测控电路课程设计报告

目录

1设计任务 (1)

2实验目的和要求 (1)

3实验仪器和元件 (1)

4电路设计 (1)

4.1传感器信号分析 (1)

4.2信号处理流程设计 (2)

4.3详细电路设计 (2)

4.31电荷方法器 (3)

4.32电压放大电路设计 (4)

4.33峰值检波电路 (4)

4.34比较器电路和二极管发光电路 (5)

4.35电源去耦电路 (5)

5、电路处理流程信号分析： (6)

5.1 各处理流程信号分析： (6)

5.2 调试过程 (7)

5.3 最终测试结果及评价 (7)

5.4 传感器信号的进一步讨论 (7)

6心得体会 (8)

7参考文献 (8)

1设计任务

利用压电式加速度传感器，设计电路，对振动幅度或加速度进行测量。并完成以下任务：

1、分析传感器输出信号特点及与物理量的关系；

2、输出为0-5V直流电压；

3、当振动超过一定阈值时，点亮指示灯报警；

4、根据实验结果分析输入输出关系；

5、进一步分析碰撞检测的方法，并通过实验得到一种碰撞出现的信号特点。

6、撰写设计报告。

2实验目的和要求

通过本课程设计的训练，利用所学知识，综合传感、检测、测控电路课程内容，进行系统设计、电路设计与软硬件调试。锻炼知识的综合运用能力和动手能力。

3实验仪器和元件

设备：示波器、电源、信号发生器。

材料：传感器、面包板（实验板）、连接线、电阻、电容、二极管、发光二极管等。

元器件：运算放大器、比较器等。

4电路设计

通过对电路的特点进行分析，从传感器的信号特点设计信号检测电路。压电传感器的输出信号为电荷，那么第一级应该是电荷放大器，其次根据需要加入一定的电压放大电路、滤波电路等。

4.1传感器信号分析

压电式传感器是一种典型的有源（或发电型传感器）。它以某种电介质的压电效应为基础，在外力的作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测的目的。

压力传感器元件是力敏感元件，所以它能测量最终转化为力的那些物理量。

压电式加速度传感器的结构一般有纵向型、横向效应型和剪切效应型三种。

纵向效应型是最常用的一种结构。当传感器受到振动时，因为质量块相对被测量物体的质量较小，因此质量块与传感器几座形同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力为F ma =。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为

3333q d F d ma == （1）

根据电荷放大器接线法的特点和输出信号的特点，可知试验箱的连接方式为并联接发输出，输出为电荷。

通过用质量为m ，弹簧k ，阻尼c 的二阶系统来模拟，分析化简得到加速度传感器的灵敏度与频率的关系式如（2）式所示

3320y

d k q a =（2）

从（2）式可知输出信号的频率响应特性为低通。

从频率特性的特点分析可知，当被测振动频率ω远小于传感器的固有频率0ω时，传感器的相对灵敏度为常熟，即是

33200

y d k q a ω= （3） 由于传感器的固有频率很高，因此频率范围较宽，一般在几Hz 到几千Hz 。但是需要指出，传感器低频响应与前置放大器有关。同时可以看出，传感器的输出信号是正比于加速度的电荷信号，由于振荡器做简谐运动，其加速度也是关于时间的正弦信号，所以输出信号也是正弦信号。

4.2信号处理流程设计

因为实验箱中的传感器输出信号是电荷，电荷信号不方便测量分分析，应现将电荷信号转化成电压信号，那么先需要一个电荷放大级，将电荷信号转化成电压信号，同时注意在电荷放大器中的下线截止频率，由于电荷放大级输出的信号比较小，不方便测量分析，所以在电荷放大级的后面应该还有一级电压放大级，对电荷放大器的输出信号进行电压放大，由于放大器是有源器件，会在输出信号中引入50Hz 的工频干扰信号，所以还需要一级滤波电路用于滤出干扰信号，因为电压放大电路有滤波的作用，所以只要在对放大器的参数设计时考虑其上限截止频率即可达到滤波器的作用，那么就不用在增加滤波电路，所以整个系统由电荷放大级和电压放大级组成。

4.3详细电路设计

从上面的分析可知，电路由电荷放大电路和电压放大电路组成，下面将分别对两级电路的设计进行分析。

4.31电荷方法器

电荷放大电路是一种输出电压与输入电荷成正比的测量放大电路。因此，电荷放大电路也称为是电荷-电压转换电路。

当运算放大器的放大倍率足够大时，输出电压与输入电荷的关系如式（4）所示

01j QR U j RC

ωω=-+ （4） 由（4）式可知，输入信号的频率趋于无穷大时，0/u Q C =-，因此，电荷放大电路的增益下降3dB 时，对应的下线截止频率如（5）式。

1/(2)L f RC π= （5）

电荷放大器的高频特性主要与N 的开环频率响应有关，因为振荡器的频率是1-30Hz 小于的信号，所以电荷放大器的上限截止频率应选用较低。电荷放大器的基本结构如图1所示

图1 电荷放大器基本电路

根据实验需要，初步选择截止频率是1Hz ，参照PV-96加速度传感器[2]的测量电路可知电容应该尽量选择较小的值，所以选择电容为10000pF 。通过计算截止频率得到电阻值

12

1114.63221000010R M c ππ-===Ω??? 为了方便电阻的选择，可以让截止频率有一定的变动，最终选择电阻值为3 3.39.9M M ?Ω=Ω，计算得到截止频率为1.6Hz 。为了在输入电压过大时起保护作用，在电荷输入端和放大器的负输入端加入保护电阻取为30K 。同时采用LF412作为电荷放大器和前级电压放大器的运放，LF412为高速、JFET 输入、低失调电压的双运放。所以得到电荷放大器的电路如图2所示

图2 电荷放大电路

4.32电压放大电路设计

因为电压级放大电路同时作为滤波电路的作用，同时又要考虑放大倍数；首先放大倍数应该大于10，上限截止频率应该小于50Hz ，选择电压放大电路如图3所示

图3 电压放大电路

在电压放大电路中，放大倍数为100倍，电容式两个103串联得到的5000pF 。所以得到的上限截止频率为

612

1131.822 3.14161010500010f Hz RC π-===????? 4.33峰值检波电路

峰值检波电路利用电容的充放电完成的。峰值检波电路的前后级都加入了射级跟随器，使得输入阻抗足够小，输出阻抗足够大。在峰值检波电路中，起主要作用的是电容C11。通过对C11充电从而得到峰值电压。峰值检波电路的电路图如图4所示

图4 峰值检波

4.34比较器电路和二极管发光电路

比较器用于把峰值检波输出的直流电压与预设的报警电压进行比较。本系统中采用LM339。本系统采用最简单的单限比较器，输出通过上拉电阻，只要输入正端大于输入负端电压就输出高电平，否则输出低电平。通过滑动变阻器来调节比较电压。二极管发光电路采用比较简单的连接方法，直接将输出电压通过分压电阻连接到放光二极管即可。详细电路图见图5所示。

图5 比较器和发光管电路

4.35电源去耦电路 去耦电路一般是由一个较大容量的电容和一个或多个小容量的并联组成，尽量近地接到用电器件的电源输入引脚，用于减少其他器件和本身的频繁开关切换，对电流引起变化产生的串扰信号。多级放大电路放大倍数很大，来自电源的微弱串扰信号会被很容易的放大到输出，影响放大信号的质量。之所以使用一个大电容和一个小电容并联组成去耦电路，是应为大电容回滤除频率较低的干扰，而小电容则凭着天生的小体积优势，具有很小的ESR 和ESL ，使得高频干扰滤地，净化电源。本系统采用10F μ和0.1F μ的电容并联而成，详细见图6。

图6 电源去耦电路

图7是系统的完整电路图，由于电路的篇幅没有把电源去耦电路给出，但是下图也能体现整个电路的设计过程。

图7 系统电路图

5、电路处理流程信号分析：

5.1 各处理流程信号分析：

前级压电传感器输出为电荷信号，经过电荷放大器，把电荷转换为电压输出，但是输出的电压非常小（几十mv），所以经过电压放大器，然后通过电压放大器，放大倍数约100倍，将信号放大至0到5V的范围内，由于电荷放大级和电压放大级分别相当于高通和低通滤波器，两者组成了带通滤波器，对信号进行平滑滤波，输出电压信号通过一个峰值检波电路得到信号的峰值。峰值经过电压比较器并输出驱动发光二极管或蜂鸣器，对于检测阈值可以由滑动变阻器进行调

节。

整个信号处理的流程为电荷信号—小幅度电压信号——0到5V 电压信号——直流信号（峰值）—电平信号（比较器结果）。

整个信号流程中，最需要注意的是前级的放大，由于信号幅度太小，对放大电路的要求特别高，所以需要对运放进行电源滤波。

另外，为减小系统的电源复杂性，统一采用±15V 电压供电；比较器电路对电源影响较大，因此系统对比较器的电源添加了100μf 的电容，防止电源电源产生较大的波动。

5.2 调试过程

检验电路时，未添加峰值检波电路，当振动超过一定幅度，LED 放光二极管闪烁发光。由于设计时电压放大级放大倍数为10，输出电压信号较小，不满足设计要求，而且干扰较大，所以将R3由100K Ω并联了10K Ω的，放大倍数大于100倍，输出电压峰峰值明显增大，检测结果很好。

此时，为电路添加了峰值检波电路，开始为电路添加了隔直流电容，但是导致输出电压变小，结果不理想，所以经过分析，是电容较大引起，详细考虑后，电路上去掉了隔直电容，输出结果正确。

5.3 最终测试结果及评价

电荷放大器的输出电压峰峰值为pp V ＞40mV ，放大器输出pp V ＞10V ，检测电平为4.8V ，，电压放大级输出工频干扰信号pp V ＜1V 振动频率为10.8Hz （振幅最大），临界亮灯响应时，电荷放大级和电压放大级输出波形良好，峰值检波电路输出电平波动较小。

通过比较器上的滑动变阻器设置比较电压（对应报警加速度），当调整振动频率使得加速度超过报警加速度时，发光二极管点亮，当加速度低于报警加速度时，发光二极管熄灭。

本系统能很好的完成报警的功能，系统的灵敏度高。本系统考察了对低频小信号的处理能力，涉及到各种基本的测控电路如放大、滤波、检波、比较等。

5.4 传感器信号的进一步讨论

本实验台的传感器为压电加速度传感器，输出信号为电荷信号，所以一般是通过采用电荷放大器将电荷信号转换为电压信号，然后在后级对电压信号进行放大滤波等处理来达到调理信号的目的。但是并不是一定要用电荷放大器处理传感器输出，传感器输出仍会表现出电压信号，只是输出阻抗非常大，所以很难处理，但是如果采用高性能的放大器，如仪表放大器等进行信号调理，还是可以实现的，

所以也可以采用电压放大器的方式处理传感器信号。

6心得体会

本系统由李晶、邓彬共同设计完成，邓彬主要负责调试电路和电路调试结果的分析、撰写。李晶主要负责电路的设计和实验报告的撰写工作，系统设计主要参照测控电路课本中的加速度传感器的设计电路。通过调试得到比较合理的实验结果，满足实验要求，得到较好的输出波形。

在整个课程设计的过程中，虽然我是负责设计和撰写实验报告，但是在第一次调试过程中，由于放大器坏了（之后才发现的），没有实验现象，也没有波形。所以我们决定再焊一块板子，因为第一块板子是邓彬完成，所以第二块板子是由我完成的，虽然之前实验做过这样的工作，但是和电设的同学相比，板子的外形有点过分，不过还是完成了任务。无奈的是板子的接触不太好使得电路的现象不稳定，无意中将放大器换到之前的板子上发现有现象。所以我和组员进行分工调试，各负责一块板子的调试工作。不幸的是我调试的板子没有出结果，幸好邓彬负责的板子出了实验结果，但是第二级输出的波形不太好，考虑到第二级滤波电路的下限截止频率，我建议采用较大的电容，将两个103串联接在一起组成5000pF的电容，从而降低电路的下限截止频率，达到滤波的作用。最后得到最终的电路图，且结果还好。

在设计过程中，更加深刻的理解了测控电路课本上的加速度传感器的电路图中每个元件的实用意义。同时在查找各种功能电路图是了解了一些不太注意的应该知道的小知识。同时在调试电路的过程中不得不向同学请教的一些比较简单的知识还是很实用的。画电路时还把软件复习了一遍，感觉收获还是挺多的。

同时感谢各位老师的知道和支持。

7参考文献

[1] 张国雄等主编. 测控电路. 北京：机械工业出版社，2000.9

[2] 王化祥等主编.传感器原理及应用. 天津：天津大学出版社，2007.2

[3] 康华光主编. 模拟电路. 北京：高等教育出版社，2002.3