2022年调理电路课程设计方案 .pdf

《2022年调理电路课程设计方案 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年调理电路课程设计方案 .pdf（18页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、个人资料整理仅限学习使用华东交通大学课程设计报告题目：信号调理电路课程设计院系：机电工程学院专业：测控技术与仪器姓名：吴荣学号：20080310110127 指导老师：李鹏周建民同组成员：李海桃精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用目录设计任务书 3 序言 5 一：信号调理电路方案选择6 1.1 信号调理电路的功能及目的6 1.2 信号调理电路的要求7 1.3 信号调理电路的基本组成7 1.3.1 放大电路 7 1.3.2 信号调制解调电路 7 1.3.3 滤波电路 7 1.3.4 信号调理电路

2、工作的框架图7 二：信号调理电路各部分电路设计8 2.1 放大电路的设计 8 2.1.1 放大电路的基本要求8 2.1.2 同相放大电路的设计8 2.2 滤波器的设计 8 2.2.1 低通滤波器的设计 8 2.2.2 高通滤波器的设计 10 2.2.3 带通滤波器的设计 13 三、心得体会 15 四、主要参考文献16 五、附录 17 附录一 17 附录二 18精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用设计任务书一、总要求能够独立进行小型检测模块系统方案的设计及论证，选择合理的传感器、设计必要的接口电

3、路等，以及合理选择有关元器件及正确使用相关工具与仪器设备等，并且能结合实际调试与实验进行有关精度分析与讨论。二、总任务针对总要求进行原理及方案论证、模块设计、接口电路设计、焊接或插接与调试、精度分析以及撰写报告等工作。三、设计题目信号调理电路四、设计内容设计一个放大电路以及三个滤波器低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器）五设计进度或计划1、准备及查阅资料一天2、方案设计及论证 总体方案）二天3、硬件电路设计、画图 PROTEL）三天4、实验室调试及结果分析二天5、整理报告及准备答辩二天六、设计说明书包括的主要内容1、封面2、目录3、设计任务书4、正文 可按下列内容撰写、仅供参考）1）序言可包括系

4、统工作原理的介绍等。2）方案设计及论证可按模块进行方案设计与论证；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用各模块设计中应包括适当的精度分析及选型等。3）实验或系统调试可包括实验调试工具仪器、实验结果及适当的分析等。4）心得体会5）主要参考文献另：说明书的撰写格式应符合一定的要求，可参照华东交通大学本科生毕业论文撰写规范进行。七、考核方法考核可根据学生平时学习态度含出勤率） 20% 、设计完成情况样机）40% 、图纸及说明书质量 含答辩） 40% 确定。精选学习资料 - - - - - - - -

5、- 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用序言信号的调理是测试系统不可缺少的重要环节。被测物理量经传感器后的输出信号通常是很微弱的或者是非电压信号，如电阻、电容、电感或电荷、电流等电量，这些微弱的信号或非电压信号难以直接被显示或通过A/D 转换器送入仪器或计算机进行数据采集，而且有些信号本身还携带有一些我们不期望的信号或噪声。因此，经传感器的信号尚需经过调理、放大、滤波等一系列的加工处理，以将微弱电压信号放大、将非电压信号转换为电压信号、抑制干扰噪声、提高信噪比，以便后续环节处理。其中信号放大电路是为了将微弱的传感器信号，放大到足以进行各种转换

6、处理，或推动指示器、记录器以及各种控制机构。放大电路的种类多种多样，如差分放大电路、电荷放大电路、电桥放大电路、同相放大电路、反相放大电路等。为此本人在这次信号调理电路中用了同相放大电路，与反相放大电路相比，同相放大电路具有高输入阻抗，但也有易受干扰和精度的不足。而滤波器电路可以从频率中对噪声的抑制，提取所需的测量信号，是测试系统必不可少的组成成分。其工作原理是当信号与噪声分布在不同频带中时，可以在频率中实现信号分离。在实际测量系统中，噪声与信号往往有一定的重叠，如果重叠不是很严重，仍课利用滤波器有效的抑制噪声功率，提高测量精度。一般来说，测量精度在很大程度上由测量信号频带内有用信号功率之比，

7、即信噪比决定。除滤去噪声外，滤波器号可以分离各种不同的信号，例如将传输线路中不同信号分开，将调制信号与载波信号分开，提取特定频率成分的信号等。当信号经过调制解调后再依次经过以上两种电路，通常会得到所需的较理想的信号。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用一：信号调理电路总体方案选择1.1 信号调理电路的功能及目的大多数传感器 修正测试系统的某些误差，如传感器的线性误差、温度影响等。1.2 信号调理电路的要求对信号调理电路的主要要求了概括为精、快、灵、可靠，当然也还有一些其他的要求，例如量程和经济

8、性等。1.2.1 精度高精度是信号调理电路的关键，要求测量装置准确地反映被测对象的状态与参数。为了实现高精度，信号调理电路应具备低噪声与高抗干扰能力、低漂移、高稳定性、线性度与保真度好等性能。1.2.2 合适的输入与输出阻抗若测量电路的输入阻抗太低，在借入电路后，就会使感器的状态发生变化。从不影响前级的工作状态出发，要求是使电路有高输入阻抗。但输入阻抗高，输入端的噪声也就越大，因此合理的要求是使电路的输入阻抗与前级输出阻抗相匹配。同样若电路的输出阻抗太大，在接入输入阻抗较低的负载后，会使电路输出下降。要求电路的输出阻抗与后级的输入阻抗相匹配。精选学习资料 - - - - - - - - - 名

9、师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用1.2.3 动态性能好测量电路没有良好的频率特性、高的响应速度，就不能准确地测出被测对象的状况，无法对被测系统进行准确地控制。1.2.4 高识别力和分辨力一个实际的信号中不仅包括信号与噪声，而且信号中包含具有不同特征的信号，例如不同频率的信号。这些不同特征的信号可能由不同的源泉产生，可有不同的物理含义。对于这些信号进行分析、辨别的任务首先落在调理信号身上，其次通过调理电路对信号进行转换，与计算机一起完成进一步的识别与分辨。1.2.5 可靠性高一种电路，无论在原理上如何先进，在功能上如何全面，在精度上如何高，若

10、可靠性差，故障频繁，不能稳定工作，则该电路就无使用价值。因此电路的可靠性要求是十分必要的。可靠性要求，就是要求电路在一定时间、一定条件下不出故障地发挥其功能的概率要高。1.3 信号调理电路的基本组成1.3.1 放大电路由于很多信号幅度比较小 , 所以需要通过放大器来提高测量的精度。放大器通过匹配信号电平和 A/ D 转换器的测量范围 , 来达到提高测量分辨率的目的。1.3.2 信号调制解调电路在测量中，进入测量电路除传感器输出的测量信号外，往往还有各种噪声。而传感器的输出信号一般也很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测量电路的一项重要任务，。为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予

11、一定的特征，这就是调制的主要功用。在将测量信号调制，并将它和噪声分离，再经放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，着一过程称为解调。1.3.3 滤波电路通常被测信号是由多个频率分量组合而成的，而且在检测中得到的信号出包含有效信息外，还有噪声和不希望得到的成分，从而导致真实信号的畸变和失真。所以希望采用适当的电路选择地过滤掉不希望得到的成分或噪声。滤波精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用和滤波器便是实现上述功能的手段和装置。其中滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、

12、带阻滤波器。1.3.4 信号调理电路工作的框架图二：信号调理电路各部分电路设计2.1 放大电路的设计2.1.1 放大电路的基本要求由于传感器的输出电信号是很微弱的，通常对放大电路的基本要求有1）放大电路的输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；2）稳定的放大倍数；3）低噪声； 4）低的输入失调电压和失调电流，以及低的漂移；5）足够的带宽和转换速率 ( 无畸变地放大瞬态信号；6）高共模输入范围和高共模抑制比；7）可调的闭环增益； 8）线性好、精度高等2.1.2 同相放大电路的设计基于以上要求和实验室条件，本次课程设计我们采用了同相放大电路。2.2 滤波器的设计?2.2.1 低通滤波器的设计2.2.1.

13、1 低通滤波器的作用与组成为了降低信号调制频率以外的高频干扰信号, 加入了此低通滤波器将之滤除。低通滤波由双运放集成电路OP07 构成。 OP07 高精度、低偏置、低功耗等特点片内集成两个运放电路, 可灵活构成各类放大和滤波电路。2.2.1.2 低通滤波器的设计低通滤波电路如图所示：传感器放大电路解调器滤波器运算电路A/D 转换计算机显示振荡器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用根据课设要求可用以上二阶切比雪夫低通滤波器，其响应特性如下：二阶切比雪夫低通滤波器响应曲线切比雪夫滤波器的特点是在通

14、带内，具有相等的波纹。在阶数N一定时，波纹越大，截频衰减陡度越陡。相位响应也是非线性。在实验中，当输入频率为 100Hz有效电压为 0.1V的正弦波时，经过上述放大电路和低通滤波器时，可得到一频率仍为100Hz 有效电压为 3.598V的正弦波。输出波形如下图所示：图中R11 、R12 、C11 、C12 构成二阶压控有源低通滤波器为不损失其高频成分 , 截至频率设计为 : f=/2 = 1/ sqrt(C11C12R11R12 2. 可得其截止频率为 1000Hz 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 18 页个人资料整理

15、仅限学习使用而当输入频率为 2000Hz 有效电压为 0.1V的正弦波时，经过上述放大电路和低通滤波器时，其输出很小，电压只能达到383.28mV 。如下图所示：可知，该低通滤波器设计较合理。可达到较理想的结果。2.2.2 高通滤波器的设计2.2.2.1 二阶高通滤波器的传递函数由此可知，高通滤波器可以由低通滤波器以/s 代替 s/因此巴特沃斯或切比雪夫高通滤波器的二阶传递函数为：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用2.2.2.2 高通滤波器的作用与组成为了降低信号调制频率以外的低频干扰信号

16、，加入了此高通滤波器将之滤除。其由 R 、C 、和运算放大器 OP07 组成。2.2.2.3 高通滤波器的设计压控电压源高通滤波器由此可知：解得：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用若 k1，则 R3 所在之路相当于开路，而R4 可为任意值，一般，在实际使用中，将 R4 所在支路短路，此时该运放实际上起电压跟随器的作用，电阻R1 和R2的值不变。由上可知，得实际高通滤波器如下图：根据课设要求可用以上二阶切比雪夫高通滤波器，其响应特性如下：二阶切比雪夫高通滤波器响应曲线图中R11 、R12 、

17、C11 、C12 构成二阶压控有源低通滤波器为不损失其高频成分 , 截至频率设计为: f=/2 =1 / sqrt(C11C12R11R12 2. 可得其截止频率为 5000Hz 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用在实验中，当输入频率为 10000Hz 有效电压为 0.1V的正弦波时，经过上述放大电路和高通滤波器时，可得到一频率仍为10000Hz 有效电压为 3.564V的正弦波。输出波形如下图所示：当输入频率为 1000Hz时，经过上述放大电路和高通滤波器时，可得到一频率仍为 1000

18、Hz有效电压为 350.463mV的正弦波 .输出波形如下图所示：亦可知，该高通滤波器设计较合理。可达到较理想的结果。2.2.3 带通滤波器的设计2.2.3.1 带通滤波器的作用带通滤波器可认为是上述低通滤波器与高通滤波器的组合，可实现两频率之间的信号通过，滤去高频和低频成分。2.2.3.2 带通滤波器工作原理精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。比如RLC 振荡回路就是一个模拟带通滤波器。一个理想的带通滤波器应该有平稳的通带 。滚降

19、斜率通常用dB 度量来表示频率的衰减程度。一般情况下，滤波器的设计就是把这一衰减区域做的尽可能的窄，以便该滤波器能最大限度接近完美通带的设计。2.2.3.3 带通滤波器的设计本次设计的上下截止频率分别为：fL=1000Hz,fH=5000Hz。带通滤波电路如图所示根据课设要求可用以上二阶切比雪夫带通滤波器，其响应特性如下: 二阶切比雪夫带通滤波器响应特性通过仿真可得到以上相同的输出波形，可知该带通滤波器设计合理。带通滤波器的中心频率 f0 和带宽 BW 之间的关系为：Q= fo/BW = fo/(fH fL 2）由1）2）可得：fL=1000Hz,fH=5000Hz 精选学习资料 - - -

20、- - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用三、心得体会刚拿到这个题目时有点不知所措，但经过静下心来认真思考后，经过不断查阅资料和课本后，便有了一点头绪。于是开始思考其原理并画其原理图。由于本身对此电路不是非常熟悉，于是起初在画原理图的过程中难免会有错误，但通过与老师的沟通后，便能单独的画出其原理图。画完原理图后，通过Multisim仿真软件，可以仿真出其波形。并得到较为理想的信号。信号调理电路因传感器的输出信号不同，这里本人按要求只设计了放大电路和三种滤波器 低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器）。于是，本人按部就班，按步骤

21、先设计放大电路，再依次设计低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器。对于放大电路，相对来说还是比较熟悉，通Protel画出原理图，通过仿真便可得到放大电路后的电压。对于对放大电路的实物连接，相对来说也不难。按照前面的电路图在电路板上连接好后，本人用了20mV的输入电压，经两级放大后得到400mV 左右的电压，放大倍数只达到20 倍左右，而理想的可达到36 倍，有点差距。但这属于正常现象。对于滤波器而言，相对放大电路来讲要难一点，同样是按照先画原理图，其次是仿真，再按照原理图连接实物图，最后调试。通过 Multisim仿真软件对上述电路仿真后，得到的波形比较理想，但在实际的实物电路图中，却不那么理想，

22、由于外界的干扰不稳定，导致最后通过滤波器后的波形的不稳定，有时较理想，有时却相差较大。虽然有诸多的外界干扰因素，但是我仍然还是耐心的经过多次测量和调试。最终还是能得到较为正常的波形。当然结果出来了，总算这两个星期的努力算是没有白费，从中学到了不少与电路有关的知识，也对先前的课程有了更加深刻的见解。但也意识到了自身还有许多的不足，对电路知识的认识缺乏。同时也激励自己今后一定要在相关的方面下功夫，努力钻研，刻苦学习。希望今后能对这精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用方面更加了解，对专业知识更加精

23、通！四、主要参考文献1 张国雄，测控电路，北京，机械工业出版社，2008年2 和卫星等，电子电路CAD实用技术，合肥，中国科技大学出版社，2008年3 高光天，传感器器与信号调理期间应用技术，北京，科学出版社，2002年4 吴兴惠等，传感器与信号处理，北京，电子工业出版社，1998年5 熊诗波等，机械工程测试技术基础，北京，机械工业出版社，2006年6 王丽敏等，电路仿真与实验，哈尔滨，哈尔滨工程大学出版社，2000年精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用五、附录附录一a）b）信号调理电路原理图a:滤波器为低通； b:滤波器为高通）信号调理电路实物图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 18 页个人资料整理仅限学习使用附录二原始输入信号波形未经滤波的波形经滤波器后的波形精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 18 页