課程設(shè)計(jì)基于壓電加速度計(jì)速度測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
《課程設(shè)計(jì)基于壓電加速度計(jì)速度測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《課程設(shè)計(jì)基于壓電加速度計(jì)速度測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)(17頁(yè)珍藏版)》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) 題目:基于壓電加速度計(jì)的速度測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 學(xué)院(系):電氣工程學(xué)院 年級(jí)專(zhuān)業(yè): 學(xué) 號(hào): 學(xué)生姓名: 指導(dǎo)教師: 溫江濤 教師職稱(chēng): 講師 燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)
2、書(shū) 院(系): 電氣工程學(xué)院 基層教學(xué)單位: 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 專(zhuān)業(yè)(班級(jí)) 設(shè)計(jì)題目 基于壓電加速度計(jì)的速度測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù) 壓電加速度計(jì)的輸出信號(hào)是加速度信號(hào),將加速度信號(hào)積分后,會(huì)得到速度信號(hào).設(shè)計(jì)一種加速度信號(hào)調(diào)理電路,將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為速度信號(hào).用0-2.5V的直流信號(hào)表示1-10米\秒的速度信號(hào). 設(shè) 計(jì) 要 求 1:完成題目的理論設(shè)計(jì)模型; 2:完成電路的multisim仿真; 工 作 量 1:完成一份
3、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(其中包括理論設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)以及仿真結(jié)果); 2:提交一份電路設(shè)計(jì)原理圖; 工 作 計(jì) 劃 周一,查閱資料; 周二到周四,;理論設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真; 周五,撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū); 參 考 資 料 1:基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì); 2:模擬電子技術(shù); 3:電路理論; 4:數(shù)字電子技術(shù); 指導(dǎo)教師簽字 溫江濤 基層教學(xué)單位主任簽字 說(shuō)明:此表一式四份,學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。 2011年6月20日 目錄 摘要--------------------------------------------
4、---------------------------------------------2 正文-----------------------------------------------------------------------------------------3 一、電路原理與理論分析--------------------------------------------------------------3 1.電荷轉(zhuǎn)換部分-----------------------------------------------------------------3 2.適調(diào)放大
5、部分-----------------------------------------------------------------4 3.低通濾波部分-----------------------------------------------------------------5 4.高通濾波和同相放大部分--------------------------------------------------7 5.積分器部分--------------------------------------------------------------------7 6.整體電路----
6、-------------------------------------------------------------------9 二、Multisim仿真分析--------------------------------------------------------------11 1.仿真電路圖-------------------------------------------------------------------11 2.仿真波形及分析---------------------------------------------------------------
7、11 三、誤差分析--------------------------------------------------------------------------12 1.連接電纜的固定--------------------------------------------------------------12 2.接地點(diǎn)選擇--------------------------------------------------------------------13 四、心得體會(huì)----------------------------------------------------
8、----------------------14 參考文獻(xiàn)--------------------------------------------------------------------------------15 摘要 壓電加速度傳感器是一種典型的自發(fā)式傳感器,它是以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的電壓效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。壓電加速度計(jì)的輸出信號(hào)是加速度信號(hào),將加速度信號(hào)積分后,會(huì)得到速度信號(hào).本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一種加速度信號(hào)調(diào)理電路,將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)。其主要電路由五部分組成,分別為電荷轉(zhuǎn)換部分,適調(diào)放大部分,低通濾波部分,高通濾波和同相
9、放大部分與積分器部分。 關(guān)鍵字:壓電加速度計(jì),調(diào)理電路,速度測(cè)量信號(hào),積分器。 基于壓電加速度計(jì)的速度測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 一、電路原理理論分析 (1)電荷轉(zhuǎn)換部分: 電荷轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)電荷放大器的核心部分,這部分的作用是將壓電傳感器的輸出電荷信號(hào)Q轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)V。它是由運(yùn)算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成.理想情況下這部分電路的輸入阻抗應(yīng)該無(wú)窮大。本設(shè)計(jì)中,我們采用的運(yùn)算放大器是集成了高阻抗輸入級(jí)的高阻運(yùn)算放大器。TI公司的T1081芯片,其輸入阻抗為10^12,帶寬為3MHz,開(kāi)環(huán)增益為10^5,而且還有內(nèi)部調(diào)零電路。 為了保證精度,反
10、饋電容采用采用穩(wěn)定性及絕緣電阻高的精密聚苯乙烯電容,精度保證0.5%以下.同時(shí)為了保證電路的增益,反饋電容不能太大,考慮到壓電加速度傳感器的輸出電荷量,反饋電容Cf一般不超過(guò)10000PF,但是反饋電容也不可以選的太小,以免因寄生電容的影響給電路調(diào)試和使用造成困難.一般Cf不小于100PF. 下限頻率由反饋電容CF和反饋電阻RF決定,在CF一定的情況下,要保證低的下限截止頻率,反饋電阻RF就必須大,本部分電路如圖1. 圖1:電荷轉(zhuǎn)換部分電路原理圖 參數(shù)確定:C1=220nF,C2=20pF,C3=1nF,R1=2KΩ,R2=2KΩ. 放大器供電電源為:15V。 這部分電路在調(diào)試
11、中可能出現(xiàn)的問(wèn)題有:接通電源后,有0.2:1.8V的直流輸出,這多由于運(yùn)放輸入失調(diào)大,可以調(diào)節(jié)調(diào)零端的可調(diào)電阻降低輸出.若是有13V以上的直流輸出,一般是由于與電源沒(méi)有接好,或者是接地沒(méi)接好.在不加輸入信號(hào)的情況下,輸入端若有較大的50Hz的信號(hào)輸出,這主要是因?yàn)?0Hz交流通過(guò)雜散電容耦合到輸入端而引起的,對(duì)輸入端進(jìn)行屏蔽,改進(jìn)接地點(diǎn),清潔輸入端鈕可以減小干擾。 (2)適調(diào)放大部分 這部分的作用是當(dāng)被測(cè)非電量(加速度或速度)一定時(shí),用不同靈敏度的傳感器去測(cè)量時(shí),有相同的輸出,以便處理記錄下來(lái)的圖形和數(shù)據(jù).假定傳感器的電荷靈敏度Sq=Qi/g,電荷轉(zhuǎn)換部分的增益為Kq=Vi/Qi,適調(diào)部分
12、的增益為Ki=Vo/Vi,則總的傳遞系數(shù)為三者的乘積: 當(dāng)增益開(kāi)關(guān)選好后,即反饋電容CF一定,KQ是參數(shù),傳感器的靈敏度不同時(shí)即每個(gè)G所產(chǎn)生的Q不一樣,這是我們適當(dāng)調(diào)節(jié)適調(diào)放大部分的增益K1,就能是總增益K不變.電路原理如圖2: 圖2:適調(diào)放大部分電路原理圖 參數(shù)確定:R4=5.14KΩ,R5=2KΩ,R6=10KΩ. 放大器供電電源為:15V。 (3)低通濾波部分: 壓電加速度傳感器是一個(gè)弱阻尼的振動(dòng)系統(tǒng),因此它的幅頻特性的高頻段有一個(gè)很高的共振峰,此峰值嚴(yán)重地引起了高頻噪聲,并對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生失真和干擾。為此,需在放大器中采用低通濾波器,以補(bǔ)償傳感器引起的高頻幅頻
13、特性.另外,在某些振動(dòng)測(cè)試中,電荷放大器的通頻帶有時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際的需要,而無(wú)用的高頻帶的存在對(duì)低頻測(cè)試只會(huì)帶來(lái)壞的影響,所以在系統(tǒng)中就非常有必要采用低通濾波器,他只能讓低頻交流分量通過(guò),使無(wú)用的高頻分量受到較大的衰減. 濾波器種類(lèi)很多,有LC的,也有RC的,又分為有源和無(wú)源的.無(wú)源的RC低通濾波器具有線路簡(jiǎn)單,抗干擾性強(qiáng),有較好的低頻范圍工作性能等優(yōu)點(diǎn),并且體積較小,成本較低,所以在系統(tǒng)中被廣泛采用.但是,由于他的阻抗頻率特性沒(méi)有隨頻率而極具改編的諧振性能,故選擇欠佳,為了克服這個(gè)缺點(diǎn),在RC網(wǎng)絡(luò)上加上運(yùn)算放大器等有源元件,組成有源RC低通濾波器.有源RC低通濾波器在通帶內(nèi)不僅可以沒(méi)有衰減,
14、還可以有一定的增益.因?yàn)槲覀儨y(cè)量的信號(hào)頻率不是很高,所以我們采用的是二階RC有源濾波器,其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單,易調(diào)節(jié),其電路原理圖如下: 圖3:低通濾波部分電路原理圖 參數(shù)確定:C4=50nF,C5=100nF,R7=10KΩ,R8=10KΩ. 放大器供電電源為:15V。 令R1=R7,R2=R8,C2=C4,C1=C5,流過(guò)R7的電流為I1(自右向左),流過(guò)R8的電流為I2(自右向左),流過(guò)C5的電流為I3(自右向左)流過(guò)C4的電流為I4(自下而上), 可列出回路方程為: 聯(lián)立解以上五個(gè)方程可得電路的傳遞函數(shù): 當(dāng)K=1時(shí),傳遞函數(shù)為: 由特征方程同樣可得線路固有角頻
15、率和阻尼系數(shù): 適當(dāng)選擇參數(shù),可以使電路工作在臨界阻尼狀態(tài)。在臨界時(shí),ζ=0.707,此時(shí)傳遞函數(shù)為: 在此電路中,我們選擇了三個(gè)限截止頻率,分別為1KHz,10KHz和100KHz,為了保證在切換上限截止頻率時(shí)ζ值不變,我們選擇了C1=2C2=100Nf,R1=R2=R,代入前面公式: 本設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)調(diào)試較為簡(jiǎn)單,只要參數(shù)準(zhǔn)確,一般就能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。 (4)輸出放大部分: 這部分電路包括兩個(gè)部分:高通濾波和同相電壓放大,因?yàn)樵陔姾赊D(zhuǎn)換部分,當(dāng)Rf一定時(shí),在切換增益檔位時(shí),電流直流放大倍數(shù)變化很大,輸出零點(diǎn)跳動(dòng)較大,并且為了減少直流漂移影響,所以在低通濾波器后面又
16、加了一個(gè)高通濾波器,將滯留部分去掉。本設(shè)計(jì)的高通濾波器由一階RC電路和運(yùn)算放大器組成,如下圖所示: 圖4:輸出放大部分電路原理圖 參數(shù)確定:C6=100pF,R9=1MΩ,R10=10KΩ,R11=100KΩ. 放大器供電電源為:15V。 同相電壓放大的作用有二:一是前面加了高通濾波電路,信號(hào)有衰減,后面要加放大電路放大,二是利用改變同相放大的增益來(lái)改變整體的增益,因?yàn)楸菴f=100nF再靈敏的檔位,就得采用更小的反饋電容,此時(shí)不但分布電容影響大,精度也不容易保證,而且為了保證時(shí)間常數(shù)不變,Rf也得再相應(yīng)提高,要減小漂移,Ri也得相應(yīng)再提高,輸入絕緣要求也提高了,所以我們此
17、檔位Cf還用100nF,而利用改變同相放大器的增益來(lái)改變電路的增益,并保證輸出信號(hào)和壓電加速度的輸出信號(hào)同相位。 為了降低同相放大器對(duì)濾波器時(shí)間常數(shù)的影響,我們還是采用高輸入阻抗運(yùn)算放大器。 (5)積分器部分: 壓電加速度計(jì)的輸出信號(hào)是代表加速度信號(hào)電壓信號(hào),將加速度電壓信號(hào)積分后,會(huì)得到速度電壓信號(hào).我們用積分器實(shí)現(xiàn)這一功能,無(wú)源RC積分電路衰減大,頻率范圍較窄,積分誤差大,一般采用運(yùn)算放大器組成的有源積分電路。 主要電路如圖5所示: 圖5:積分器部分電路原理圖 參數(shù)確定:C7=100nF, R13=1K1Ω,R12=102KΩ,R14=10KΩ,R15=10KΩ
18、 (參數(shù)確定過(guò)程見(jiàn)整體電路部分) 放大器供電電源為:15V。 不同的輸入對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)的波形比較如圖6所示: 方波輸入輸出波形對(duì)比 正弦波輸入輸出波形對(duì)比 圖6:理論積分器仿真波形 (6)整體電路: 圖7:整體電路原理圖 積分器具體參數(shù)計(jì)算(參照電路圖5): 前四部分電荷轉(zhuǎn)換部分,適調(diào)放大部分,低通濾波部分,高通濾波和同相放大部分輸出電壓靈敏度為0.2V/g。(g為加速度,測(cè)量加速度范圍范圍是g~10g,對(duì)應(yīng)輸出電壓為0~2V)。 如電路圖5所示,則有以下: 令R13=R2,R14=R1,R12=R4,R15=R3
19、,C7=C,且Ua,Vn,Uv. 取壓電加速度計(jì)測(cè)量頻率f=100Hz,反饋電容C=0.1uF;R1=10KΩ,R3=10KΩ,由積分電路圖得: (Ua-Vn)/R2=(Vn-Uv)/(Zc//R4) 由上面式子推出: Uv/Ua=-(Zc//R4)/R2 由于積分器中輸出電壓Uv與輸入電壓Ua為線性關(guān)系,則,Ua(0~2V)到Uv(0~2.5V)時(shí),A=1.25, 則由5%標(biāo)準(zhǔn)阻值表(表格一)可選取,R2=11KΩ,R4=102KΩ 此時(shí)可滿足速度信號(hào)的電壓范圍為0~2.5V,代表速度為1~10m/s. 二、Multisim仿真分析 1.仿真電路圖 仿真電路圖如圖8所示:
20、 圖8:仿真電路原理圖 2.仿真波形及分析 輸入信號(hào)為方波,仿真波圖形如圖9所示: 圖9:仿真波形圖 仿真結(jié)果顯示,輸出波形為三角波,即輸出輸入滿足積分運(yùn)算關(guān)系。 當(dāng)輸入信號(hào)為正弦信號(hào),波形圖如圖10所示: 圖10:仿真波形圖 仿真結(jié)果顯示,輸出波形也為正弦波,相位超前輸入90度,即輸出輸入滿足積分運(yùn)算關(guān)系。 三、誤差分析 現(xiàn)在電路設(shè)計(jì)部分已經(jīng)基本完成,下面進(jìn)行誤差分析。 (1) 連接電纜的固定 連接的電纜雖然是低噪音電纜,但若固定不當(dāng),也會(huì)產(chǎn)生一些噪音,電纜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)會(huì)引起電纜電容和電荷的變化,主要是低頻噪音,所以在實(shí)驗(yàn)室時(shí)應(yīng)在傳感器近端,把電纜固定,使電
21、纜在傳感器近端盡可能平直。 (2) 接地點(diǎn)選擇 當(dāng)電荷放大器與壓電加速度傳感器,記錄儀器組成測(cè)試系統(tǒng)時(shí),往往由于接地點(diǎn)選擇不當(dāng),引入很大的干擾,嚴(yán)重時(shí)使測(cè)量無(wú)法進(jìn)行。其原因是各點(diǎn)地電位不相等,如果在不同接觸點(diǎn)與連接電纜間形成對(duì)地的回路電流,此電流就形成了一個(gè)干擾源。因此測(cè)量系統(tǒng)最好只有一個(gè)接地點(diǎn)。接地點(diǎn)位置的選擇往往需要用實(shí)測(cè)方法決定,但一般來(lái)說(shuō)最好選在記錄和讀出裝置上。 四,心得體會(huì) 一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了,在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí),也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情,如何去做一件事情,又如何完成一件事情。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,與同學(xué)
22、相互探討,相互學(xué)習(xí),相互監(jiān)督,學(xué)會(huì)了合作,學(xué)會(huì)了運(yùn)籌帷幄,學(xué)會(huì)了寬容,學(xué)會(huì)了理解,也學(xué)會(huì)了做人與處世。 課程設(shè)計(jì)是我們專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練,這是我們邁向社會(huì),從事職業(yè)工作之前一個(gè)必不可少的過(guò)程,“千里之行始于足下”,通過(guò)這次課程設(shè)計(jì),我深深體會(huì)到這句千古名言的真正含義,我今天人真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì),學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地的邁開(kāi)這一步,就是為了明天能穩(wěn)穩(wěn)地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 本人的設(shè)計(jì)能力有限,在設(shè)計(jì)過(guò)程中南面出現(xiàn)錯(cuò)誤,懇請(qǐng)老師多多指教,我十分樂(lè)意接受你們的批評(píng)與指正。本人將不勝感激。謝謝大家! 參考文獻(xiàn) 1:基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì); 2:模擬電子技術(shù); 3:電路理論; 4:數(shù)字電子技術(shù); 17
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