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信号调理电路解读
摘要
信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。
是指利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等…)来改变输入的讯号类型并输出之。
把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。
但由于传感器信号不能直接转换为数字数据,这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化,因此,在变换为数字信号之前必须进行调理。
调理就是放大,缓冲或定标模拟信号等。
信号调理将把数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统,这是通过直接连接到广泛的传感器和信号类型来实现的。
信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。
若信号很小,则要经过放大将信号调理到采集卡能够识别的范围,若信号干扰较大,就要考虑采集之前作滤波了。
关键词:
放大器,传感器,滤波,信号采集
1设计任务描述
1.1设计题目:
信号调理电路
1.2设计要求
1.2.1设计目的
(1)掌握传感器信号调理电路的构成,原理与设计方法
(2)熟悉模拟元件的选择,使用方法
1.2.2基本要求
(1)输出幅度在0-3V,线性反应输入信号的幅值
(2)信号的频率范围在50Hz-10KHz
(3)匹配的信号源一般复读在100mv,内阻10KΩ左右
(4)匹配的负载在100kΩ左右,信号传输的损失尽量小
1.2.3发挥部分
(1)超出上下限的保护电路及指示
(2)电桥信号采集
(3)其他
2设计思路
这次我们小组课程设计的题目是信号调理电路。
信号调理往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
在初始阶段用一个电压跟随器来发出信号,利用一个电桥收集信号并发出差分电压,选择放大器与传感器正确接口,使放大器与传感器特性匹配,测量应变片传感器通常要通过桥网络,用高精度和非常低漂移(随温度)的精密电压基准驱动放大器A1。
这可为桥提供非常精确、稳定的激励源。
因为共模电压大约为激励电压的一半,所以被测信号仅仅是桥臂之间小的差分电压。
放大器A2、A3、A4必须提供高共模抑制比,所以仅测量差分电压。
这些放大器也必须具有低值输入失调电压漂移和输入偏置电流,以使得从传感器能精确地读数。
在电路的输出端接入一个小绿灯,来判定电路的电压是否超出题目要求范围,并由示波器显示激励源的波形
3设计方框图
4各部分电路设计及参数计算
4.1各部分电路设计
4.1.1电压跟随器
电压跟随器,就是输出电压与输入电压是相同的,也就是说,电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。
电压跟随器的特点就是,输入阻抗高,而输出阻抗低,一般来说,输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。
输出阻抗低,通常可以到几欧姆,甚至更低。
在电路中,电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。
因为,电压放大器的输出阻抗一般比较高,通常在几千欧到几十千欧,如果后级的输入阻抗比较小,那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。
在这个时候
,就需要电压跟随器来从中进行缓冲。
起到承上启下的作用。
应用电压跟随器的另外一个好处就是,提高了输入阻抗,这样,输入电容的容量可以大幅度减小,为应用高品质的电容提供了前提保证。
电压跟随器
4.1.2桥式电路
桥式电路
R1,R4为固定电阻,R2,R3为可变电阻,且R2,R3的阻值远远大于R1,R4,信号由电路图上端输入,由1,4点分别输出,下端接地。
上图中,输入为共模方式,共模方式大约为激励电压的一半。
即
Vi=Vid/2
其中
V1=Vi*R3/(R1+R3)
V4=Vi*R4/(R2+R4)
4.1.2
仪用放大电路
仪用放大器是由A1、A2按同相输入接法组成第一差分放大器,运放A3组成第二级差分放大器。
在第一级电路中,V1、V2分别加到A1和A2的同相端,R1和R2组成的反馈网一级电路中,引入了负反馈,两运放A1、A2的输入端形成虚短和虚断,因而有VR1=V1-V2和VR1/R1=(V3-V4)/(2R3+R1),可以得到:
V3-V4=(2R2+R1)VR1/R1=(1+2R2/R1)(V1-V2)
根据式V0=R4(Vi1-Vi2)/R1得:
V0=-R4(V3-V4)/R3=-R4(1+2R2/R1)(V1-V2)/R3
于是电路的增益为
Av=V0/(V1-V2)=-R4(1+2R2/R1)/R3
5工作过程分析
此次设计的信号调理电路主要用于将模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算、显示读出和其他目的的数字信号。
主要目的是
(1)输出幅度在0-3V,线性反应输入信号的幅值
(2)信号的频率范围在50Hz-10KHz(3)匹配的信号源一般复读在100mv,内阻10KΩ左右(4)匹配的负载在100kΩ左右,信号传输的损失尽量小
电路信号源幅度为100mV,内阻10kΩ,频率范围在50Hz~10kHz。
通过电压跟随器,输入电压被几乎无损的传输到桥式电路。
桥式电路的共模电压大约为激励电压的一半,被测信号仅仅是桥臂之间微小的差分电压。
桥式电路的两臂分别有一个最大组织为1kΩ的可变电阻,通过调节电阻大小,可以改变其电压,从而改变桥臂间的电压差。
差分电压作为下一级仪用放大器的输入电压,进行调理放大,放大器A2,A3按同相输入接法组成第一级差分放大电路,运放A4组成第二级差分放大电路,在第一级电路中,桥式电路两臂电压分别加到A2,A3的同相端,R5,R6,R7组成的反馈网络引入了负反馈。
输出端接100Ω的负载,使信号传输的损失尽量小,同时接一个指示灯,用于判断信号是否超出上下限,当电路正常工作时,指示灯闪烁,示波器显示信号波形,万用表显示输出电压的大小。
6元器件清单
7主要器件介绍
7.1LM324的介绍
7.1.1原理图
引脚图
7.1.2介绍
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比,它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下,静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源,因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图7.2所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
7.1.3参数描述
运放类型:
低功率
放大器数目:
4
带宽:
1.2MHz
针脚数:
14
工作温度范围:
0°Cto+70°C
封装类型:
SOIC
3dB带宽增益乘积:
1.2MHz
变化斜率:
0.5V/μs
器件标号:
324
器件标记:
LM324AD
增益带宽:
1.2MHz
工作温度最低:
0°C
工作温度最高:
70°C
放大器类型:
低功耗
温度范围:
商用
电源电压最大:
32V
电源电压最小:
3V
芯片标号:
324
表面安装器件:
表面安装
输入偏移电压最大:
7mV
运放特点:
高增益频率补偿运算
逻辑功能号:
324
额定电源电压,+:
15V
7.1.4特点
1.短路保护输出
2.真差动输入级
3.可单电源工作:
3V-32V
4.低偏置电流:
最大100nA
5.每封装含四个运算放大器。
6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源
8.行业标准的引脚排列
9.输入端具有静电保护功能
7.2OP07的介绍
7.2.1引脚图
OP07的引脚图
7.2.2OP07的简介
7.2.3参数
7.2.4特点
8小结
为期一周的模电课程设计已经结束了,通过这一周的设计,让我学习到了更多的有关模拟电子方面的只是,我在这一周里也深刻的认识到了自己学习的课程的重要性与趣味性。
在这次课程设计中,我是以书本知识为基础,通过查阅图书馆资料及上网搜索到的知识完成这次设计要求的内容,达到了学习目的。
通过两星期的学习与努力,在客服了众多的困难后,我深深的认识到了自己在知识与学习能力上存在着非常大的不足,基础知识很薄弱,也没有什么实践经验,动手能力也不是很强,在实践方面还应该有很大的提升空间。
这一周里,课程设计的内容其实非常枯燥,我也沮丧过,尽管如此,我还是没有屈服于这些困难。
因为我要努力,还有老师的帮助,同学的集思广益,这些都会让我有所收获,克服各种的困难。
在这个过程中,我的自学能力及搜索资料整理资料的能力都得到了培养和锻炼。
七天,确切的说是这五天,我们确实很辛苦,但是我们同学之间的团结互助精神也借此充分的体现了出来,我们的友谊更进一步。
无疑,课程设计对我们大学生来说是一种锻炼,让同学们更加和谐,让我们将理论知识运用到实际当中。
老师对我们的帮助是最大的,尤其是仿真软件的选择上,如果没有黄老师,我们都不知从何做起。
五天里,我获得了宝贵的知识也得到了精神上的满足。
更加让我明白了一个道理,一份耕耘,一份收获。
向着目标前进!
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9致谢
这一周的课程设计已经结束,之所以能短时间并且高效率的完成,最值得被敬佩并感谢的就是XX老师,感谢他的大力支持与指导。
在设计过程中遇到很多的困难,每一次找到老师,老师都会认真的解答,即使到了吃饭的时间,老师也会把最后一个同学的问题解答后才去。
我们对于课程设计没有什么概念,老师也抽出一节课为我们讲解,并且给我们提供了相关的仿真软件,这让我们不仅圆满的完成设计的要求,对书本知识也有了进一步认识。
表示对黄老师真挚的谢意。
当然了,在设计过程中,还有我们同学间的互相帮助,大家一起努力,在一周时间内就完成设计;以及学校图书馆提供的资料,都对我有很大的帮助,谢谢你们!
再次感谢所有对我完成设计有帮助的人!
10参考文献
《电子技术基础》模拟部分华中科技大学电子技术课程组2006
《电子线路基础》高等教育出版社1997
《模拟电子技术基础》高等教育出版社1988
11附录
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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- 关 键 词:
- 信号 调理 电路 解读
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