测控电路(交流电桥课程设计)

湖北工业大学
课
程
设
计
课程名称：测控电路课程设计
课题名称：交流电桥的设计
专业班级：13测控1班
姓名：学号：
指导教师：
2016年6月1日~6月6日
目录
1.概述————————————————————3
2.总体方案设计————————————————3
3.电路设计及参数计算—————————————4
a.滤波电路———————————————4
b.电桥差分放大电路———————————8
c.绝对值电路——————————————12
4.硬件设计—————————————————18
5.软件设计—————————————————19
6.总结———————————————————20
一．概述
在这次的课程设计中，老师给我们了多个题目供我们选择，大都是我们我们平时在上课时学习过的，像惯性电路相差计算，交流电桥输出电路，设计一个光电计数电路，设计微积分电路等，我选择了交流电桥的，在制定操作方案的过程中我们遇到了一些问题，去办公室请教了老师，等到了一些指点，我们这个题目要求我们实现如下６个小目标。

1、设计一个方波信号输出电路；
2、把方波信号编程三角信号
3、设计一个交流电桥电路；
4、设计电桥差分放大电路；
5、设计放大信号的绝对值电路；
6、设计绝对值变直流的电路；
二．总体方案设计
我们通过编程利用５１单片机输出一个方波，提供最原始的激励信号，然后通过滤波电路得到正弦信号作为ｖｉ提供给差分放大电路，经过差分放大后的信号作为ｖｏ。

利用ｖｉ和ｖｏ作为输入，设计两个半绝对值电路，得到｜２ｖｉ｜，一个反向器得到（－ｖｉ），一个加法器，最后得到｜ｖｉ－ｖｏ｜＋｜ｖｉ＋ｖｏ｜的值，最后利用一个ＲＣ电路对其进行整流，得到绝对值变直流的电路。

三．电路设计及参数计算
在电路设计过程中我们我们将整体电路进行了划分，将其分为三大部分＜１＞滤波部分＜２＞差分放大部分＜３＞绝对值部分，下面我从第一部分讲起。

（１）滤波部分
（仿真滤波电路图）
滤波电路图如上，电阻都选用１ｋ的，ｃ１选用１.０ｕｆ的，ｃ２选用２２０ｕｆ，从以上电路图中可知，我们首先对最原始从单片机产生的方波信号进行了方波整流，注意第一个三极管为ＰＮＰ，第二个为ＮＰＮ管，利用三极管的单向导通性以防止方波的失真现象。

然后将这个信号作为ＲＣ电路的信号源，利用ＲＣ电路进行一次滤波，得到三角波信号，然后利用一个带通滤波器得到我们所需要
的正弦激励信号。

计算过程如下：
利用传递函数得到ｖｉ
（Ｖ－Ｖ１）／Ｒ＝Ｃ１＊（ｄＶ１／ｄＴ）＝＞Ｖ１＝（Ｖ＋２．５）／（２＋ＲＣ１ＪＷ）所以有
Ａ（ｗ）＝１／（√４＋（ＲＣ１Ｗ）＾２）
Ψ（ｗ）＝－ａｒｃｔａｎ（ＷＲＣ１/２）再有
（Ｖ１－２．５）／Ｒ＝－（Ｖ１Ｏ－２.５）／Ｒ－Ｃ２＊（ｄＶＯ－２.５／ｄＴ）
Ｖ１Ｏ＊（１＋Ｃ２ＲＳ）＝５－Ｖ１
Ｖ１０＝（５－ＶＩ）／（Ｃ２ＪＷ＋１）
由于Ｖ１０＝ＶＩ，得到后续电路的ＶＩ．
注意本设计中的２．５ｖ电压都是利用电阻分压实现的，中间那点的电压即为２.５ｖ．
如下图
（2.5v偏置电压）
（原始方波信号）
（一次滤波后的三角信号）
（二次滤波后的正弦信号）（２）差分放大电路
（电桥电路）
通过调节Ｒ２１滑动变阻器的大小来改变电桥的平衡状
态。

（电桥差分放大电路）
通过调节滑动变阻器的阻值，使得电桥不平衡，有一个差值，我们利用电桥后面那一部分的电路，将电桥上下中间两点的电压放大，放大倍数可以通过调节三个电阻的大小来改变。

放大倍数＝（Ｒ１３＋Ｒ１４＋Ｒ１５）／Ｒ１４
在本课程设计中我选用了两个１０ｋ和一个１ｋ的电阻，放大了２１倍。

然后在两个放大运放后面接一个减法器，将这两个放大了２１倍的信号进行相减，得到他们的差分放大信号。

（减法器）
这两个放大了２１倍的信号进行相减，得到他们的差分放大信号。

它们的差分也为原差分的21倍。

（差分信号１）这是在滑动变阻器比较小时。

（差分信号２）
通过调节滑动变阻器阻值，在阻值越接近５０％时，电桥之间电压差为越小，这时波形越接近一条直线。

在阻值超过５０％后波形图的峰值反向，距离５０％的值越远，波形图的峰值越大。

（跟随器电路）因为后面的电路设计需要用到vi和vo，但是实际告诉我们如果直接用的话会产生失真现象，所以我们对vi和vo后面设计一个电压跟随器防止失真现象产生
（３）绝对值电路
（绝对值电路）
我们利用二极管的单向导通性来的到ｖｉ的绝对值，当ｖｉ大于０时，只导通下面一路电路R16为2k，这时R16与二极管之间的电压是vi的2倍（），上端电路不导通。

当vi小于0时只导通第一路。

（负绝对值）
（绝对值电路va1与va2）
（反向器）
利用反向器得到—vo（差分放大的输出），便于后面计算｜ｖｉ－ｖｏ｜＋｜ｖｉ＋ｖｏ｜
（绝对值电路1+反向器电路）
（绝对值电路+减法器）
（减法器）
我们可以利用如上电路得到我们所需的｜ｖｉ－ｖｏ｜＋｜ｖｉ＋ｖｏ｜的值，计算过程如下图。

要注意的是我们在计算｜ｖｉ－ｖｏ｜＋｜ｖｉ＋ｖｏ｜时，vi前的电阻为0.5r,要满足此公式成立的条件，即vo的幅值要小于vi。

通过调节滑动变阻器的阻值，一旦过了50%的平衡点，最后｜ｖｉ－ｖｏ｜＋｜ｖｉ＋ｖｏ｜的相位会随之发生变化。

(整直流)
此设计的最后一步就是要实现绝对值变直流。

我们利用一个电阻和一个电容的串联来实现。

（直流波形）
（电路整体仿真图）
四．硬件设计
硬件设计部分我们在实验室进行的，按照电路图接线，在板子上进行排版接线，实现我们仿真想要的到的效果。

（正面部分）
（反面部分）
五．软件部分
本设计的软件部分就是利用单片机产生一个方波信号，经过查阅资料以及向同学咨询，知道了产生方波就是利用51的时钟中断，每隔500ms进行一次翻转，得到频率为1000hz的方波信号，代码如下。

六．总结
为期一周的课程设计过得很快，在这一周里我不但学到了理论知识，更磨练了我的耐心以及细心。

在拿到老师供我们选择的题目后，选定了题目，在脑子里大概过了一下整体的思路，发现有不同的地方去找老师咨询，在接下来的两天里完成了软件制作部分，我们利用multisim软件进行仿真电路的设计，将整体电路分为了
三个模块，＜１＞滤波部分＜２＞差分放大部分＜３＞绝对值部分。

一个模块一个模块的去实现它，把本来很庞大的问题划分为小问题，逐个攻破。

通过与同学的讨论和查阅资料，经过两天的时间我们完成了它，并弄懂了它的原理。

后面就开始焊板子了，我们选择去实验室进行硬件部分，那里有示波器，应为这是一个看波形的设计，所以我们要在每完成一部分，就去检测一下是否焊成功，如果一股脑的焊到最后，后面板飞线一大堆，真出了问题检测都不知道从何入手。

在这个过程中，一定要细心以及小心，电路图原理图虽说有了，但和实际还是有差别的，原理图清晰，排版简单，但是实际上我们需要接线，一块很小的板子上接上很多飞线，就会杂乱不堪，一旦出问题很难找出来。

学习是一个过程，在这个过程中我们要有自己的思考，但不能只有自己的思考，还要有同学之间的互帮互助，共同学习使我们成长的更快，协作精神是我们所必须的，在这个过程中，如果老师在对我们进行指点一二，那真是锦上添花了，当然，大学学习不能只靠老师，自己去钻研才能将一门学问搞懂，学精。