【优秀硕士博士论文】icp加速度传感器调理电路设计本科毕业设计3

第三章恒流源模块的设计31供电电路的总体设计我们所需要设计的供电电路为恒流源电路，要求输出的电流是保持精密稳定的电流源，而理想的恒流源应该具有以下几个基本特点（1）不因负载大小变化而变化；（2）不因环境温度变化而改变；（3）自身阻抗为无限大。能够提供恒定电流的电路即为恒流源电路，又称为电流反射镜电路，如图31所示。ICP加速度传感器的输出信号是带有一定的直流分量的模拟信号，因此不能直接被A/D采集电路采集，恒流源模块必须为其供给恒流电，并同时将传感器输出信号调理成标准的信号（如5V）。原理图见图32因为ICP传感器本身输出的信号就是已经被放大了的，因此干扰对其的影响微乎其微，甚至可以忽略，信噪比高，即使在条件恶劣的工厂环境下，ICP加速度传感器也都可以正常使用。故需要为ICP传感器设计一个合适的恒流源电路。32供电电路的实现恒流源的设计实现有很多的方法最简单的恒流源电路就是FET或者恒流二恒流电路U0RLU1I00U0图31恒流源实际应用的电路图和理想输出特性图图32恒流源电路原理图恒流源信号输入信号调理电路输出直流电源极管，但是这些电路实现的恒流源的稳定度也是比较差的，我们对折现恒流源电路进行分析，选出一种适合我们ICP传感器供电电路的。321采用集成运放构成的线性恒流源其结构原理图如图33所示图33集成运放构成的线性恒流源如图33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USUREF相应减小。由于U1A为反相放大器,因此其输出电压UBR5/R4UA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04A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。322采用集成稳压器构成的开关恒流源图34采用集成稳压器构成的开关恒流源如图34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31QWOUTLIRUI/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。323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100001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35LM334构成恒流源如图35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。324LM334搭建恒流源LM334的特性1工作电压从1V40V2002/V电流调节。3可编程的电流范围1UA10MA。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3。如图36所示为我们所用到的LM334的封装图图36LM334的封装芯片的典型的性能特性如图37所示图37LM334的性能特性图如图37所示，计算SETR通过LM334（I的）的电流的总和是通过设置电阻（RI）和LM334的偏置电流（BASEI）的和，如图35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SETR就可构成不用独立电源的横流浮置电流源，改变SET大小就可改变恒流源的电流值，并有SETI677MV/SETR选择不用的SET可使恒流源从1UA到10MA连续可调。式32BIASSETRBIASRVI/由于（给定的设置电流）BIA在SET中占很小的比例，因此可以等效的写成1/NRVISETSET图38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38。由于N通常为2A18ISET的，该方程可进一步简化为式33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39所示图39改进后的LM334恒流源如图39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1I和2的总和每一端大概都是提供50的设置的电流。对于BIAS通常是包含在里面的大概增加了RV的值大约为59。式34BIASSETI21SETRK/270591/UVRVISETSET其中11/RVIRI2（）/R2D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，25MV/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）。21IISET0R/MV52/7R/2711VDTLDTISE式35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T25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06V，这个电压相交的电阻值R1是677MV（64MV59）R1/R210从前面的计算得知）。式36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1340RVISET0/521MVR1340RVISET12216076MRVIDRBASSET所以MARVISET4130R134因为没有34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33的电路，计算一下得到的电流是406MA误差很小，只有1左右。所以R133。由R2/R110得R2330电路图如图310所示图310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。33信号调理电路的设计331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。332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311信号调理电路工作框图332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F1/2RC。如果使用470F的电容和20M的输入阻抗，那么可以计算出02HZ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01F耦合钽电容就足以胜任这一工作。333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11000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23V18V。引脚图如下交流耦合放大电路低通滤波电路显示输出ICP传感器图312AD620引脚图其主要特点如下表（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313所示。图313交流耦合输入时的偏置电路表31AD620特性表（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G494K/RG1或RG494K/G1式37将G150代入上式，得到RG330。334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，如下图图314压控电压源二阶低通滤波电路（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315所示。LM324的引脚排列见图316。（3）相应参数的计算公式推到根据“虚短”和“虚断”的特点可得UUUOR1/R1RFUO/AUP式38式中RAFFUP11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图315LM324符号图316LM324引脚图0CJURUMOMI0CJM根据以上各式可解得FQJFAJJAUPUPIOU0011322式39式310RCF210式311AUPQ3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FF0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Q1，FF0时的AUAU