電荷放大器課程設(shè)計

1、<p>　　課 程 設(shè) 計 說 明 書</p><p>　　題目：傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真及電荷放大器轉(zhuǎn)換電路設(shè)計</p><p><b>　　學(xué)院（系）： </b></p><p><b>　　年級專業(yè)： </b></p><p><b>　　學(xué) 號：</b><

2、;/p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p><b>　　教師職稱： </b></p><p>　　課程設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　院（系）： 電氣工程學(xué)院

3、 基層教學(xué)單位： 自動化儀表系 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 摘要…………………………………………………………………………………5</p><p>　　第2章 引言…………………………………………………………………………………6 </p><p>　　第3章

4、 基本原理……………………………………………………………………………7</p><p>　　第4章 基本電路仿真及分析………………………………………………………………9</p><p>　　第5章 電荷放大器的設(shè)計 ………………………………………………………………15</p><p>　　第6章 誤差分析 ……………………………………………………………………

5、……16</p><p>　　心得體會 ……………………………………………………………………………………16</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………………………………17</p><p><b>　　第1章 摘要</b></p><p>　　電荷放大器作為一種將電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號

6、的放大器,用做傳感器的轉(zhuǎn)換電路,被廣泛地應(yīng)用在自動控制測量領(lǐng)域。本文從電荷放大器的基本設(shè)計電路及原理出發(fā)，深刻理解電荷放大器的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)分析，了解了電荷放大器在傳感器中的實際應(yīng)用。同時通過電路的仿真設(shè)計與調(diào)試以及實際電路板的焊接,驗證了該電路的可行性和可靠性。通過設(shè)計，掌握了電路設(shè)計的基本方法與技能，達到了課程設(shè)計的目的。</p><p><b>　　引言</b></p>

7、<p>　　電荷放大器作為組成壓電傳感器測試系統(tǒng)中的重要部分得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在配合電子測壓使用的電荷放大器的研制工作中。在很多壓電測試場合，需要把電荷量的信號轉(zhuǎn)換成電壓或電流的信號，此時，就需要用到一種特殊的放大——電荷放大器。</p><p>　　電荷放大器把電荷量變成與之相應(yīng)的輸出電壓，要求輸入阻抗極高，輸出對輸入具有良好的積分關(guān)系。電荷放大器有線路簡單，線性度和穩(wěn)定性好等特點，因此對電

8、荷放大器轉(zhuǎn)換電路的研究與設(shè)計十分必要。電荷放大器的原理是利用放大器輸入虛地的概念，把電荷信號直接積分到電路中的積分電容，從而放大器的輸出，便是所有電荷量的總和的輸出。本文利用Multisim軟件對電荷放大器的電荷變換單元進行了仿真，得出了與理論分析相吻合的結(jié)論，對電荷放大器的研制提供了理論依據(jù)。 </p><p><b>　　基本原理</b></p><p>　　電荷

9、放大器的基本電路如圖2所示，壓電晶體受到壓力作用產(chǎn)生電荷Q；Ca 是傳感器級間電容，Qa 是此時充到Ca 中的電荷；Cc 是傳感器傳輸電纜的電容，Qc是此時充到Cc 中的電荷，Gc 是輸入電纜漏電導(dǎo)；Ci是電荷放大器的輸入電容，Qi 是此時充到Ci 中的電荷，Gi 是放大器的輸入電導(dǎo)；Ud 是此時在運算放大器反相輸入端上產(chǎn)生的差動電壓；Cf 是電荷放大器的反饋電容，作用到Cf 兩端的電壓是Ud 和輸出電壓U0 的差值，Qf 是此時充入C

10、f 的電荷，Gf 是放大器的反饋電導(dǎo)；</p><p>　　運算放大器的開環(huán)系數(shù)為A，由于電壓是反向輸入，</p><p>　　所以： U0=-A×Ud</p><p>　　因此作用在Cf 兩端的電壓為：　　 Ucf=Ud-（-A×Ud）=Ud×（1+A）假設(shè)反饋

11、電阻Rf的阻值為無限大：　　 Q=Qa+Qc+Qi+Qf=Ud×（Ca+Cc+Ci+（1+A）Cf）所以 Ud=Q/(Ca+Cc+(1+A)Cf)</p><p><b>　　UO=-Q/Cf </b></p><p>　　在精度的范圍內(nèi)可以忽略部分數(shù)量級小的部分，可以認為：</p><p>　　UO

12、= -Q/Cf </p><p>　　根據(jù)傳感器的電荷靈敏度、量程和反饋的電容計算出輸出的最大電壓。</p><p>　　電荷放大器的仿真電路圖如下：</p><p><b>　　輸出波形如下：</b></p><p>　　第4章基本電路仿真及分析</p><p>

13、;　　4.1 比例放大電路</p><p>　　4.1.1 電路設(shè)計</p><p>　　4.1.2 輸出波形</p><p>　　4.1.3 結(jié)果分析</p><p>　　比例放大器設(shè)置的放大倍數(shù)為-5倍，信號源的幅值為500MV，頻率為1KHZ，UO=-(R1/R2)UI仿真波形如上所示，波形與預(yù)期結(jié)果相符合。 </p>&

14、lt;p>　　4.2 差動放大器電路</p><p>　　4.2.1 電路設(shè)計</p><p>　　4.2.2 輸出及分析</p><p>　　所示電路是用來實現(xiàn)兩個電壓相減的求差電路，從電路結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。在理想運放的條件下，利用虛短和虛斷的概念，有(V1-V2)→0，Ii→0。分析電路得輸出電壓為VO=R4/R3(UI2-

15、UI1)，代入圖中參數(shù)求得輸出電壓為10V，所得結(jié)果滿足電路原理輸出要求，驗證電路設(shè)計的正確性。</p><p><b>　　4.3交流電橋</b></p><p><b>　　4.3.1電路設(shè)計</b></p><p>　　4.3.2 電路原理分析: </p><p>　　對于交流電橋，由于應(yīng)變片

16、連接導(dǎo)線的分布電容，相當于在應(yīng)變片上并聯(lián)了一個電容，在調(diào)節(jié)平衡時，除了使用電阻平衡裝置外還要使用電容平衡裝置。滿足平衡條件 交流電橋平衡要滿足兩個條件，即相對兩臂復(fù)阻抗的模的積相等并且其幅角之和相等。</p><p>　　單臂電橋的輸出電壓為 </p><p><b>　　4.4 整流電路</b></p><p>　　4.4.1

17、電路設(shè)計</p><p>　　4.4.2 電路原理分析</p><p>　　整流電路主要由整流二極管組成，橋式整流器利用四個二極管，兩兩對接。</p><p>　　利用二極管的導(dǎo)通性制成橋式整流電路，將交流信號的半周翻折到X軸上方。</p><p>　　經(jīng)過整流電路的波形：</p><p><b>　　4.5

18、 直流電橋</b></p><p>　　4.5.1 電路設(shè)計</p><p>　　4.5.2 工作原理</p><p>　　電橋的輸出電壓 U=</p><p>　　當R1=R2、R3=R4時單臂電橋的輸出為</p><p>　　4.6 二階低通電路</p><p><b>

19、;　　4.6.1電路設(shè)計</b></p><p>　　4.6.2電路原理分析</p><p>　　二階低通濾波電路是由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其特點是</p><p>　　輸入阻抗高，輸出阻抗低。</p><p><b>　　輸出波形如下：</b></p><p>　　

20、第5章 電荷放大器的設(shè)計</p><p>　　5.1 參數(shù)設(shè)計與運算</p><p>　　5.1.1 電路設(shè)計</p><p>　　5.1.2 電路原理分析</p><p>　　電容C與交流電源構(gòu)成電源，電阻R起到降低壓降的作用，避免交流電源輸出過大燒壞放大器。電容C起到隔直流阻交流的作用，使后續(xù)電路中的信號恒為交流信號。電阻R與電容 C以及

21、放大器一同構(gòu)成反饋回路，對整個電路起反饋作用。電阻R為配合電阻，起到減小誤差提高精度的作用。</p><p>　　5.1.3電荷放大器的運算</p><p><b>　　設(shè)輸出電壓為U</b></p><p>　　由圖可得 Z1=1/jwc1+R5 Z2=1/jwc2</p><p>　　Z3=Z1Z2/(Z1+Z

22、2)</p><p><b>　　Uo=-Z3/R1</b></p><p>　　5.2 電荷放大器的焊接與調(diào)試</p><p><b>　　5.2.1 焊接</b></p><p>　　通過實際電路板依照設(shè)計好的電路圖進行電路的焊接，實現(xiàn)了電荷放大器設(shè)計的最后工藝。</p><

23、p><b>　　5.2.2 調(diào)試</b></p><p>　　將焊接好的電路板接入已經(jīng)調(diào)試好的測試電路中，得出了正確的輸出波形。通過觀察分析輸出波形，驗證了電路設(shè)計的正確性。</p><p><b>　　第6章 誤差分析</b></p><p>　　電路的仿真結(jié)果是基于理想的理論依據(jù)輸出的，但是實際的焊接過程中<

24、;/p><p>　　因為焊接的不牢固等原因會造成一些輸出偏差，導(dǎo)致出現(xiàn)誤差。另外，</p><p>　　因為測試信號中夾雜著干擾信號，干擾信號對于輸出波形有一定的干擾</p><p>　　信號，使得波形出現(xiàn)毛躁，變形等現(xiàn)象。</p><p>　　經(jīng)過分析，在一定的誤差允許范圍內(nèi)，所得的輸出結(jié)果與波形理想情況</p><p>

25、;<b>　　基本吻合。</b></p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計的實訓(xùn)，掌握了常用基本電路的原理與設(shè)計，學(xué)會了電路</p><p>　　分析的常用方法，明白了課程設(shè)計的基本步驟與要求，對課堂上所學(xué)的知識</p><p>　　有了更深刻的理解。學(xué)習(xí)并

26、掌握了電路仿真軟件Multisim的基本使用方法。</p><p>　　此外，通過電路板的實際焊接，增強了動手動腦能力，掌握了電子工藝設(shè)計</p><p>　　的基本工序，對課題有更深刻的了解。并且極大地激發(fā)了對電子工藝的興趣， </p><p><b>　　增強了實踐能力。</b></p><p><b>　

27、　參考文獻</b></p><p>　　【1】閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版） 高等教育出版社.2006年</p><p>　　【2】康光華.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）高等教育出版社.2006年</p><p>　　【3】張玉龍等.傳感器電路設(shè)計手冊.中國計量出版社.1989年</p><p>　　【4】李科杰等.新編傳感器技