藝獲得更低的輸入偏置電流, 通過輸入級內(nèi)部運(yùn)放的反饋, 保持輸入三極管的集電極電流恒定, 并使輸入電壓加到外部增益控制電阻R G 上。AD620 , 因而增益方程式為 (1)對于所需的增益, 則外部控制電阻值為 (2)RG為外部增益調(diào)正,增益誤差可≤％，非線性≤％。AD620由于體積小、功耗低、噪聲小及供電電源范圍廣等特點(diǎn)，使AD620特別適宜應(yīng)用到諸如傳感器接口、心電圖監(jiān)測儀、 精密電壓電流轉(zhuǎn)換等應(yīng)用場合。從電路技術(shù)性能上來分析, AD620實(shí)際上是一種低功耗、高精度儀器用、寬帶集成運(yùn)算放大器。 第4章 參數(shù)的計算基本惠斯通電橋如圖5所示:圖5 惠斯通電橋其輸出電壓為: (3)平衡時如果,那么然而,對于大多數(shù)采用電橋的傳感器應(yīng)用來說,因此,即使采用VB=10V的激勵,輸出電壓也只能變化數(shù)十毫伏.很多電橋應(yīng)用中,通常變化的電阻不止一個,有可能是兩個,也就是說所有的元件都發(fā)生變化,其變化如圖6所示:圖6 全器件變化型電橋其輸出電壓為: (4)應(yīng)變片材料選用康銅,～,取K=2。應(yīng)變片電阻選用標(biāo)稱值為的電阻?！?0000。則由公式 (5)得～10000的應(yīng)變片.,由公式(4)得根據(jù)設(shè)計要求信號調(diào)理電路的輸出電壓的范圍為0～,根據(jù)有儀用放大器的增益根據(jù)公式(2)得在我們設(shè)計的電路中選用一個固定的電阻和一個變阻器串聯(lián)作為, 選用1%的值為的標(biāo)準(zhǔn)電阻, 選用的變阻器。通過調(diào)節(jié)的大小，可以獲得所需的增益。第5章 誤差分析 AD620的 誤差分析當(dāng)儀表放大器工作在較高增益時，輸入級的增益也提高。由于增益提高，輸入級貢獻(xiàn)的誤差被放大，而輸出級誤差沒變。因此，在高增益條件下，輸入級誤差起主要作用。輸入誤差是由于放大器的輸入級單獨(dú)貢獻(xiàn)的誤差；輸出誤差是由于放大器的輸出級引起的誤差。我們常常將與輸入端相關(guān)的誤差分類和組合在一起，稱作折合到輸入端(RTI)誤差，而將所有與輸出端相關(guān)的誤差則稱之為折合到輸出端(RTO)誤差。對于給定的增益，儀表放大器的輸入誤差和輸出誤差可使用以下公式計算∶ RTI總誤差= 輸入誤差 + 輸出誤差/增益RTO總誤差= 增益輸入誤差 + 輸出誤差 可以利用在AD620BN的技術(shù)指標(biāo)頁中列出的具體誤差計算工作在增益為25時的總失調(diào)電壓誤差。因?yàn)楸碇辛谐鯝D620(VOSI)的輸入失調(diào)電壓典型值為30μV，它的輸出失調(diào)電壓(VOSO)為400μV，所以RTI總失調(diào)電壓等于∶ RTI總誤差= VOSI＋(VOSO/G) = 30μV＋(400μV/25) = 30μV＋16μV =46μV RTO總失調(diào)電壓等于∶ RTO總誤差=GVOSI＋VOSO = 2530μV＋400μV = 1150μV 應(yīng)當(dāng)注意RTO誤差值比RTI誤差值大25倍。從邏輯上講，這應(yīng)當(dāng)是對的。因?yàn)楫?dāng)增益為25時，該儀表放大器的輸出誤差應(yīng)當(dāng)是其輸入誤差的