电路.docx

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电路

测控电路设计及计算

转换电路设计

来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压）。

一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称，运算放大器才具有理想特性。

否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。

一般运算放大器共模抑制比可达80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达100～120dB。

结合以上几点，采用了低漂移运算放大器构成的三运放高共模抑制比放大电路。

本电路主要分为三个部分，第一就是调理调幅电路，二就是电桥转换电路，三就是增益放大电路，这里面还包括共模抑制电路。

电桥转换电路

为了提高电桥灵敏度和进行温度补偿，在桥臂中往往安置两个应变片，电桥采用四臂差动电桥，四个桥臂均为应变片，相邻两应变片阻值变化方向相反。

电阻应变片的电阻R1,R2,R3,R4，R5,R6,R7,R8组成全桥电路，它们的电阻都为120欧。

由这八个电阻组成一个全桥放大电路，如右图所示。

设计中采用箔式应变片，其横向效应较小，但由于测量现场环境温度的改变会给测量带来附加误差，必须进行温度补偿。

选用全桥电路，电桥灵敏度比单臂时提高一倍，此外还具有温度补偿作用。

如上图，在试件上安装两个工作应变片，一片受拉，一片受压，然后接入电桥相邻臂。

电桥输出电压为

放大电路和共模抑制电路

电路如图所示。

它由三个集成运算放大器组成，其中N1，N2为两个性能一致（主要指输入阻抗，共模抑制比和增益）的同向输入通用集成运算放大器，构成平衡对称（或称同向并联型）差动放大输入级，N3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制N1，N2的共模信号，并适应接地负载的需要。

由输入级电路可写出流过R9，RV1和R10的电流IR为

IR=（U02-Ui2）/R10=（Ui1-U01）/R9=（Ui2-Ui1）/RV1

由此求得U01=（1+R9/RV1）Ui1－R9Ui2/RV1

U02=（1+R10/RV1）Ui2－R10Ui1/RV1

于是，输入级的输入电压，即运算放大器N2与N1输出之差为

U02－U01=[1+（R9+R10）/RV1]（Ui2-Ui1）

其差模增益Kd为

Kd＝（U02－U01）/（Ui2-Ui1）＝1+（R9+R10）/RV1

由上式可知，当N1,N2性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压U02－U01有关，而与共模输出，失调及漂移均在RV1两端相互抵消，因此电路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部电阻匹配。

但为了消除N1，N2片偏置电流等的影响，通常取R9=R10。

另外，这种电路还具有增益调节能力，调节RV1可以改变增益而不影响电路的对称性。

根据共模抑制比定义，可求得输入级的共模抑制比为

CMRR12=CMRR1×CMRR2/︱CMRR1-CMRR2︱

式中的CMRR1、CMRR2分别为N1、N2的共模抑制比。

当R14=R16、R15=R17时，运算放大器N3的差模增益为Kd3＝R13/R11

整个电路的共模抑制比为

CMMR=（CMRR×CMMR12）/（|KdCMMR3+CMMR12|）

式中CMRR3－运算放大器N3的共模抑制比

为了获得高的共模抑制比，必须选取集成运算放大器N3具有高的共模抑制比，同时精选外接电阻，尽量使R11=R12、R13=R14，精度应控制在0.1%内。

而且通常将输入级的增益Kd设计得大些，输出级的增益Kd3设计得小些。

这种电路由于N1,N2的隔离作用，输出级的外部电阻可以取得较小，有利于提高电阻的匹配精度，提高整个电路的共模抑制比CMRR≥120dB，共模输入电压范围为＋6～－10V，总增益1～10000（Rp为几十至几百欧姆）。

7.1电路的调试

由

S为面积，E为弹性模量，k为应变片灵敏度2.0到2.2，这里为方便计算取2.0。

故有:

纵向应变片R1-R4的电阻变化量

横向应变片R5-R8的电阻变化量

电桥的输出电压

因为：

（i=1,2…..8）

得

因为R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R8=120Ω，得：

经过两极差模放大后放大倍数A=（200/5+1）*（50/10）=205

放大电路的输出电压

根据上面过程算出下面表格数据：

拉力

应变片的变化量

电桥电路输出

放大电路输出

（kN）

纵应变片

横应变片

理论值

实际值

理论值2

实际值2

转换精度

50

0.08

-0.024

3.465857966

3.4724431

710.5008831

713.2585744

0.003866327

70

0.112

-0.0336

4.851748429

4.8619371

994.6084279

998.6681494

0.004065136

90

0.144

-0.0432

6.2373803

6.25110655

1278.662962

1284.01106

0.00416515

110

0.176

-0.0528

7.622753653

7.63113839

1562.664499

1567.477056

0.003070257

130

0.208

-0.0624

9.00786856

9.01957879

1846.613055

1852.670216

0.003269422

150

0.24

-0.072

10.39272509

10.4135106

2130.508644

2138.991341

0.003965747

170

0.272

-0.0816

11.77732332

11.7985225

2414.351281

2423.480269

0.003766892

190

0.304

-0.0912

13.16166333

13.1840381

2698.140982

2708.072659

0.003667434

210

0.336

-0.1008

14.54574517

14.5748367

2981.87776

2993.750206

0.003965744

230

0.368

-0.1104

15.92956893

15.9614286

3265.561631

3278.563674

0.003965774

250

0.4

-0.12

17.31313468

17.3477618

3549.192609

3563.324004

0.00396579

拉力matlab程序

f=[50000:

20000:

250000];

v1=[3.4664.8526.2737.6239.00810.39311.77713.16214.54615.93017.348];

V1=[3.4724.8626.2517.6319.02010.41311.79913.18414.57515.96117.348];

subplot（121）;

plot（f,v1,f,V1,'r--'）;

xlabel（'F/N'）;ylabel（'mV'）;title（'电桥输出F-mV　图'）;

text（10000,22,'实线为理论曲线'）

grid;

v2=[710.501994.6081278.6631562.6641846.6132130.5092414.3512698.1412981.8783265.5623549.193];

V2=[713.259998.6681284.0111567.4771852.6702138.9912423.4802708.0732993.7503278.5643563.324];

subplot（122）;

plot（f,v2,f,V2,'r--'）;

xlabel（'F/N'）;ylabel（'V'）;title（'差动输出F-V　图'）;

text（10000,3.3,'实线为理论曲线'）

grid;

实线为理论输出虚线为实际输出

实线为理论输出虚线为实际输出

压力

应变片的变化量

电桥电路输出

放大电路输出

（kN）

纵应变片

横应变片

理论值

实际值

理论值2

实际值2

转换精度

50

-0.08

0.024

-3.467475744

-3.4724431

-710.8325276

-713.2585744

0.003401357

70

-0.112

0.0336

-4.854919274

-4.8619371

-995.2584511

-998.6681494

0.003414246

90

-0.144

0.0432

-6.242621901

-6.25110655

-1279.73749

-1284.01106

0.003328297

110

-0.176

0.0528

-7.6305837

-7.63113839

-1564.269658

-1567.477056

0.002046217

130

-0.208

0.0624

-9.018804742

-9.01957879

-1848.854972

-1852.670216

0.002059322

150

-0.24

0.072

-10.4072851

-10.4135106

-2133.493445

-2138.991341

0.002570322

170

-0.272

0.0816

-11.79602485

-11.7985225

-2418.185094

-2423.480269

0.002184947

190

-0.304

0.0912

-13.18502405

-13.1840381

-2702.929931

-2708.072659

0.001899036

210

-0.336

0.1008

-14.5742828

-14.5748367

-2987.727973

-2993.750206

0.002011602

230

-0.368

0.1104

-15.96380115

-15.9614286

-3272.579235

-3278.563674

0.001825323

250

-0.4

0.12

-17.35357918

-17.3477618

-3557.483731

-3563.324004

0.001638996

压力matlab程序

f=[50000:

20000:

250000];

v1=[-3.467-4.855-6.242-7.630-9.019-10.407-11.799-13.185-14.574-15.963-17.353];

V1=[-3.472-4.862-6.251-7.631-9.020-10.414-11.799-13.184-14.575-15.961-17.348];

subplot（121）;

plot（f,v1,f,V1,'r--'）;

xlabel（'F/N'）;ylabel（'mV'）;title（'电桥输出F-mV　图'）;

text（10000,22,'实线为理论曲线'）

grid;

v2=[-710.832-995.258-1279.737-1564.270-1848.855-2133.493-2418.185-2702.930-2987.728-3272.580-3557.484];

V2=[-710.259-998.668-1284.01-1567.477-1852.670-2138.991-2423.480-2708.073-2993.750-3278.563-3563.324];

subplot（122）;

plot（f,v2,f,V2,'r--'）;

xlabel（'F/N'）;ylabel（'V'）;title（'差动输出F-V　图'）;

text（10000,3.3,'实线为理论曲线'）

grid;

实线为理论输出虚线为实际输出

实线为理论输出虚线为实际输出

8.相应的电路原理框图及电路图

图10—1电路图