传感器设计性实验平台开发.doc

1、第一章 引言在 21 世纪的人才竞争中，个人能力起到越来越关键的作用。学校也越来越重视学生综合素质的培养，其中动手能力是很重要的一部分。实验教学则是培养学生实践动手能力的手段之一，而良好的实验设备则是保障实验教学质量的重要组成部分。国内制作传感器实验设备的公司有：上海育联公司，杭州旭晔公司，杭州高联公司等等。目前实验室采用的实验设备是杭州高联公司生产的CSY-910 型传感器实验仪。这种设备的主要优点是模块化设计把每一种传感器制作成单元电路，便于实验操作，验证传感器特性。缺点是自主设计性差，缺少具体检测电路的设计实验。本毕业设计题目是传感器设计性实验平台开发，其目的是为了完善传感器实验设备，使

2、其增加学生完成自主设计性和综合性实验的功能。该课题的主要内容是：在原有的 CSY-910 型传感器实验仪的基础上，设计多种放大器和传感器接口电路，使学生能够自主设计基本检测电路。设计基本电路如放大器（差动放大器、同相比例运算放大器、反向比例运算放大器） ，滤波器（低通、高通、带通、带阻） ，比较器等基本单元。设计信号处理电路如 A/D 转换电路，使其具备数据采集和输出的自主设计功能。设计单片机最小系统接口电路，使实验平台具备传感器信号处理的自主设计功能。第二章 方案设计2.1 总体方案设计传感器设计性实验平台以杭州高联公司生产的 CSY-910 型传感器实验为基础，在原有的基础上进行完善。电源

3、部分由 CSY-910 型传感器实验仪提供。设计性实验平台的突出特点是学生可以提出自己的设计方案，并加以实现。实验平台采用插孔和配套的连接线作为实验工具。总体的设计原理框图如图 2-1 所示，分为基本电路单元、信号处理单元和输出单元。基本电路单元包括电阻，电容，放大器，触发器；信号处理单元包括译码器、A/D 转换器和单片机；输出单元包括：发光二极管，数码管等。图 2-1 传感器设计性实验平台原理框图该平台由软件部分和硬件部分组成。软件部分的任务是设计单片机程序，完成动态显示的调试工作。硬件部分包括模拟电路和数字电路。模拟电路部分采用器件独立分离式设计思想，学生可通过连接线操作，自主设计检测电路

4、以实现不同的功能。数字电路部分主要包括 A/D 转换器和单片机。设计单片机最小系统及其与 A/D 转换器的接口电路，学生可通过连接线操作，自主设计外围电路；单片机采用 AT89C52，学生可以自主编写程序，从而提高实验平台的自主设计性和实用性。显示部分主要包括发光二极管，数码管和数字电压表（由 CSY-910 型传感器实验台提供） 。2.2 电源设计方案一：实验平台的电源由 CSY-910 型实验仪提供，输入为+8V 和15V。要求输出为+5V 和15V。15V 直接引入电源接口插孔。+5V 输出通过 7805 获得，输入为+8V，如图 2-2。电容用来实现频率补偿，防止稳压器产生自激振荡和抑

5、制电路中的高频干扰。二极管为保护二极管，当输入短路时给电容放电通路，防止稳压器烧坏。方案二：利用 7805 获得+5V 输出电压，输入为 +15V，如图 2-3。将输入和 7805 之间加入电阻 R。电阻的作用是降压限制电流。其他原理与方案一相同。图 2-2 电源设计方案一 图 2-3 电源设计方案二方案论证：方案一的电路结构比方案二简单，但是方案一占用了 2 个 CSY-910 型传感器实验仪的电源输出接口（15V 和+8V） 。方案二只用了15V 电源接口，电路结构只比方案一多了一个电阻。由于方案一多用了一个电源接口，对后续实验操作会造成很大的影响，所以采用方案二。在方案二中，电阻 R 的

6、作用是限制通过 7805 的电流，对 7805 起到保护作用。因为 7805 的输入电压范围是 5V18V，稳定工作时电流为 5mA 1A，所以电阻选用 180/2W。15V 电源通过电源开关与实验台面板的电源输出插孔相连，提供实验所需电压。+5V 电源一部分为数字电路的器件提供电源，另一部分与电源输出插孔相连，提供实验所需电压。2.3 模拟电路设计CSY-910 型传感器实验仪中的模拟电路主要包括：电桥、差动放大器、电荷变换器、低频滤波器等等。该实验仪存在差动放大器无法自主设计放大倍数、低频滤波器无法自主设计响应频率的缺点，因此本课题在这两方面对原有实验仪加以完善。电桥、电荷变换器仍然使用原

7、有设备。传感器设计性实验平台模拟电路部分采用器件独立分离式设计，即把电容，电阻，放大器等元器件独立放置。学生可以自主选择放大器的型号、电阻和电容的大小，并利用连接线构成完整的电路，以实现所需功能。具体可以实现放大器、比较器和滤波器等基本检测电路。2.3.1 放大器设计放大器一般类型有三种：同相比例放大器、反相比例放大器和差动放大器。放大器的设计原则是针对不同传感器输出特性设计相适应的接口电路。方案一：利用放大器 LM324 作为核心器件，电路如图 2-4 所示。优点：（1） 不需要设计调零电路，设计制作方便。（2） 1 片 LM324 含有 4 个放大器，可以节省空间。图 2-4 LM324

8、实现差动放大器 图 2-5 A741 实现的差动放大器（注：虚线表示连接线与对应插孔构成的线路，实线表示实验台上已经连接好的线路，下同。 ）方案二：利用 A741 作为核心器件，电路如图 2-5 所示。这种差动放大器可以通过改变 R4 的电阻值获得不同的放大倍数，也可以选择固定的电阻获得固定的放大倍数。优点：（1）只需改变外接的电阻，就可以改变放大的倍数，操作方便。（2）有调零电路（R5 为调零电阻） ，可以减小误差。方案对比：方案一中 LM324 不需要调零电路，而且一片 LM324 含有 4 个放大器，比 A741 节省空间，且成本低；方案一中放大器只制作电源部分，其余电阻均由连接线连接；

9、方案一中学生可以自行设计不同形式的放大电路，如：差动放大器、同相比例放大器等，还可设计不同的放大倍数，自主设计性与方案二相比更强，利用率更高。通过比较，方案一更优。利用 LM324 构成差动放大器的形式如下：1 差分式电路差分式电路用来实现两个电压相减，如图 2-4 所示。它是反向输入和同向输入相结合的放大电路。在理想的情况下，电路中存在虚短现象，同时运放输入端存在共模电压。利用放大器的虚短和虚断现象可得：VRR342134Vo当 时 )(o输出电压与两输入电压的差成比例。由于电路存在共模电压，应选用共模抑制比高的集成电路才能保证精度。2 反向信号求和电路如图 2-6 所示，第一级为反向比例运

10、算电路，第二级为反向加法电路。反向输入结构的减法电路，由于出现虚地，放大电路没有共模信号，所以允许的共模输入电压范围较大而且输入阻抗比较低。在电路中，为了减小温漂提高运算精度，需要在同相端加入平衡电阻。调节 R3 的阻值可以改变放大倍数。利用放大器的虚短和虚断可以得到输入电压与输出电压的关系：)(Vo2123R图 2-6 反向信号求和构成减法运算电路3 仪用放大器 仪用放大器的特点是输入阻抗高、输出阻抗低，如图 2-7。运算放大器 A1，A2 组成第一级差分式电路，A3 组成第二级差分式电路。在第一级电路中，输入分别加入 A1 和 A2 的同相端，R1 和两个 R2 组成的反馈网络，引入了深度

11、的电压串联负反馈，两个运算放大器 A1、A2 的两输入端形成虚短和虚断。利用虚短和虚断的概念可得到输入与输出的关系如下：（2-1）)(12(34Vo_VR图 2-7 仪用放大器该放大器第一级是具有深度电压串联负反馈的电路，所以它的输入电阻很高。若 A1、A2 选用相同特性的运算放大器，则它们的共模输出电压和漂移电压也都相等，再通过 A3 组成的差分式电路，可以互相抵消，故它有很强的共模抑制能力和较小的输出漂移电压，同时该电路有较高的差模电压增益。但为进一步提高电路的性能，应严格挑选几个外接电阻R1、R2、R3 和 R4。将 R1 用可变电阻由式 2-1 可知，放大倍数可以改变。从而提高实验台的

12、自主设计性能2.3.2 比较器设计除了放大器之外，比较器也是传感器检测电路中不可缺少的一部分。对于不同的传感器，不同的设计要求，所需的比较器类型也是不同的。本实验平台可以实现的比较器形式如图 2-8，2-9，2-10 所示。图 2-8 单门限比较器 图 2-9 迟滞比较器 图 2-10 窗口比较器方案一：利用 A741 组成上述三种形式。改变基准电压就可以改变门限值。方案二：利用 LM339，组成独立的放大器，通过连接线实现自主设计。方案对比：方案一价廉方便，只需改变基准值或几个电阻值即可，但自主设计性被减弱。利用 A741 需要调零电路，以减小误差。方案二自主设计性强。只需一片 LM339

13、即可。通过学生自行选择电阻和基准电压即可设计出不同形式的比较电路。一片 LM339 含有 4 个放大器，比 A741 节省空间，而且器件利用率更高，更节约体积和成本。LM339 的转换速率比 A741 高，因此 LM339 更适合应用于比较器电路中。LM339 的具体应用：1 单门限比较器 单门限比较器是一种用来比较输入信号和参考电压的电路，如图 2-8。这时运算放大器处于开环工作状态，具有很高的开环电压增益。当输入信号电压 V1 大于参考电压时，运算放大器处于负饱和状态， VO=VOL；当输入信号电压 V1 小于参考电压时，运算放大器处于正饱和状态， VO=VOH。单门限比较器有电路简单，灵

14、敏度高的特点，但其抗干扰能力差。2 迟滞比较器 迟滞比较器是一种具有迟滞回环传输特性的比较器，如图 2-9。在反相输入单门限比较器的基础上引入正反馈网络。这种比较器的门限电压随输出电压的变化而变化。它的灵敏度低一些，但抗干扰的能力却大大提高。运算放大器处于正反馈状态，输出电压与输入电压不成线性关系。稳压二极管 DW 决定输出电压值。设运算放大器是理想的，利用叠加原理可以分别求出上门限电压 VT+和下门限电压 VT-。2121ROHREFT2121L3 窗口比较器 窗口比较器如图 2-10 所示，运算放大器 A1 的反相输入端输入上门限电压 VT+，运算放大器 A2 的同相输入端输入下门限电压

15、VT-，改变电阻 R3即可改变上、下门限的电压值。2.3.3 滤波器设计 实验平台采用独立分离式结构设计，因此可以通过连接线构成多种适合不同传感器输出特性的滤波器。滤波器的种类很多，从功能上可以分为低通、高通、带通、带阻滤波器，从设计方法上分为巴特沃斯型、切比雪夫型、贝塞尔型滤波器等。理想滤波器通式：（m n）nnmaSaSbbK110)( 二阶滤波器通式：低通滤波器 （2-2 ）22)(nVPQA高通滤波器 （2-3）22)(nVPSSK带通滤波器 （2-4 ）22)(nVPSQAS带阻滤波器 （2-5）22)()(nVPK图 2-11 压控电压源型滤波器 图 2-12 无限增益多路反馈型滤

16、波器利用实验平台可以构成压控电压源型滤波器如图 2-11、无限增益多路反馈型滤波器如图 2-12、双二次型滤波器如图 2-13。通过选用不同的电阻和电容，替换图 2-11、图 2-12、图 2-13 中的电抗元件，就可以组成不同类型的滤波器如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。图 2-13 双二次型滤波器2. 4 数字电路设计数字电路主要包括：触发器、定时器、A/D 转换器、单片机。数字电路主要完成信号的产生、数据的采集和转换等任务。2.4.1 触发器设计触发器的种类有很多，如：RS 触发器、JK 触发器、D 触发器等。本实验平台利用触发器实现脉冲宽度调制电路，完成差动电容实验。

17、选择的器件为 CD4013B。CD4013B 的功能很多可以用做基本 RS 触发器，同步 RS触发器，D 触发器。这里用到的是基本 RS 触发器，其构成的电路如图 2-14所示。图 2-14 触发器脉冲宽度调制电路图 2-14 中 C1、C2 为差动电容。当触发器处于 Q=1， =0 时，电容C1 充电，电容 C2 放电。当 C 点电位高于 Vref 时，比较器 A1 输出正跳变信号，比较器 A2 输出负跳变信号，激励触发器反转，使 Q=0， =1，此时C1 放电、 C2 充电，当 D 点电位高于 Vref 时，A1 输出负跳变信号，A2 输出正跳变信号，交替循环。输出信号 Vo 的占空比随电容 C1、C2 变化，电容的大小决定 A、B 两点输出高电平的时间，当 C1=C2 时，Vo 输出为方波。，V 1 为比较器 A3 输出的高电平电压，A 为传感器的初VO始值， 为传感器的初始值改变量（A 可以为电容板间距离或面积） 。2.4.2 定时器设计