【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 DHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。DS 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換部分指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵隽哭D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分?，F(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代，在信息時(shí)代人們的社會(huì)活動(dòng)將主要依靠對(duì)信息資源的開(kāi)發(fā)和獲取 、傳輸和處理，而傳感器處于自動(dòng)檢測(cè)與控 制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測(cè)信息的窗口；傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息，都要通過(guò)它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號(hào)。因此，傳感器的地位與作用特別重要。 稱(chēng)重傳感器在電子秤中占有十分重要的位置，被喻為電子秤的心臟部件，它的性能好壞很大程度上決定了電子秤的精確度和穩(wěn)定性。通常稱(chēng)重傳感器產(chǎn)生的誤差約占電子秤整機(jī)誤差的 50%~70%。若在環(huán)境惡劣的條件下（如高低溫、濕熱），傳感器所占的誤差比例就更大，因此，在人們?cè)O(shè)計(jì)電子秤時(shí)，正確地選用稱(chēng)重傳感器非常重要。 稱(chēng)重傳感器的種類(lèi)很多 ，根據(jù)工作原理來(lái)分常用的有以下幾種： 電阻應(yīng)變式、電容式、壓電式等。 一 壓電傳感器 壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱(chēng)自發(fā)電式傳感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應(yīng)的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。 壓電傳感器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，適用于動(dòng)態(tài)力學(xué)量的測(cè)量，不適合測(cè)頻率太低的被測(cè)量，更不能測(cè)靜態(tài)量。目前多用于加速度和動(dòng)態(tài)力或壓力的測(cè)量。壓電器件的弱點(diǎn)：高內(nèi)阻、小功率。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性，這對(duì)外接電路要求很高。 二 電容式傳感器 電容式傳感器是 將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感器。它有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。電容傳感器可用來(lái)檢測(cè)壓力、力、位移以及振動(dòng)學(xué)非電參量。 電容傳感器的基本工作原理可用最普通的平行極板電容器來(lái)說(shuō)明。兩塊相互平行的金屬極板，當(dāng)不考慮其邊緣效應(yīng)（兩個(gè)極板邊緣處的電力線(xiàn)分布不均勻引起電容量的變化）時(shí)，其電容量為 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。DS dAC or??? （ ） 式（ ）中 d —— 兩極板間的距離； A—— 兩平行極板相互覆蓋的有效面積； r? —— 介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； o? —— 真空中介電常數(shù)。 若被測(cè)量的變化使式中 d 、 A、 r? 三個(gè)參量中任一個(gè)發(fā)生變化，都會(huì)引起電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出 [4]。 雖然電容式傳感器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和良好動(dòng)態(tài)特性等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也有不利因素： （ 1）小功率、 高阻抗。受幾何尺寸限制，電容傳感器的電容量都很小，一般僅幾皮法至幾十皮法。因 C 太小，故容抗 CX =1/? C 很大，為高阻抗元件，負(fù)載能力差；又因其視在功率 P= 2ou ? C ， C很小，則 P 也很小。故易受外界干擾，信號(hào)需經(jīng)放大，并采取抗干擾措施。 （ 2）初始電容小，電纜電容、線(xiàn)路的雜散電路所構(gòu)成的寄生電容影響很大。 三 電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是 一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片即可單獨(dú)作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器。 導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換為△ R/R 后，由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻變化一般都很微小，難以直接精確測(cè)量，且不便處理。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的△ R/R 變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測(cè)量電橋。 直流電橋的特點(diǎn)是信號(hào)不會(huì)受各元件和導(dǎo) 線(xiàn)的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)變的輸出信號(hào)小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。 下圖為一直流供電的平衡電阻電橋， inE 接直流電源 E： DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。DS )( 43 421 1 RR RRR RE ????))(( 4321 4231 RRRR RRRRE ?? ??? ?? ?? ?)()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo ?????????? ??????ERR??? 圖 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 當(dāng)電橋輸出端接無(wú)窮大負(fù)載電阻時(shí)，可視輸出端為開(kāi)路，此時(shí)直流電橋稱(chēng)為電壓橋，即只有電壓輸出。 當(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時(shí)，由分壓原理有： ADABBDo uuuu ??? = （ ） 當(dāng)滿(mǎn)足條件 R1R3=R2R4時(shí)，即 3421 RRRR ? （ ） ou =0，即電橋平衡。式（ ）稱(chēng)平衡條件。 應(yīng)變片測(cè)量電橋在測(cè)量前使電橋平衡，從而使測(cè)量時(shí)電橋輸出電壓只與應(yīng)變片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。 若差動(dòng) 工作，即 R1=R△ R,R2=R+△ R,R3=R△ R， R4=R+△ R,按式（ ），則電橋輸出為 Ek?? () 應(yīng)變片式傳感器有如下特點(diǎn)： （ 1）應(yīng)用和測(cè)量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機(jī)械量傳感器。 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。DS （ 2）分辨力和靈敏度高，精度較高。 （ 3）結(jié)構(gòu)輕小，對(duì)試件影響小， 對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。 （ 4）商品化 ，使用方便，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化測(cè)量。 通過(guò)以上對(duì)傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。題目要求稱(chēng)重范圍 0～ ,分辨率為 1g，考慮到秤臺(tái)自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱(chēng)重 。我們選擇的是電阻應(yīng)變片壓力傳感器，量程為 5Kg，精度為% ，滿(mǎn)足本系統(tǒng)的精度要求。 經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號(hào)一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變換后的信號(hào)亦難以直接用來(lái)顯示、記錄、控制或進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。為此，測(cè)量電路中常設(shè)有模擬放大環(huán) 節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運(yùn)算放大器的基本元件構(gòu)成具有各種特性的放大器來(lái)完成。 放大器的輸入信號(hào)一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號(hào)不僅電平低，內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此，一般對(duì)放大器有如下一些要求： 輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻。否則，放大器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)使所測(cè)電壓造成偏差。 抗共模電壓干擾能力強(qiáng)。 在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準(zhǔn)確的增益、良好的線(xiàn)性，輸入漂移和噪聲應(yīng)足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。 能附加一些適應(yīng)特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調(diào)整、方 便準(zhǔn)確的量程切換、極性自動(dòng)變換等。 綜合以上要求，我們采用了最為簡(jiǎn)單的反相比例運(yùn)算電路來(lái)實(shí)現(xiàn)放大的功能。 反相比例運(yùn)算電路 （ 1）電路的組成 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。DS 圖 反相比例電路 反向比例運(yùn)算電路的組成如圖 所示。由圖可見(jiàn)，輸入電壓 ui通過(guò)電阻 R1加在運(yùn)放的反向輸入端。 Rf是溝通輸出和輸入的通道，是電路的反饋網(wǎng)絡(luò)。 同向輸入端所接的電阻 RP為電路的平衡電阻，該電阻等于從運(yùn)放的同向輸入端往外看除源以后的等效電阻，為了保證運(yùn)放電路工作在平衡的狀態(tài)下， 同相輸入端的電阻應(yīng)該取 RP =R1//Rf （ 2）電 壓放大倍數(shù) 圖 反相比例運(yùn)算電路 理想運(yùn)算放大器組成的反相比例運(yùn)算電路見(jiàn)圖 ，顯然是一個(gè)電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。 在輸入信號(hào)作用下，輸入端有電流 iI、 i′ I 、 if 。 根據(jù)虛斷的特性有 i39。I ?0 （ ） 于是 iI ? if （ ） 根據(jù)虛短的特性，有 u+ ? u （ ） DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。DS 所以 （ ） 放大倍數(shù) Au 為 （ ） （ 3）反向比例運(yùn)算電路的輸入電阻 （ ） 為了保證運(yùn)放電路工作在平衡的狀態(tài)下， 同相輸入端的電阻應(yīng)該取 RP =R1//Rf （ 4）由于反向比例運(yùn)算電路具有虛地的特點(diǎn)。所以共模輸入電壓為 （ ） 反相比例運(yùn)算電路由于具有“虛地”的特點(diǎn)，運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端均為 0 電位，所以反相比例運(yùn)算電路的 共模輸入電壓等于 0。 前級(jí)放大電路 圖 放大電路圖 1fiou RRuuA ???fo1I RuRu ??1IIIIi 0 RiuiuR ????DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。DS A/D 轉(zhuǎn)換器 方案比較 A/D 轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這一部分處理不好，會(huì)使得整個(gè)設(shè)計(jì)毫無(wú)意義。 目前，世界上有多種類(lèi)型的 ADC，有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、積分型 ADC，也有近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的 ∑ Δ 型和流水線(xiàn)型 ADC， 多種類(lèi)型的 ADC 各有其優(yōu)缺點(diǎn)并能滿(mǎn)足不同的具體應(yīng)用要求。目前， ADC集成電路主要有以下幾種類(lèi)型 ： （ 1） 并行比較 A/D 轉(zhuǎn)換器： 如 ADC080 ADC0809等 。 并行比較 ADC 是現(xiàn)今速度最快的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率在 1GSPS 以上，通常稱(chēng)為 “ 閃爍式 ” ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器四種分組成。這種結(jié)構(gòu)的 ADC 所有位的轉(zhuǎn)換同時(shí)完成，其轉(zhuǎn)換時(shí)間主取決于比較器的開(kāi)關(guān)速度、編碼器的傳輸時(shí)間延遲等。 (2） 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器：如： ADS780 ADS7804 等。 逐次逼近型 ADC 是應(yīng)用非常廣泛的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換方法，這一類(lèi)型 ADC的優(yōu)點(diǎn)：高速，采樣速率可達(dá) 1MSPS；與其它 ADC 相比，功耗相當(dāng)?shù)?；在分辨率低?12 位時(shí)，價(jià)格較低。缺點(diǎn)：在高于 14 位分辨率情況下，價(jià)格較高；傳感器產(chǎn)生的信號(hào)在進(jìn)行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要進(jìn)行 調(diào)理，包括增益級(jí)和濾波，這樣會(huì)明顯增加成本。 (3） 積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器：如： ICL713 ICL710 ICL154 MC14433 等。 積分型 ADC 又稱(chēng)為雙斜率或多斜率 ADC， 是應(yīng)用比較廣泛的一類(lèi)轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是通過(guò)兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔。與此同時(shí)，在此時(shí)間間隔內(nèi)利用計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換。積分 型 ADC 兩次積分的時(shí)間都是利用同一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器和計(jì)數(shù)器來(lái)確定，因此所得到的表達(dá)式與時(shí)鐘頻率無(wú)關(guān)，其轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓 VR。 此外，由于輸入端采用 了積分器，所以對(duì)交流噪聲的干擾有很強(qiáng)的抑制能力。若把積分器定時(shí)積分的時(shí)間取為工頻信號(hào)的整數(shù)倍，可把由工頻噪聲引起的誤差減小到最小，從而有效地抑制電網(wǎng)的工頻干擾。這類(lèi) ADC 主要應(yīng)用于低速、精密測(cè)量等領(lǐng)域，如數(shù)字電壓表。其優(yōu)點(diǎn)是：分辨率高，可達(dá) 22 位；功耗低、成本低。缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換速率在 12位時(shí)為 100～ 300SPS。 (4)壓頻變換型 ADC： 其優(yōu)點(diǎn)是：精度高、價(jià)格較低、功耗較低。缺點(diǎn)是：類(lèi)似于積分型ADC，其轉(zhuǎn)換速率受到限制， 12位時(shí)為 100～ 300SPS。 考慮到本系 統(tǒng)中對(duì)物體重量的測(cè)量和使用的場(chǎng)合，精度要求不是很苛刻，轉(zhuǎn)換速率要求也不高。因此首先考慮常用的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809，由于本設(shè)計(jì)只需采集儀一路數(shù)據(jù)，DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF