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1、1测控电路课程设计测控电路课程设计报告报告题目人体电子秤设计院 系 仪器科学与光电工程专 业 测控技术与仪器 班 级 测控 1103 班 学 号 2011010677 学生姓名 刘俊博 指导老师 刘国忠 实验时间 2014.06-2014.07 实验成绩 2目 录一、课程设计目的及意义 3二、系统设计的主要任务 4三、总体方案设计 5四、电路设计64.1、传感器电路设计.64.2、信号调理电路设计.84.2.1、放大电路.84.2.2、调零电路计114.3、比较电路设计124.4、整体电路原理图14五、电路调试及实验数据分析.155.1、放大和调零电路调试155.2、比较电路调试155.3、实
2、验数据分析16六、总结196.1、技术总结196.2、个人感悟及建议19参考文献203一、课程设计目的及意义一、课程设计目的及意义测控电路课程设计是测控电路课程体系的一个重要组成环节，是按照测控电路设计与实践教学大纲所进行的独立实践教学环节。设计内容为典型测控系统电路设计,通过课程设计，使学生完成测控系统任务分析、电路总体设计、单元电路设计以及电路调试等各个环节,掌握有关传感器接口电路、信号处理电路、放大电路、滤波电路、运算电路、显示电路以及执行部件驱动电路等内容在测控系统中的使用方法,了解有关电子器件和集成电路的工作原理1。在课程设计中，做到理论联系实际，加深对理论知识的进一步理解，培养学生
3、综合运用所学知识进行工程设计的能力，包括动手能力，独立思考能力，以及分析和解决工程实际问题等的能力，学以致用。电子秤是用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，它的发明极大地方便人们称量物体的。电子称显示快速直观、操作简单，精度高。4二、课程设计要求和任务二、课程设计要求和任务设计一个人体电子秤测量系统，最大称重为 150KG ，能用输入电压范围 0-2V 的 3 位半数字显示表头显示体重，当体重大于 W1 时，点亮 LED1，发出声音提示；当体重小于 W2 时，点亮 LED1，发出声音提示，空载时灯灭。5三、总体方案设计三、总体方案设计本次课设题目设计过程中需要用到压力传感
4、器，放大器，比较电路，液晶显示和报警装置（蜂鸣器，LED） 。数字电子称通过传感器将称重电桥产生电压信号，此信号通过仪用放大器 AD620 进行放大，把较小的电压信号通过运算放大电路进行准确、线性的放大，以满足模数转换器对输入信号电平的要求，AD620 芯片的 5 脚（基准端）来调零，调零电路采用 741 组成的电压跟随器。仪表用放大器具备足够大的放大倍数、高输入电阻和高共模抑制比的特点。放大后的模拟电压信号传递给 A/D 转换电路然后把数字信号传送给液晶显示器显示重量值，由显示电路显示出测量结果，显示电路采用三位半数码管显示电路进行显示。将信号通过比较器 LM339，设置体重报警的上下限，小
5、于 w1 和超过w2 电路会自动报警提示。本设计中通过改变放大电路的增益，从而达到转换量程的目的。由于被测物体的重量相差较大，根据不同的侧重范围要求，需对量程进行切换。此电路简单明了，方便于调试与修改2。总体方案图如图 1 所示。图 1 人体电子称系统框图6四、单元电路设计四、单元电路设计4.14.1 传感器电路设计传感器电路设计传感器能感受被测量，并按照一定的规律将被测量转换成可用的输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件与转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于输出和测量的电信号部分。现代科技的快速发展使人类社会进入了信息
6、时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器的地位与作用特别重要。电子称传感器采用电阻应变式传感器，电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做
7、电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为R/R 后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的R/R 变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。应变片式传感器有如下特点：1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。2）分辨力和灵敏度高，精度较高。3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。4）商品化，使用方便，便于实现远距离、
8、自动化测量。 7 )()()()()()(U022RRRRRRRRERRRR ERR一直流供电的平衡电阻电桥，AC 接直流电源 E：当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。电桥原理图如图 2 所示图 2当忽略电源的内阻时，由分压原理有：0= = = (11+ 243+ 4) = 13 24(1+ 2)(3+ 4)（1）当满足条件 ,即 13= 24 21=43（2），即电桥平衡,式（2）称平衡条件。0= 0应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。若差动工作，即, , , ,按1= 2=
9、 + 3= 4= + 式（1） ，则电桥输出为(3) Ek84.24.2 信号调理电路设计信号调理电路设计4.2.14.2.1 放大电路放大电路 放大电路选用了仪用放大器 AD620，AD620 是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1 至 10,000。此外， AD620 采用 8 引脚 SOIC 和 DIP 封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅 1.3 mA)，因此非常适合电池供电的便携式 (或远程)应用。AD620 具有高精度(最大非线性度 40 ppm)、低失调电压 (最大 50 V)和低失调漂移 (最大 0.6 V/C)特性，是电子
10、秤和传感器接口等精密数据采集系统 的理想之选。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合 ECG 和无创血压监测仪等医疗应用。 由于其输入级采用 Supereta 处理，因此可以实现最大 1.0 nA 的低输入偏置电流。AD620 在 1 kHz 时具有 9 nV/Hz 的低输入电压噪声，在 0.1 Hz 至 10 Hz频带内的噪声为 0.28V 峰峰值，输入电流噪声为 0.1 pA/ Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。同时， AD620 的 0.01%建立时间为 15s，非常适合多路复用应用；而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。AD620 由传统的三运算放大器
11、发展而成 , 但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计 , 如电源范围宽 (2. 3 18 V ) , 设计体积小, 功耗非常低(最大供电电流仅 1. 3 mA ) , 因而适用于低电压、低功耗的应用场合 3。 三运放电路如图 3 所示。9图 3AD620 的单片结构和激光晶体调整 , 允许电路元件紧密匹配和跟踪 , 从而保证电路固有的高性能。 AD620 为三运放集成的仪表放大器结构 , 为保护增益控制的高精度 , 其输入端的三极管提供简单的 差分双极输入, 并采用 工艺获得更低的输入偏置电流 , 通过输入级内部运放的反馈, 保持输入三极管的集电极电流恒定 , 并使输入电压加到
12、外部增益控制电阻RG上。AD620 的两个内部增益电阻为 24. 7 k8 , 因而增益方程式为 G =49.4 k/R G + 1 （3）对于所需的增益 , 则外部控制电阻值为 R G =49.4/（G - 1）k （4）AD620 由于体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点, 使AD620 特别适宜应用到诸如传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换等应用场合。 AD620 特别适宜于较高电阻值, 较低电源电压的压力传感器电路设计。AD620 的体积小、功耗 低成为压力传感器的重要因素 , 图为+ 5 V 电源供电的压力传感器电桥。在 如图 4 这样一个电路中 , 电桥功耗仅10为
13、1. 7 mA ,AD620 和 AD705 缓冲电压驱动器对信号调节 ,使总供电电流仅为 3. 8 mA ,同时该电路产生的噪声和漂移也极低。图 4 压力传感器电路将 AD620 的 2、3 引脚接到传感器电路的输出端，1 和 8 引脚接 1 k 滑动变阻器，用来调节 AD620 的放大倍数，4 和 7 引脚接正负电源，给芯片供电，5引脚是参考端接调零电路，6 引脚是输出放大电路如图 5 所示图 5114.2.24.2.2 调零电路调零电路 LM741（单运放）是高增益运算放大器，用于军事、工业和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。这些类型还具有广泛的共同模式，差
14、模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。741 运算放大器使用时需于 7、4 脚位供应一对同等大小的正负电源电压Vdc 与Vdc，一旦于 2、3 脚位即两输入端间有电压差存在，压差即会被放大于输出端，唯 Op 放大器具有一特色，其输出电压值决不会大于正电源电压Vdc 或小于负电源电压Vdc，输入电压差经放大后若大于外接电源电压Vdc 至Vdc之范围，其值会等于Vdc 或Vdc，输出电压于到达Vdc 和Vdc 后会呈现饱和现象。使用 LM741 用作调零电路，把 741 的 2 管脚和 6 管脚短接，就形成了一个电压跟随器，用作调零电路，2 脚接 AD620 的 5 脚。调零电路原理图如
15、图 6 所示。图 612信号调理电路图如图 7 所示： 图 74.34.3 比较电路设计比较电路设计LM339 四电压比较集成电路 ，该电路的特点是：失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽，单电源为 2-36V，双电源电压为 1V-18V；对比较信号源的内阻限制较宽；共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；输出端电位可灵活方便地选用3。 LM339 集成块采用 C-14 型封装，外型及管脚排列如图。由于LM339 使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC 生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如 IR2339、ANI339、SF339 等，它们的参数基本一致，可互换使用。 LM339 类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用 “+”表示，另一个称为反相输13入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339 输入共模范围的
