模拟电子课程设计课设传感器测量系统

模拟电子技术课程设计任务书

姓名：院（系）：信息系

专业：班级：

课程设计题目：传感器测量系统的设计

课程设计要求：设计一个放大器系统，当电阻值变化±1%时，放大电路能够产生±6V的输出电压。要求偏差为0时输出为0，偏差为1%时输出为6V，偏差为-1%时输出为-1V，误差不超过±2%。

设计任务总述：对设计题目进行分析，根据设计的要求先确定基准电压源：为测量电桥提供一定精度要求的7.0V基准电压，然后修改电路，进行参数计算.，测量当电阻值变化±1%时，放大电路能够产生±6V的输出电压；要求偏差为0时输出为0，偏差为1%时输出为6V，偏差为-1%时输出为-6V，误差不超过±2%；最后电路仿真实验。

工作计划及安排：

熟悉课题要求，查找相关资料；甄选资料的相关内容，初步确定设计方案；寻找参考电路,修改电路，进行参数计算.调试（仿真），如不成功，返回第2步整理数据;

撰写课程设计报告。

成绩

指导教师签字___________________

年月日

摘要： 设计一个放大器系统，当电阻值变化±2%时，放大电路能

够产生±8V 的输出电压。要求偏差为0时输出为0，偏差为2%时输出为8V ，偏差为-2%时输出为-8V ，误差不超过±5%。 一、电路结构及原理说明：

该电路由四部分组成：基准电压源电路、测量电桥电路、放大电路、电平转移电路。

电路框图如下所示：

1．基准电压源：为测量电桥提供一定精度要求的7.5V 基准电压，采用5.6V 稳压管与同相比例运算电路结合实现。

2．测量电桥电路：当电桥的所有阻值都相同时，输出电压为零。当有一电阻发生变化时将会有电压输出。此电路可以等效为传感器测量电路，测取的温度变化量并将其转化成电压变化。

3.放大电路：

放大电路用于将测温桥输出的微小电压变化（ΔV ）放大，使其满足性能要求。放大电路采用两个同相电压跟随器（作为输入缓冲器）与两级放大器组成，其中第一级放大器为差动放大器，第二级放大器为可以方便调节的反相比例运算电路。

4.电平转移电路： 二、测量电路和参数计算

基准电压源

测量电桥

放大电路

电平转移电路

1、基准电源电路

基准源输出电压为V+=6.0V ，稳压管电压为5.6V ，取稳压管的稳定电流为1~1.2mA 。 根据基准源电路有

Vz RJ RJ Vo )1

2

1(1+

=

07.16

.50

.6)121(1==+=RJ RJ Vz Vo 得到：

07.01

2

=RJ RJ 选RJ2=5k Ω，可得RJ1=71.43k Ω。 由于 JF

JF F R R Vz Vo I 6

.50.6-=-=

R11

R21

R22

R31

R32

R41

R42

vo

vi1

vi2

.

.

.

VS

RJ1 RJ2

RJ3 RJ4

RJF DJ1

Vz

V+

.

.

.

.

R1 R3

R4

R2(1+δ|)

Vo .

.

.

.

.

.

. .

若取IF=1mA ，则有

JF

R mA 6

.50.61-=

得到RJF=0.4k Ω。

电阻R3和R4的计算： 由稳压管开始启动的条件：

7.04

34

+≈+>+Vz V Vz Vs R R R D J J J

设V S 、R J3、R J4组成的电路向稳压管提供的电流为0.2mA ，

若流过R4的电流也为0.2mA ：则由下式： mA 2.07

.06.54

4=+=

J RJ R I 可得R J4=31.5k Ω

因为流过R J3电阻的电流为0.4mA ，所以 mA 4.03

.63

3=-=

J RJ R Vs I 取V S =10，得到： k Ω25.94

.03

.6103=-=J R 验证

V 3.67.073.7105

.3125.95

.31434=+≈+>=+=+Vz V Vz Vs R R R D 这是一个启动电路。

VS

RJ3

RJ4

DJ1

.

.

.

5.6V

0.2m A

0.2m A

0.4m A

.

.

2、测量电桥的计算

++++≈++=+-+++=V R R R R V R R R R V R R R R R R Vo ）2

12

||1())1(212||1(]2121)1(2)1(2[

1δδδδδ

式中V +是电桥的基准电压。由于Vo1与电压V 成正比，因此V 应该由基准电压源电路提供。

取V=6.0V ，电桥的R1=R2=R3=R4=100k Ω。

V 03.0)0.6)(4

02

.0())(4())(21)2||1(

1===+=++V V R R R R Vo δδ 这里δ=0.02，V+=6.0V 。

3、放大电路的计算

如果对于Vo1=0.03V 时，输出电压为6V ，则有放大倍数为6/0.03=200.0倍。 则对于放大器有

)11

21

21(31412001R R R R Vo Vo +== 一般希望RY4/RY3和RY2/RY1 有相同的数量级。

令R11=10k Ω，R21=100k Ω，则1+2R21/R11=21，R41/R41=10.159 若令R31=5k Ω，则R41=47.619K Ω 其中R21=R22，R31=R32，R41=R42

4、电平转移电路

b m +-=81

b m +=85 联立解得，得到16/5=m ，5/2=b 。

)

)(())(6

(

655165G

G F G G F IN IN OUT R R R R R R V R R R R R R V b mV V +++++=+= ))((

656G G

F R R R R R R m ++= ))((

6551G

G

F R R R R R R V b ++= 取R5=96k Ω，R6=4k Ω,得V1=0.4166V 。 取RG=1k Ω,RF=4k Ω。 三、电路仿真

1：基准电压源的单独仿真

经过反复调试，最终选择 RJ2=31.02kΩ，此时输出电Vout=7.5V。

2、测温电桥的单独仿真

当四个电阻都相等时，理论上电桥输出应为0，实际存在偏差，输出为-0.074nV。

当

在基准电压为7.5的时候，对于R3阻值在99KΩ，101KΩ时的分别仿真

3：放大电路的单独仿真

在R3=99KΩ时的仿真

在R3=101KΩ时的仿真

4.

4：整体电路仿真

在R3阻值改变时，输出电压变化，R3=99KΩ时输出电压为

6.028V；当R3=101KΩ时，输出电压为-5.968V，这2数值都在误差允许范围内。

5：误差产生的分析

虽然在仿真时用的是理想的元器件但是，在计算放大倍数是RY1，RY2，RY3，RY4取了近似值，导致结果输出不是+6V和-6V。

四、主要元件参数和元件列表

基准电压源测温电桥放大电路

运放理想运

放

运

放

理想

运放

运

放

理想

运放

V1 10V R1 100kΩRY1 10kΩRJ1 82.6kΩR2 100kΩRY2 124kΩ

RJ2 29.88kΩR3 100±1k RY3 10kΩ

RJ3 9.25kΩR4 100kΩRY5 124kΩ

RJ4 31.5kΩRY6 10kΩ

RJF 1.9kΩRY7 124kΩ

R5 124kΩ

D1 虚拟二极

管

N4734A

稳压

管

注：图中RY2，RY5即为计算放大倍数时的“RY2”；RY3，RY6即为计算放大倍数时的“RY3”，RY7，R5即为计算放大倍数时的“RY4”，RY1不变。

五、总结

1.通过本次模拟电子技术课程设计，巩固了模拟电子技术课程中

学习的理论知识，例如同相比例电路﹑反相比例电路﹑实际运

放﹑稳压管等知识；

2.通过在网络中寻找实际元件参数，锻炼了自己阅读技术资料的

能力；

3.初步掌握了Multisim2001用于模拟电子技术的仿真方法，初

步了解了计算机辅助设计的方法；

4.通过参阅参考文献，了解了更多关于铂电阻测温传感器的知

识；

5.本次课程设计还有相当多的不足和缺点，例如：仿真设计时没

有考虑稳定对其他元件的影响；仿真是没有具体对实际运放进行失调电压和失调电流的调零；选取某些电阻时使用的虚拟电阻，没有采用实际电阻，缺乏实用性；对误差的分析比较简单，希望通过本次课程设计，进一步掌握计算机辅助设计的能力，对本试验题目做进一步改进。

六﹑参考文献

[1]. 太原理工大学信息工程学院自动化系. 模拟电子技术课程

设计指导书. 太原理工大学. 2007.5

[2]. 周凯. EWB虚拟电子实验室—Multisim 7 & Ultiboard 7

电子电路设计与运用. 电子工业出版社. 2006

[3]. 华成英. 模拟电子技术基础(第四版). 高等教育出版社.

2006

摘要： 设计一个放大器系统，当电阻值变化±2%时，放大电路能

够产生±8V 的输出电压。要求偏差为0时输出为0，偏差为2%时输出为8V ，偏差为-2%时输出为-8V ，误差不超过±5%。 一、电路结构及原理说明：

该电路由四部分组成：基准电压源电路、测量电桥电路、放大电路、电平转移电路。

电路框图如下所示：

1．基准电压源：为测量电桥提供一定精度要求的7.5V 基准电压，采用5.6V 稳压管与同相比例运算电路结合实现。

2．测量电桥电路：当电桥的所有阻值都相同时，输出电压为零。当有一电阻发生变化时将会有电压输出。此电路可以等效为传感器测量电路，测取的温度变化量并将其转化成电压变化。

3.放大电路：

放大电路用于将测温桥输出的微小电压变化（ΔV ）放大，使其满足性能要求。放大电路采用两个同相电压跟随器（作为输入缓冲器）与两级放大器组成，其中第一级放大器为差动放大器，第二级放大器为可以方便调节的反相比例运算电路。

5.电平转移电路： 二、测量电路和参数计算

基准电压源

测量电桥

放大电路

电平转移电路

1、基准电源电路

基准源输出电压为V+=7.5V ，稳压管电压为5.6V ，取稳压管的稳定电流为1~1.2mA 。 根据基准源电路有

Vz RJ RJ Vo )1

2

1(1+

=

34.16

.55

.7)121(1==+=RJ RJ Vz Vo 得到：

34.01

2

=RJ RJ 选RJ2=30k Ω，可得RJ1=88.1k Ω。 由于 JF

JF F R R Vz Vo I 6

.55.7-=-=

R11

R21

R22

R31

R32

R41

R42

vo

vi1

vi2

.

.

.

VS

RJ1 RJ2

RJ3 RJ4

RJF DJ1

Vz

V+

.

.

.

.

R1 R3

R4

R2(1+δ|)

Vo .

.

.

.

.

.

. .

若取IF=1mA ，则有

JF

R mA 6

.55.71-=

得到RJF=1.9k Ω。

电阻R3和R4的计算： 由稳压管开始启动的条件：

7.04

34

+≈+>+Vz V Vz Vs R R R D J J J

设V S 、R J3、R J4组成的电路向稳压管提供的电流为0.2mA ，

若流过R4的电流也为0.2mA ：则由下式： mA 2.07

.06.54

4=+=

J RJ R I 可得R J4=31.5k Ω

因为流过R J3电阻的电流为0.4mA ，所以 mA 4.03

.63

3=-=

J RJ R Vs I 取V S =10，得到： k Ω25.94

.03

.6103=-=J R 验证

V 3.67.073.7105

.3125.95

.31434=+≈+>=+=+Vz V Vz Vs R R R D 这是一个启动电路。

VS

RJ3

RJ4

DJ1

.

.

.

5.6V

0.2m A

0.2m A

0.4m A

.

.

2、测量电桥的计算

++++≈++=+-+++=V R R R R V R R R R V R R R R R R Vo ）2

12

||1())1(212||1(]2121)1(2)1(2[

1δδδδδ

式中V +是电桥的基准电压。由于Vo1与电压V 成正比，因此V 应该由基准电压源电路提供。

取V=7.5V ，电桥的R1=R2=R3=R4=100k Ω。

V 0375.0)5.7)(4

02

.0())(4())(21)2||1(

1===+=++V V R R R R Vo δδ 这里δ=0.02，V+=7.5V 。

3、放大电路的计算

如果对于Vo1=0.0375V 时，输出电压为8V ，则有放大倍数为8/0.0375=213.33倍。 则对于放大器有

)11

21

21(31417.2661R R R R Vo Vo +== 一般希望RY4/RY3和RY2/RY1 有相同的数量级。

令R11=10k Ω，R21=100k Ω，则1+2R21/R11=21，R41/R41=10.159 若令R31=5k Ω，则R41=50.793K ω 其中R21=R22，R31=R32，R41=R42

4、电平转移电路

b m +-=81

b m +=85 联立解得，得到16/5=m ，5/2=b 。

)

)(())(6

(

655165G

G F G G F IN IN OUT R R R R R R V R R R R R R V b mV V +++++=+= ))((

656G G

F R R R R R R m ++= ))((

6551G

G

F R R R R R R V b ++= 取R5=96k Ω，R6=4k Ω,得V1=0.4166V 。 取RG=1k Ω,RF=4k Ω。 三、电路仿真

1：基准电压源的单独仿真

经过反复调试，最终选择 RJ2=31.02kΩ，此时输出电Vout=7.5V。

2、测温电桥的单独仿真

当四个电阻都相等时，理论上电桥输出应为0，实际存在偏差，输出为-0.074nV。

当

在基准电压为7.5的时候，对于R3阻值在99KΩ，101KΩ时的分别仿真

3：放大电路的单独仿真

在R3=99KΩ时的仿真