哈理工学年设计Word格式文档下载.docx

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1、设计、仿真、组装、调试；

2、温度测量范围：

0～100℃；

3、温度测量误差≤±

5％；

4、输出电压：

0～5V；

5、电路的非线性误差：

±

0.5％；

1.2.2设计任务

1、设计传感器：

根据传感器的工作原理，设计铂电阻温度传感器，包括传感器结构设计和参数设计，画出传感器的结构图。

2、采用分立元件设计铂电阻温度传感器的转换电路及调理电路，给出各元件参数，并画出电路的原理图

3、仿真已设计的电路，调节改进。

4、设计并加工制作PCB板，并完成电路板的调试，输出要求的直流信号。

5、对所设计的温度测量系统进行标定。

6、用所设计温度测量系统对某几个温度进行测量，给出测量结果及其测量不确定度。

7、撰写课程设计报告。

1.3课程设计时间安排

1、布置任务，查阅资料，方案设计；

（3天）

根据设计要求，查阅资料，进行方案设计及可行性论证，确定传感器类型，转换电路，调制解调电路。

画出电路图。

2．软件仿真；

（1天）

用multisim软件对设计电路进行模拟仿真调试，在虚拟仪器上观测电路的各部分是否输出预期的结果并达到规定的技术指标，修改及确定各个元件参数，最终确定原理图。

3．电路的装配及调试；

　　（2天）

在网孔板上组装电路，测量一些温度值，调试，使其达到规定的技术指标。

4.用AltiumDesigner生成PCB板图样，制作PCB板。

5.在PCB板上焊接最终电路，得到成品。

6.对所设计的温度测量系统进行标定，进行精度测量，给出测量不确定度。

（2天）

7.总结，撰写课程设计报告。

（2天）

第2章总体方案设计

2.1工作原理

温度是过程检测与控制中的重要参量,在要求对温度进行精确测量和控制的条件下,铂热电阻是一种应用广泛的温度传感器,它具有体积小、准确度高、测温范围宽、稳定性好、正温度系数等优点,但它同时也存在非线性的缺点,因此在利用铂热电阻进行精确温度测量时,除要克服测量电路自身的噪声干扰外,还要对铂热电阻的非线性进行矫正.

Pt100是铂热电阻，Pt后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而增长，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

铂电阻传感器是由Pt100和3个电阻组成一个直流电桥，直流电桥将铂电阻的阻值变化转换成电压变化，即Pt100的电阻值为100-138.5欧姆时，电桥电路的输出电压经放大器输出得到0-5V电压。

因为实际运用中，温度是缓慢变化的模拟量，经转换电路得到低频电压，对其进行调制解调，然后经滤波电路滤除高频噪声，最后利用输出电压与温度的对应关系，即得当前温度。

2.2系统组成

2.2.1电路图组成框图

输出

输入

传感器

放大电路

开关调制

放大器

解调

滤波

方波发生器

图1-1

2.2.2电路各组成部分的工作原理

1、传感器

铂电阻传感器是由Pt100和3个电阻组成一个直流电桥，Pt100将温度的变化转换为电阻的变化，由于应变量和电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。

因此，采用直流电桥电路把电阻变化转换成电压变化。

直流电桥的优点是：

高稳定度的直流电源易于获得，电桥调节平衡简单，导线的分布参数影响小。

2、放大电路

放大环节采用三运放高共模抑制比放大电路。

它由三个运算放大器组成，其中两个为性能一致（主要指输入阻抗、共模抑制比和增益）的同相输入运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，有利于抑制共模干扰和减小温度漂移。

另一个运放为差动输出级，进一步抑制共模信号。

3、调制解调电路

进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外，往往还有噪声，为了消除噪声，采用调制解调电路。

方波发生器：

产生5V、5000Hz的方波来作为调制电路的载波信号和解调电路的参考信号。

开关调制：

信号的调幅利用开关电路实现，经过调制的输入信号与按0、1变化的载波信号相乘。

放大电路：

将调制电路的输出信号进行放大，方便之后对调制信号的解调。

解调电路：

将同样的高频载波信号加到开关式全波相敏检波电路上，将调制放大后的信号进行解调，消除噪声。

4、滤波电路

采用低通滤波器，滤除高频噪声，得到有用信号。

2.2.3本章小结

电路的总体设计过程用到了本学期测控电路和传感器的很多知识，我们又在实践中掌握了理论知识的要点，如直流电桥的运用，三运放高共模抑制比放大电路的工作原理，将信号调制解调的过程，传感器的设计方法等，同时也结合了上学期学的模拟电子技术的相关知识，如矩形波发生电路等。

在此过程中，我们掌握了传感器选择的一般设计方法和测量电路的设计方法；

培养了将所学知识运用到实践的能力。

第3章硬件电路设计

3.1传感器设计

1、直流电桥

Pt100可将温度的变化转换为电阻的变化，由于应变量和电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。

直流电桥由Pt100和3个固定电阻（阻值分别为10kΩ，10kΩ，100Ω）组成，当温度在0~100℃变化时，Pt100的电阻值在100~138.5欧姆之间变化，直流电桥将铂电阻的阻值变化转换成电压变化。

通过比较恒流源供电与电压供电的优缺点，决定采用恒流源供电，其优点为响应速度快、恒流精度高、能长期稳定工作，适合各种性质负载（阻性、感性、容性）。

用LM334构成的恒流源简单易行，电流的数值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利于降低产品的成本。

2、电路图

图2-1图2-2

3、计算推导

图中

代表

，设恒流源提供的电流为

，流过

，

的电流为

，则

，

。

所以，有

当

时，电桥的输出电压为

，几乎可忽略，也可用零点补偿来抵消;

3.2放大电路设计

1、结构：

另一个为差动输出级，进一步抑制共模信号。

图2-3

时，三运放的输出电压为

，约为零;

，约为

符合要求。

3.3调制解调电路设计

3.3.1方波发生电路

1、构成：

方波发生电路由一个滞回比较器和一个RC充放电回路组成，其中集成运放和电阻

组成滞回比较器，电阻

和电容

构成充放电回路，稳压管

和电阻

的作用是钳位，将滞回比较器的输出电压限制在稳压管的稳定电压

电容反复地充电和放电，滞回比较器的输出端反复地在高电平和低电平之间跳变，于是产生正负交替的矩形波。

图2-4

3、参数计算。

矩形波的振荡周期为

调整电阻

的数值可以矩形波的振荡周期。

本电路震荡频率为

3.3.2调制电路

1.构成：

采用开关调制电路，电路由2个场效应管

和2个电阻

组成，在输入端加入低频正弦信号作为调制信号

场效应晶体管工作在开关状态，在他们的栅极分别加入高频载波方波信号

与

经过调制

与幅值按0、1变化的载波信号相乘。

在输出端加一电容，以滤除一些高频噪声，使调制波更平滑，趋于理想。

2.电路图

图2-5

3.3.3解调电路

采用开关式全波相敏检波电路，电路由一个结型N沟道型场效应管V和一个差动放大电路组成。

在

的半周期，V导通，同相输入端被接地，

只从反相输入端输入，放大器的放大倍数为

；

的半周期，V截止，

同时从同相和反相输入端输入，放大器的放大倍数为

图2-6

3.4滤波电路设计

1、原理：

由于有用信号是低频信号，噪声往往是高频信号，所以采用低通滤波器。

我们首先采用了结构简单的一阶低通滤波器，但与理想的低通滤波器特性差距很大，所以我们改用二阶低通滤波电路，效果较好，能达到要求的结果。

设

通过基尔霍夫定律，可解出传递函数：

在式中，只有当

时，即分母中

的一次项系数大于零，电路才能稳定工作，而不产生自激震荡。

若令

，则电压放大倍数

时，

可见，

的物理意义是

时电压放大倍数与通带放大倍数之比。

时，曲线按

十倍频下降。

选取

则

截止频率

图2-7

3.5仿真实验

1、方波发生电路的输出波形

图2-8

2、调制电路的输出波形

图2-9

3、解调电路的输出波形

图2-10

4、滤波后的最终波形

图2-11

5、总体波形图

图2-12

3.6本章小结

硬件电路设计是整个设计的最重要的一部分，要求设计者具备扎实的专业基础知识和设计经验。

传感器测温电路的采用直流电桥，便于将温度的变化转换成电压量；

恒流源供电，响应速度快，精度高；

放大电路采用三运放高共模抑制比放大电路，有利于减少共模干扰和温度漂移。

采用开关调制电路、全波相敏检波电路、方波发生电路构成调制解调电路。

最后用二阶低频滤波电路滤除杂波。

以上运用都是在测控电路、传感技术和模拟电子技术基础中学到的典型电路，培养了综合运用所学知识指导实践的能力。

第4章PCB板设计、安装与调试

4.1传感器PCB板的设计

4.1.1传感器和前置放大电路部分的原理图

图3-1

4.1.2传感器和前置放大电路部分的PCB板

图3-2

4.2调制解调及滤波电路部分

4.2.1调制解调及滤波电路部分原理图

图3-3

4.2.2调制解调和滤波电路部分的PCB板

图3-4

4.3本章小结

本章主要是掌握软件的使用，及对PCB板的理解。

用AltiumDesigner绘制原理图，然后封装成PCB板。

注意仿真的元件是否真实存在，可通过元件替换，串联，并联等方法解决。

第5章系统标定、测试与精度分析

5.1系统标定

外界温度为0℃时，电阻值为100Ω,电压值为0V；

外界温度为100℃时，电阻值为138.506Ω，电压值为-5.023V。

5.2测试温度表

温度（℃）

10

20

30

40

50

电阻（Ω）

100.000

103.903

107.794

111.673

115.541

119.397

电压（V）

-0.318

-0.797

-1.302

-1.835

-2.314

60

70

80

90

100

123.242

127.075

130.897

134.707

138.506

-2.837

-3.379

-3.885

-4.365

-5.023