【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)和容易被數(shù)字電路所接收等優(yōu)點(diǎn)，因此選用它作為本設(shè)計(jì)的測(cè)速傳感器，其輸出信號(hào)為 ~2V， 50Hz~2021Hz 的正弦波信號(hào)。 放大電路的分析與設(shè)計(jì) 經(jīng)荷重傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬電壓信號(hào)，其信號(hào)幅度很小，是毫伏級(jí)，由于 A/D轉(zhuǎn)換器的接 收 的是 0～ 5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓。所以需要對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大處理，在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換前，將荷重傳感器的輸出信號(hào)放大至 0～ 5V。這里，傳感器的輸出是放大器的信號(hào)源。然而，多數(shù)傳感器的等效電阻均不是常量，它們隨所測(cè)物理量的變化而變。 這樣，對(duì)于放大器而言，信號(hào)源內(nèi)阻 Rs 是變量，根據(jù)電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式 ius usiRAAR +R?? 可知，放大器的放大能力將隨信號(hào)大小而變。為了保證放大器對(duì)不同幅值信號(hào)具有穩(wěn)定的放大倍數(shù)，就必須使得放大器的輸入電阻 RiRs， Ri 愈大，因信號(hào)源內(nèi)阻變化而 引起的放大誤差就愈小。 此外，從傳感器所獲得的信號(hào)常為差模小信號(hào)，并含有較大共模部分，其數(shù)值有內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 18 時(shí)遠(yuǎn)大于差模信號(hào)。因此，要求放大器應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。 綜上所述，我們選用的放大器除具備足夠大的放大倍數(shù)外，還應(yīng)具有高輸入電阻和高共模抑制比。 基本差動(dòng)放大電路的原理分析 圖 38 基本的差動(dòng)放大器電路 如圖 38 所示，基本放大電路由一個(gè)運(yùn)算放大器和四個(gè)匹配的電阻構(gòu)成，共模電壓的存在是大多數(shù)傳感器的特點(diǎn)，共模電壓是電橋中的直流電平或噪聲干擾。假設(shè)運(yùn)算放大器是理想的，根據(jù)零子模型條件，在 兩個(gè)輸入端的電壓相等，且通過(guò)兩輸入端的電流為零，則很容易導(dǎo)出差動(dòng)放大器的運(yùn)算方程 1 4 2 32 4 2O I 1 I 2 o m1 3 4 1 1 3 4R R R RR R RU U 1 U UR R + R R R ( R + R )??? ? ? ? ? ? ? ????? 或改成下式 422312 4 1O I 1 I 2 o m441333RRR1RRR R RU U U URRRR 11??? ? ? ? ? ? ? ??? (33) 式中 Uom——共模輸入信號(hào)電壓。 Uo 的兩個(gè)方程都帶有共模輸入信號(hào)電壓，第一項(xiàng)是反相輸入信號(hào)對(duì)輸出的貢獻(xiàn)；第二項(xiàng)是同相輸入信號(hào)對(duì)輸出的貢獻(xiàn)；第三項(xiàng)是共模輸入信號(hào)對(duì)輸出的影響。顯然這運(yùn)算放大器是理想的，但差動(dòng)放大器的輸出端仍有共模信號(hào)的干擾，主要原因在于差動(dòng)運(yùn)算電路的外部參數(shù)不理想使閉環(huán)共模特性變壞，四個(gè)電阻不匹配和比例失調(diào)是關(guān)鍵因素，若取四個(gè)電阻滿足條件。即： 2413RR? 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 19 則 Uo 的方程可以簡(jiǎn)化為： 2O I 1 I 21RU ( U U )R? ? ? (34) 因此可以看出，四個(gè)電阻匹配的足夠好，相當(dāng)于兩個(gè)差動(dòng)信號(hào)閉環(huán)增益絕對(duì)值相等的條件。此時(shí)，共模輸入信號(hào)對(duì)輸出貢獻(xiàn)為零。實(shí)際上 ，四個(gè)電阻很難做到完全匹配，所以在差動(dòng)放大器輸出端總存在一定大小的共模干擾信號(hào)，在高精度差動(dòng)放大器中，應(yīng)當(dāng)把這個(gè)共模干擾信號(hào)控制在一定的范圍之內(nèi)。 放大電路的設(shè)計(jì) 圖 39 放大電路的設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)單的差動(dòng)放大電路在抗干擾方面存在一定缺陷，在本設(shè)計(jì)中采用的是三個(gè)運(yùn)算放大器組成的增益可調(diào)的高輸入阻抗差動(dòng)式運(yùn)算電路（如圖 39 所示），可有效地抑制共模干擾。電路中 A1和 A2都是同相輸入放大器。如果兩個(gè)運(yùn)算放大器特性相同，則其等效輸入阻抗相近，因而輸入信號(hào) UI1和 UI2的負(fù)載效應(yīng)也一致。電路中 A3是差動(dòng) 放大輸出電路?？勺冸娮?R1跨接在 A1和 A2的反相輸入端， R2和 R3分別為兩個(gè)反饋電阻。根據(jù)理想運(yùn)算放大器條件，可得到： I1A omU =U +U (35) B I2 omU =U +U (36) 式中 ， Uom為加在兩個(gè)輸入信號(hào)源與共端的共模電壓信號(hào)。根據(jù)歐姆定律，很容易得到下列平衡方程組： O 1 A AB21UU UURR? ?? 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 20 B O 2AB13UUUURR?? ? 式中， Uo1和 Uo2分別為 A1和 A2的輸出電壓值，聯(lián)解上述四個(gè)方程組，經(jīng)過(guò)整理可以得到： 22O 1 I 1 I 2 o m11RRU 1 U U U??? ? ? ? ? ????? 33O 2 I 2 I 1 o m11RRU 1 U U U??? ? ? ? ? ????? 把 Uo1和 Uo2送入 A3中，很容易得到運(yùn)算方程： 23fO I 1 I 21RRRU 1 ( U U )RR???? ? ? ? ????? (37) 如果選 R2=R3，則變?yōu)椋? f2O I 2 I 11RRU 1 2 ( U U )??? ? ? ????? (38) 顯而易見(jiàn)，圖 39 所示的放大電路對(duì)差動(dòng)信號(hào)的增益為 (1+2R2/R1)Rf/R，當(dāng)UI1=UI2=UIc 時(shí)，由于 UA=UB=UIc， R1中電流為零， Uo1=Uo2=UIc，輸出電壓 Uo=0?？梢?jiàn)，電路放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。差模放大倍數(shù)數(shù)值愈大，共模抑制比愈高。當(dāng)輸入信號(hào)中含有共模噪聲時(shí)，也將被抑制。不管 電阻 R2和 R1如何不對(duì)稱，對(duì)差模增益的貢獻(xiàn)總是相同的，而對(duì)共模增益則沒(méi)有任何影響。由此可見(jiàn)，改變 R1 將有同樣效果。通過(guò)改變可變電阻 R1 可以連續(xù)調(diào)節(jié)增益而不影響共模抑制能力。末級(jí)放大器 A3 把差動(dòng)輸入變?yōu)閱味溯敵鲂问?，為保證該級(jí)不降低共模抑制能力，電阻 R、 Rf應(yīng)精確匹配。為減少偏置電流的影響，可以把 R2和 R3取得小些，這并不影響差動(dòng)電路的輸入阻抗值。由于差動(dòng)放大器的增益由輸入段決定，所以只有運(yùn)算放大器 A1 和A2的失調(diào)電壓才起重要作用。輸出失調(diào)電壓正比于兩個(gè)運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓之差，所以輸出失調(diào)很少。 荷重傳感器 的測(cè)量電路輸出的電壓滿度值為 20mV，而放大電路的輸出應(yīng)為 0～5V，故 Au=5/= 故我們?nèi)?R1=1K? ， R2 =2K? ， Rf =50K? ， R=1K? ，可滿足設(shè)計(jì)要求。 放大電路的輸入輸出保護(hù) 為了防止輸入信號(hào)超過(guò)量程，造成元器件的損壞以及系統(tǒng)的癱瘓，須對(duì)放大內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 21 電路進(jìn)行相應(yīng)的輸入輸出保護(hù)措施。 圖 310 輸入保護(hù)圖 圖 311 輸出保護(hù)圖 1．輸入保護(hù) 其電路如圖 310 所示，它采用兩個(gè)反向并聯(lián)的限幅二極管，防止信號(hào)過(guò)大或過(guò)小而損壞運(yùn)放。 2．輸出保護(hù) 為防止輸出電壓過(guò)高，接到外部電壓可能過(guò)流或者擊穿，所以需加穩(wěn)壓二級(jí)管構(gòu)成輸出保護(hù)，其電路如圖 311 所示。 3． 濾波電路的設(shè)計(jì) 經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換和放大后的電壓信號(hào)，屬于低頻信號(hào)，容易受測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的干擾和放大電路本身的影響，含有多種頻率成分的噪聲信號(hào)，所以需要用到濾波器。 本設(shè)計(jì)中用到的經(jīng)放大器出來(lái)的信號(hào)為直流低電平，屬低頻信號(hào)，因此在放大器輸出端 要引入低通濾波器。其低通濾波器的作用是：讓直流指定的截止頻率的低頻分量順利的通過(guò)，而使高頻分量受到很大的衰減。采用的是 RC 無(wú)源濾波器，電路如圖312 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 22 圖 312 RC 濾波電路圖 當(dāng)信號(hào)頻率升高時(shí)，電容容抗減小，使輸出電壓幅值下降，因而高頻信號(hào)衰減較多。當(dāng)信號(hào)頻率降低時(shí)電容的容抗增加，信號(hào)基本不受損耗。 圖 313 放大電路總設(shè)計(jì)圖 電路中 取 R=1K? ，電容 C=1000 PF，可得到該濾波電路的上限截止頻率為： fH=（ 2π RC） 1=（ 2π 100010001012） 1=105Hz 由此綜合以上的分析，系統(tǒng)放大電路的總設(shè)計(jì)圖如圖 313 所示。 稱重傳感器與放大器的聯(lián)接 圖 314 稱重傳感器與放大器的四線聯(lián)接 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 23 稱重傳感器一般只有四個(gè)端子，兩個(gè)端子為電源端子，由供橋電壓供給 5~20V直流電壓。另外兩個(gè)端子輸出電阻應(yīng)變片形變所產(chǎn)生的不平衡電壓信號(hào)，直接送往放大器電路（如圖 314 所示）。 速度信號(hào)的脈沖整形 電磁式數(shù)字傳 感器輸出信號(hào)為 ~2V， 50Hz~2021Hz 的正弦波信號(hào)，要想把該信號(hào)送入 8051 單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，必須通過(guò)波形變化將其變?yōu)橥l率的脈沖信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用整形電路中常用到的施密特觸發(fā)器的進(jìn)行波形變換。 施密特觸發(fā)器工作原理分析 施密特觸發(fā)器（ Schmitt Trigger）是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路。它在性能上有兩個(gè)重要的特點(diǎn)： 第一，輸入信號(hào)從低電平上升的過(guò)程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與輸入信號(hào)從高電平下降過(guò)程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。 第二，在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)電路內(nèi) 部的正反饋過(guò)程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。 利用施密特觸發(fā)器的這兩個(gè)特點(diǎn)我們就可以把測(cè)速傳感器輸出的周期變化的正弦交流信號(hào)整形為邊沿陡峭的矩形脈沖信號(hào)，圖 316 所示為門電路組成的施密特觸發(fā)器，下面具體分析它的工作原理。 將兩級(jí)反相器串接起來(lái)，同時(shí)通過(guò)分壓電阻把輸出端的電壓反饋到輸入端，就構(gòu)成了圖 316(a)所示的施密特觸發(fā)器電路。 圖 316 用 CMOS 反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器 (a) 電路 (b) 圖形符號(hào) 假定反相器 G1和 G2是 CMOS 電路，它們的閾值電壓為 VTH≈21 VDD，且 R1R2。 當(dāng) Iv0? 時(shí)，因 G G2 接成了正反饋電路，所以 O OLv V 0??。這時(shí) G1 的輸入39。Iv0? 。 當(dāng) Iv 從 0 逐漸升高并達(dá)到 39。I THv=V 時(shí)，由于 G1進(jìn)入了電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)（放內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 24 大區(qū)），所以 39。Iv 的增加將引發(fā)如下的正反饋 過(guò)程 于是電路的狀態(tài)迅速地轉(zhuǎn)換為 O OH DDv V V??。由此便可以求出 Iv 上升過(guò)程中電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平 VT+。因?yàn)檫@時(shí)有 39。 2I TH T+12Rv V VRR?? ? 所以 1 2 1T+ TH TH22R R RV V 1 VRR???? ? ????? (39) VT+稱為正向閾值電壓。 當(dāng) Iv 從高電平 VDD 逐漸下降并達(dá)到 39。I THv=V 時(shí)， 39。Iv 的下降會(huì)引發(fā)又一個(gè)正反饋過(guò)程 使電路的狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為 O OLv V 0??。由此又可以求出 Iv 下降過(guò)程中電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平 VT。由于這時(shí)有 39。 2I TH D D D D T12Rv V V ( V V ) RR? ? ? ? ? 所以 1 2 1T TH D D22R R RV V VRR??? 將 VDD=2VTH代入上式后得到 1T TH2RV 1 VR??? ? ????? (310) VT稱為負(fù)向閾值電壓。 我們將 VT+與 VT之差定義為回差電壓 ? VT，即 T T+ TΔV =V V (311) 根據(jù)公式 (39)和公式 (310)畫(huà)出的電壓傳輸特性如圖 317(a)所示。因?yàn)?Ov 和 Iv 的高、低電平是同相的，所以也把這種形式的電壓傳輸特性叫做同相輸出的施密特觸發(fā)特性。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 25 圖 317 圖 216 電路的電壓傳輸特性 (a) 同相輸出 (b)反相輸出 如果以圖 316(a)中的 39。Ov 作為輸出端 ， 則得到的電壓傳輸特性將如圖 317(b)所示。由于 39。Ov 與 Iv 的高、低電平是 反相的，所以把這種形式的電壓傳輸特性叫做反相輸出的施密特觸發(fā)特性。 圖 318 用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)波形變換 本設(shè)計(jì)采用同相輸出的施密特觸發(fā)特性來(lái)對(duì)測(cè)速傳感器輸出的交流正弦信號(hào)進(jìn)行脈沖整形，使之變?yōu)橥l率的矩形脈沖信號(hào)以便送入 8051 內(nèi)部的定時(shí) /計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。 通過(guò)改變圖 316(a)所示電路中的 R