ICP加速度传感器调理电路设计本科毕业设计3Word下载.docx

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3.2.1采用集成运放构成的线性恒流源

其结构原理图如图3.3所示：

图3.3集成运放构成的线性恒流源

如图3.3所示其工作原理是：

电源的波动降低Uin,从而负载电流会响应减小,则取样电压US也将随之减小,从而使US与基准电压的差值（US-Uref）相应减小。

由于U1A为反相放大器,因此其输出电压Ub=（R5/R4）×

Ua升高,从而通过调节环节使US升高，恢复到原来的稳定值,保证了US的电压稳定,也就稳定了电流

调整RW,能够调节出大小在0～4A之间的电流。

它实现的是较大的恒流源电流，而我们的ICP传感器所需要的是小电流，所不适合我们作为我们ICP传感器的恒流源。

3.2.2采用集成稳压器构成的开关恒流源

图3.4采用集成稳压器构成的开关恒流源

如图3.4所示，LM7824为常用的24V三端稳压器，RW为可调电阻，RL为负载电阻。

通过调节可变电阻器RW的值，来改变输出电流,这个电路的输出电流为:

.……………………………………（式3.1）

由于7824本身的稳压就存在误差，而且此电路实现的也主要是较大电流，因此也是不适合做我们的ICP传感器的供电电路。

3.2.3采用LM334芯片实现恒流源

采用单片集成芯片LM334给ICP提供恒流源电路，LM334是三端恒流器，使用起来很方便。

可调电流来源具有10000:

1的工作电流范围，优秀的电流调节电压和宽动态范围为1V至40V的。

最简单的恒流源只需一个外部电阻而不需要其他地方电路就能实现。

初始电流精度为±

3％。

图3.5LM334构成恒流源

如图3.5所示用此电路结构简单，只需要一个外接电阻就能实现从4uA到10mA的恒流输出，因此我们选用LM334来搭建我们的恒流源供电电路。

3.2.4LM334搭建恒流源

LM334的特性：

1.工作电压从1V~40V2.0.02％/V电流调节。

3.可编程的电流范围1uA~10mA。

4.真正的两端操作。

5.能够作为指定的温度传感器6.初始精度为±

如图3.6所示为我们所用到的LM334的封装图

图3.6LM334的封装

芯片的典型的性能特性如图3.7所示：

图3.7LM334的性能特性图

如图3.7所示，计算

通过LM334（

的）的电流的总和是通过设置电阻（

）和LM334的偏置电流（

）的和，如图3.5所示为电流的流过情况。

只要在R端和U之间连接一个电阻

就可构成不用独立电源的横流浮置电流源，改变

大小就可改变恒流源的电流值，并有

=67.7mV/

选择不用的

可使恒流源从1uA到10mA连续可调。

………………………（式3.2）

由于（给定的设置电流）

在

中占很小的比例，因此可以等效的写成：

图3.8温度影响

在这里n是其中n是ISET的比例在指定的IBIAS电气特性部分，并显示在图3.8。

由于n通常为2μA≤18≤ISET的，该方程可进一步简化为：

……………………………（式3.3）

作为一个零点温度系数电流源的应用,增加一个二极管和一个电阻在一般的LM334电路上就能够消除LM334温度系数的影响特性。

电路如图3.9所示：

图3.9改进后的LM334恒流源

如图3.9所示，它通过加二级管来消除由于温度变化所引起的电流漂移，要设置的电流Iset是电流

和

的总和每一端大概都是提供50%的设置的电流。

对于

通常是包含在

里面的大概增加了

的值大约为5.9%。

…………………………………（式3.4）

其中：

I2=（

）/R2

利用下面的等式减少电路中的临时参数值。

给出了一个例子用+227uV/℃作为芯片的参数，-2.5mV/℃作为二极管的参数（为了得到最好的结果，这个值应该直接被测量出来或者是从制造商那里得到这个二极管的参数值）。

…………………………（式3.5）

随着R1和R2之间的比例的确定，R1和R2的值就应该根据我们需要设置的电流来设置它们的值。

计算T=25℃时设定电流的计算公司如下面所示，接下来的这个例子就是在二极管是上的压降是0.6V，这个电压相交的电阻值R1是67.7mV（64mV+5.9%）R1/R2=10（从前面的计算得知）。

………………………………………………（式3.6）

这个电路会消除大部分LM334的温度影响，而且具有很好的效果即使这个二极管的特征值不是很准确。

LM334功能强大，还有很多典型的应用电路，在这里我们就不一一介绍了，从上面对于LM334的分析在我们设计我们ICP传感器的恒流源的时候我们就只是考虑我们电路受到温度的影响，所以我们选用加一个二极管的那种消除温度影响的方式来设计我们的恒流源电路[20]。

恒流源电路的计算：

由ICP传感器的参数知道，ICP传感器正常工作是所需要的恒流源提供的典型电流的大小是4mA，所以我们要利用上面介绍的LM334的典型电路搭建一个为我们ICP传感器提供4mA电流的恒流源电路。

选用带有一个二极管消除温度干扰的电路。

计算公式为：

所以：

R1=34Ω

因为没有34Ω电阻的存在，虽然可以利用其他阻值的电阻搭建，不过显得太麻烦，我们选用33Ω的电路，计算一下得到的电流是4.06mA误差很小，只有1%左右。

所以R1=33Ω。

由R2/R1=10得R2=330Ω

电路图如图3.10所示：

图3.10搭建的ICP传感器恒流源

这样我们就完成了ICP传感器的恒流源的搭建，只需要将ICP传感器接在上面就能正常的工作了。

恒流源为ICP传感器提供电流的线路同时也是ICP传感器信号的输出线路，我们只需要在这上面引出一线将ICP的输出信号分离出来即可。

3.3信号调理电路的设计

3.3.1信号调理电路的功能和目的

信号的调理是构成测试系统的必要环节。

经传感器采集的被测物理量的输出信号是很微弱的或者非电压信号，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干扰信号，如噪声。

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。

3.3.2信号调理电路的组成

（1）交流耦合电路

交流耦合是通过电容串联在电路中来完成的耦合，利用电容“隔直流通交流“的特性去除信号里的直流分量，而对纯交流信号没有特别影响，从而使ICP示波器信号较完整的进入下一级电路。

（2）放大电路

ICP传感器输出的电压信号幅度比较小,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。

（3）低通滤波电路

ICP加速度传感器，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。

其输出频率一般在200Hz一下，所以需要低通滤波电路过滤掉高频成分。

（4）信号调理电路工作的框架图如下：

图3.11信号调理电路工作框图

3.3.2交流耦合的设计

交流耦合是把电容直接串联在电路中，主要涉及内容是电容的选取。

为了使ICP输出信号与下一级放大电路适当耦合，需要认真认真分析和选择出合适的电容。

为了限制与交流耦合相关的低频偏斜（倾斜），我们必须正确设置3dB下截止频率的位置。

ICP输出信号的频率取决于所测试的振源，实验自制振源频率选择在200Hz以下的，在计算3dB下截止频率时，可以使用公式f=1/2πRC。

如果使用470μF的电容和20MΩ的输入阻抗，那么可以计算出0.2Hz的截止频率，这一结果足以通过200Hz以下绝大部分频率段通过，对信号影响微乎其微。

由于在较高的频率下电容会出现短路现象，因此我们不必担心高频滚降问题。

在大多数应用中，具有极低ESR（EquivalentSeriesResistance，等效串联电则）的0.1μF耦合钽电容就足以胜任这一工作。

3.3.3信号放大电路的设计

（1）AD620仪表放大器简介

信号放大电路部分我们采用AD620仪表放大器搭建，AD620是的低功耗、低成本、高精度的单片仪器放大器,只用一个外接电阻就能设置放大为1-1000倍数，非常适合做传感器类微弱小信号的前置放大级，为8脚SOIC或DIO封装，供电电压范围为±

2.3V～±

18V。

引脚图如下：

图3.12AD620引脚图

表3.1AD620特性表

其主要特点如下表：

（2）放大电路设计

给运放的输入晶体管提供能够形成偏置所需的电流即为输入偏置电流，输入偏置电流必须形成一个返回的回路，因此，像变压器这种交流耦合信号源被放大时，每一个输入点必须有一个直流通路通向地线，如下图3.13所示。

（3）参数确定

以AD50系列传感器为例，ICP传感器输出信号为50mA/g,放大150倍的话，是适合示波器显示的。

而AD620放大倍数由电阻Rg的大小确定，计算公式为：

G=49.4kΩ/Rg+1或Rg=49.4kΩ/（G-1）………………………………（式3.7）

将G=150代入上式，得到Rg=330Ω。

3.3.4低通滤波电路的设计

（1）低通滤波电路的选择和组成

有源滤波器：

是由无源元件和有源器件组成。

无源元件包含R、L、C，有源器件的代表为集成放大器，有源滤波器的特点是：

通带内的信号不仅能够不失真的通过，还可以进行放大；

负载效应不明显，从而多级相联时级间影响很小，利用级联方法就能够方便地构成高阶滤波器。

缺点是：

通带范围受到滤波器的带宽限制；

需要直流电源为其供电；

可靠性没有无源滤波器高。

滤波器的输出输入之比为增益，其功能是急剧衰减或抑制频率范围以外的信号，却让特定频率范围内的信号通过。

低通滤波器是指设定的截止频率以下的低频信号能通过而过滤掉过于截止频率的信号的滤波器，为了使滤波器特性更接近于理想状况，通常使用二阶低通滤波器。

最后，确定设计的滤波电路为压控电压源二阶低通滤波电路，如下图：

（2）LM324的简介

LM324是四运放集成芯片,采用14脚双列直插式塑料封装,外形如图3.15所示。

图3.15LM324符号

LM324的引脚排列见图3.16。

图3.16LM324引脚图

（3）相应参数的计算公式推到

根据“虚短”和“虚断”的特点可得

U+=U-=UO×

R1/（R1+RF）=UO/Aup……………………（式3.8）

式中

设两级RC电路的电阻、电容值都相等，并设两个电阻R之间一点的电位为UM,对于该点以及集成运放的同相输入端，可分别列出以下两个节点电流方程：

根据以上各式可解得

………………………………………………………………（式3.9）

…………………………………………………………………（式3.10）

…………………………………………………………………（式3-11）

由上可知，二阶低通滤波电路的通带电压放大倍数Aup和通带截止频率f0与一阶低通滤波电路相同。

不同的Q值时，二阶低通滤波电路的对数幅频特性不同，Q值愈大，则f=f0时｜Au｜值也愈大。

Q的含义类似于谐振回路的品质因数，故有时称之为等效品质因数，而将1/Q称为阻尼系数。

若Q=1，f=f0时的｜Au｜=Aup，由模拟电子有关知识可知，当Q=1时，滤波效果非常好的。

当Aup=3时，Q理论上将趋于无穷大，电路将产生自激振荡。

为了避免发生此种情况，根据Aup的表达式可知，选择电路元件参数时应使RF<

2R1。

（4）参数的计算

选用集成运算放大器LM324，工作电压要求为+12V和-12V，系统带宽24kHz，

要求截止频率为24kHz，为了波特图能够更好的平稳，我选择Q值为0.707，

则由公式

和

计算出Aup=1.585,同时若取R1=8kΩ，则RF=4.7kΩ。

选择电容器的容量，我选择C1=C3=0.1μF,则根据根式得

R2=R3=

=66Ω