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：

基准电压源 测量电桥 放大电路 电平转移电路 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

.

RJ1 DJ1 RJ3 RJ4 RJ2 .

.

VS V+ RJF Vz . . . vi1 . R41 R1 R3 Vo .R21 .R31 R11 vo

.

R22 ..

R2(1+δ¦) R4 R32 R42 vi2 .

.

.

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

Vo1(1RJ2)Vz RJ1

Vo1RJ26.0(1)1.07 VzRJ15.6得到：

RJ20.07 RJ1选RJ2=5kΩ，可得RJ1=71.43kΩ。 由于 IFVoVz6.05.6 RJFRJF若取IF=1mA，则有

1mA6.05.6 RJF得到RJF=0.4kΩ。

电阻R3和R4的计算： 由稳压管开始启动的条件：

VS.0.4mADJ1RJ4VsVzVDVz0.7

RJ3RJ4.5.6VRJ30.2mARJ40.2mA.设VS、RJ3、RJ4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： IRJ45.60.70.2mA RJ4..可得RJ4=31.5kΩ

因为流过RJ3电阻的电流为0.4mA，所以 IRJ3Vs6.30.4mA RJ3取VS=10，得到： RJ3验证

R431.5Vs107.73VzVDVz0.76.3V R3R49.2531.5106.39.25kΩ 0.4这是一个启动电路。

2、测量电桥的计算

Vo1[R2(1)R2R1||R2R1||R2]V()V(）V

R2(1)R1R1R2R1R2(1)R1R2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=100kΩ。

Vo1(R1||R2)0.02)(V)()(V)()(6.0)0.03V R1R244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

VoR412R21200(1) Vo1R31R11一般希望RY4/RY3和RY2/RY1 有相同的数量级。

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

4、电平转移电路

18mb

58mb 联立解得，得到m5/16，b2/5。

VOUTmVINbVIN(RRGR5RRG R6)(F)V1()(F)R5R6RGR5R6RG m(R6RRG)(F) R5R6RGR5RRG)(F) R5R6RG bV1(取R5=96kΩ，R6=4kΩ,得V1=0.4166V。 取RG=1kΩ,RF=4kΩ。 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 运放 V1 RJ1 理想运放 10V 82.6kΩ 测温电桥 运放 理想运放 放大电路 运放 RY1 RY2 理想运放 10kΩ 124kΩ R1 100kΩ R2 100kΩ RJ2 RJ3 RJ4 RJF D1 29.88kΩ 9.25kΩ 31.5kΩ 1.9kΩ 虚拟二极管 R3 R4 100±1k RY3 100kΩ RY5 RY6 RY7 R5 10kΩ 124kΩ 10kΩ 124kΩ 124kΩ 稳压管 N4734A 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：

基准电压源 测量电桥 放大电路 电平转移电路 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

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RJ1 DJ1 RJ3 RJ4 RJ2 .

.

VS V+ RJF Vz . . . vi1 . R41 R1 R3 Vo .R21 .R31 R11 vo

.

R22 ..

R2(1+δ¦) R4 R32 R42 vi2 .

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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

Vo1(1RJ2)Vz RJ1

Vo1RJ27.5(1)1.34 VzRJ15.6得到：

RJ20.34 RJ1选RJ2=30kΩ，可得RJ1=88.1kΩ。 由于 IFVoVz7.55.6 RJFRJF若取IF=1mA，则有

1mA7.55.6 RJF得到RJF=1.9kΩ。

电阻R3和R4的计算： 由稳压管开始启动的条件：

VS.0.4mADJ1RJ4VsVzVDVz0.7

RJ3RJ4.5.6VRJ30.2mARJ40.2mA.设VS、RJ3、RJ4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： IRJ45.60.70.2mA RJ4..可得RJ4=31.5kΩ

因为流过RJ3电阻的电流为0.4mA，所以 IRJ3Vs6.30.4mA RJ3取VS=10，得到： RJ3验证

R431.5Vs107.73VzVDVz0.76.3V R3R49.2531.5106.39.25kΩ 0.4这是一个启动电路。

2、测量电桥的计算

Vo1[R2(1)R2R1||R2R1||R2]V()V(）V

R2(1)R1R1R2R1R2(1)R1R2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=100kΩ。

Vo1(R1||R2)0.02)(V)()(V)()(7.5)0.0375V R1R244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

VoR412R21266.7(1) Vo1R31R11一般希望RY4/RY3和RY2/RY1 有相同的数量级。

令R11=10kΩ，R21=100kΩ，则1+2R21/R11=21，R41/R41=10.159 若令R31=5kΩ，则R41=50.793Kω 其中R21=R22，R31=R32，R41=R42

4、电平转移电路

18mb

58mb 联立解得，得到m5/16，b2/5。

VOUTmVINbVIN(RRGR5RRG R6)(F)V1()(F)R5R6RGR5R6RG m(R6RRG)(F) R5R6RGR5RRG)(F) R5R6RG bV1(取R5=96kΩ，R6=4kΩ,得V1=0.4166V。 取RG=1kΩ,RF=4kΩ。 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 运放 V1 RJ1 理想运放 10V 82.6kΩ 测温电桥 运放 理想运放 放大电路 运放 RY1 RY2 理想运放 10kΩ 124kΩ R1 100kΩ R2 100kΩ RJ2 RJ3 RJ4 RJF D1 29.88kΩ 9.25kΩ 31.5kΩ 1.9kΩ 虚拟二极管 R3 R4 100±1k RY3 100kΩ RY5 RY6 RY7 R5 10kΩ 124kΩ 10kΩ 124kΩ 124kΩ 稳压管 N4734A 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。

六、总结

6. 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；

7. 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；

8. 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；

9. 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；

10. 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