电感式微位移测量电路

发布时间:2021-09-17 17:00:12

哈尔滨理工大学学士学位论文-------------电气学院周三强

电感式微位移测量电路设计 摘要
电感微位移测量仪是一种建立在法拉第电磁感应基础上,利用线圈的 自感或互感系数的改变来实现非电量(主要是位移)测量的低成本、高精 度测量仪器。但相对于其它的微位移测量仪,电感测微仪的测量电路比较 复杂,其设计和制作的合理性对测量精度和可靠性的影响是很大的。本文 是针对于目前国内电感测微仪存在的普遍问题,从考虑可靠性、经济性要 求的角度,合理地设计电感测微仪测量电路,希望从电路的设计、制作、 调试等方面提高电感测微仪精度、抗干扰性,并且降低成本。 为实现上述研究目的,首先对电感测微技术的研究现状及基本理论进 行了系统、详尽的分析和阐述,并利用 Multisim 10 仿真软件对设计的电 路进行了仿真。 电感式微位移测量电路通常由电感传感器、正弦激励电路、放大电路、 相敏整流电路、滤波电路和稳压电源等部分组成。其中,相敏整流是电感 式微位移测量电路实现精密测量的重要环节。针对传统整流电路无法实现 检测相位的问题,提出了一种改进的相敏整流电路,该电路成功实现了既 能检测相位又能检测幅值的作用。然后,将上述改进的相敏整流电路应用 到了电感式微位移测量电路中,并设计了系统的其他模块。各个模块都通 过了 Multisim 10 仿真软件的仿真,并且也通过了硬件测试,符合设计的 要求。 关键词 电感传感器;微位移;运算放大;相敏整流

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The Design of Inductance Micro-Displacement Measurement Circuit Abstract
The inductance micro-displacement measuring instrument is a low-cost and high-precision measuring instrument that established on the basis of Faraday's electromagnetic induction, the use of the self-inductance or mutual inductance of the coil changing to achieve to measure the non-power (displacement). But compared to other micro-displacement meter, inductance micrometer measuring circuit is more complex, and the reasonableness of design and production to measurement accuracy and reliability is great. From the point of view to consider the reliability and economic requirements, this article is for the inductance micrometer common problems in the domestic, the rational design of inductance micrometer measuring circuit, hoping to improve the inductance micro-displacement accuracy, noise immunity, and reduce costs from the circuit design, production, testing. For the realization of these purposes, first, we are going to a detailed analysis and elaboration for the inductance micro-displacement situation and basic theory system, and use Multisim 10 simulation software to simulate the circuit. The inductance micro-displacement measurement circuit usually composed by inductive sensors, the sinusoidal excitation circuit, amplifier circuit, the phase-sensitive rectifier circuit, filters circuit and power supply components. Among, the phase-sensitive rectifier inductance is an important part that the micro-displacement measurement circuit achieved precision measurement. For the conventional rectifier circuit cannot be achieved testing phase, we put
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forward an improved phase-sensitive rectifier circuit that successfully achieve both detection phase and amplitude. Then, we applied the improvement of phase sensitive rectifier circuit to the inductance micro-displacement measurement circuit, and designed other modules of the system. Passed the simulation of Multisim 10 simulation software and the hardware test, each module meets design requirements. Keywords Inductive displacement sensor, Micro-displacement, Operational amplifier, Phase sensitive rectifier

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目录
摘要 .................................................................................................................. I Abstract............................................................................................................ II 第 1 章 绪论 ................................................................................................... 1 1.1 本文的背景及意义 ............................................................................... 1 1.2 国内外的研究现状 ............................................................................... 1 1.3 本文的主要研究内容 ........................................................................... 3 第 2 章 电感式微位移测量电路硬件设计 ..................................................... 4 2.1 电感式传感器工作原理........................................................................ 4 2.1.1 电感式传感器简介......................................................................... 4 2.1.2 自感式传感器工作原理 ................................................................. 4 2.1.3 互感式传感器工作原理 ................................................................. 6 2.2 电路的总体设计 ................................................................................... 8 2.3 主要芯片说明 ....................................................................................... 8 2.3.1 STC 单片机 ..................................................................................... 8 2.3.2 OP07 集成运放 ............................................................................... 9 2.4 放大电路的设计 ................................................................................... 9 2.4.1 集成运算放大电路......................................................................... 9 2.4.2 差动放大电路 .............................................................................. 11 2.5 改进的相敏整流电路的设计 .............................................................. 13 2.5.1 典型整流电路 .............................................................................. 13 2.5.2 改进的相敏整流电路................................................................... 14 2.6 稳压电路的设计 ................................................................................. 16 2.7 低通滤波器的设计 ............................................................................. 17 2.8 A/D 采样电路设计............................................................................... 18 2.9 本章小结............................................................................................. 20 第 3 章 软件仿真及系统调试....................................................................... 21 3.1 Multisim 10 仿真软件简介 .................................................................. 21 3.2 系统软件的设计 ................................................................................. 21 3.3 硬件电路的仿真结果及分析 .............................................................. 22 3.4 系统的调试 ......................................................................................... 26 3.5 本章小结............................................................................................. 27 结论 ............................................................................................................... 28 致谢 ............................................................................................................... 29
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参考文献 ....................................................................................................... 30 附录 A ........................................................................................................... 31 附录 B ........................................................................................................... 32 附录 C ........................................................................................................... 33

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第1章 绪论
1.1 本文的背景及意义
电感微位移测量仪是一种建立在法拉第电磁感应基础上,利用线圈自 感或互感系数的改变来实现非电量(主要是位移)测量的低成本、高精度 测量仪器。电感测微仪具有很高的分辨率、很长的使用寿命、线性和稳定 性好、结构简单、输出功率大且阻抗小、抗干扰能力强、价格便宜、安装 简单、对工作环境要求不高等特点,因此它在精密和超精密领域得到了广 泛地应用。 电感测微仪主要用于接触测量,现在也发展到可以用于非接触式测量; 在超精密测量中既可以单独使用,也可以多个传感器一起使用。单独使用 时,一般用来测量单方向的微小尺寸,多个使用时一般用来测量工件或机 床的各种形状误差。在精密和超精密测量中配以相应的测量装置,可以实 现长度(深度、高度、厚度、直径、锥度等)测量、形状(圆度、直线度、 *面度、垂直度、轮廓度以及台阶厚度等)测量、振动测量、精密定位系 统微位移检测、微操作机器人位移检测、光纤对接等[1]。 所以为满足精密和超精密测量发展的需要,测量技术水*和测量精度 的不断提高已显得极其重要。因此,设计一款价格便宜并且通用性好的测 量仪器,或者对现有的测量仪进行更新和改进,以进一步提高测量精度和 稳定性,对提高当今国内的超精密加工水*有着重要的意义。

1.2 国内外的研究现状
传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、 便于应用的某种物理量的测量装置。传感器的研究始于上世纪 30 年代, 它以材料的物理、化学和生物、理化效应为基础,由物理、化学、材料科 学、器件物理和工艺以及电子工程等多种学*恢⒄剐纬桑茄芯糠堑 量信息与电量间转换的一门跨学科的边缘技术科学[2]。为了提高传感器及 其测量系统的性能,新的技术和方法不断地被应用于传感器测量系统中, 传感器技术不断发展。其中电感传感器因其具有精度高、使用方便、性能 稳定等诸多优点,在机械加工行业得到了广泛应用,常应用于诸如表面粗 糙度测量、圆度测量、振动测量、小位移测量中[3]。 在国外,电感传感器技术水*目前已经相当成熟,传感器精度高且通 用性好。以英国 Durham Instruments、瑞士 TESA、德国 MAHR、意大利 MARPOSS、日本 KEYENCE 为代表,传感器的分辨力可以达到 0.1mm, 线性测量范围可以达到±1mm。瑞士 TESA 公司生产的高精度型电感传感
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器 GT22HP ,在量 程范围 ± 0.2mm 内,精度可 以 达 到 0.07 μ m , 重 复性 0.01μm。英国 Durham Instruments 公司生产的电感传感器对温度变化大的 工作环境非常适合,工作温度范围可以为-55 ℃~+120℃,非线性精度优于 0.5%。美国 NCODER 公司生产的传感器灵敏度达到 900mV/mm,温度漂 移为 0.01%/℃,稳定性为 24 小时内小于 0.1,精确度 0.25%。电感传感器 在粗糙度轮廓测量仪、圆度仪得到很好的应用,较为常用的有英国 TaylorHobson 公司生产的 Talyrond 365 型圆度仪,拥有 120 年精密计量仪器制造 历史的德国 Hommel 公司生产的 T2000 小型粗糙度轮廓仪,德国 Mahr 公 司代表产品 M 系列便携式表面粗糙度测量仪[4]。国外的电感传感器应用产 品价格昂贵,就国内的机械加工及精密测量现状而言,应用不太理想。图 1-1 所示为电感传感器应用于德国 MAHR 公司的 M1 粗糙度仪。

图 1-1 电感传感器在 M1 粗糙度仪上的应用

国内也有许多厂家、院校及科研单位从事电感传感器的研制和开发, 其 中 具有 代表性的是 中原 量仪和哈量 集 团。中 原 量仪 生产的 DGS-6C 和 DGS-6D 型数显电感传感器,它们与该厂生产的 DGC-8ZG/A 型或 DGC6PG/A 型电感测量头组合使用,用于机械加工中的精密测量。哈量集团生 产的 T2000 型表面轮廓测量仪和 2205A 型表面粗糙度测量仪,就使用了电 感传感器,它们可以对多种零件表面的粗糙度进行测量,实现了表面粗糙 度的多功能精密测量。另外,北京时代仪器集团生产的 TR200、TR240 型 粗糙度仪,上海量具刃具厂生产的 BD100 型轮廓测量仪、YD200 型圆度 仪,上海交通大学自动检测技术研究所开发的 JD Surf 系列轮廓仪测量系 统、JD Round 系列圆度仪测量系统也是目前国内电感传感器应用的重要体
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现[5]。图 1-2 所示为电感传感器应用于哈量集团的 2205A 型表面粗糙度仪。

图 1-2 电感传感器在 2205A 型表面粗糙度仪上的应用

从性能指标来看,国内的传感器与国外的电感传感器相比,还存在很 大的差距,而且功能单一、技术水*发展慢。因此,在精密加工技术飞速 发展的今天,电感传感器的精度有待于进一步提高。而电感测微仪测量系 统包含电感传感器测头、测量电路和相应的软件设计。所以,要提高电感 测微仪精度可以从提高测头精度和提高测量电路精度两方面考虑。 电感传感器测头的研制水*在国内外都已经比较成熟,继续去提高电 感测头精度所付出的代价无疑将是昂贵的,而对其测量电路进行合理的设 计或改进,使之与成熟的电感测头研究技术相适应则是一项低成本、高收 益的措施,很适合目前国内的精密加工现状。

1.3 本文的主要研究内容
相对于其它的微位移测量仪,电感测微仪的测量电路比较复杂,其设 计和制作的合理性对测量精度和可靠性的影响是巨大的。本文是针对于目 前国内电感测微仪存在的普遍问题,从考虑可靠性、经济性要求的角度, 合理地设计电感测微仪测量电路,希望从电路的设计、制作、调试等方面 提高电感测微仪精度、抗干扰性,降低生产成本。主要完成的任务有: 1、电感测微仪测量电路分析及改进 2、电路的设计和仿真 3、电路制作及调试 4、对本文设计的方案进行验证
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第2章 电感式微位移测量电路硬件设计
2.1 电感式传感器工作原理
2.1.1 电感式传感器简介
传感器是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)按一定规 律转换成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置[6]。国家 标准 GB7665-87 对传感器下的定义是: “能感受规定的被测量并按照一定 的规律转换成可用信号 的器件 或装置 ,通常由敏感元 件和转换元件组成” 。 传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信 息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息 的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自 动控制的首要环节。 电感式传感器是一种利用磁路磁阻变化,引起传感器线圈的电感(自 感或互感)变化来检测非电量的一种机电转换装置。 电感式传感器的主要特征是具有线圈绕组。它的优点是:结构简单可 靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、分 辨率 较高( 如 在测 长 度 时 一 般 可 达 0.1 ) 。 示 值 误差 一 般 为 示 值 范围 的 0.1~0.5、稳定性好。它的缺点是频率响应低,不宜用于快速动态测量,且 分辨率和示值误差与示值范围有关,示值范围大时,分辨率和示值精度将 相应降低。 电感式传感器的种类很多,根据转换原理的不同,可分为自感式和互 感式两类。自感式利用线圈的电感随被测量变化而变化的原理,互感式则 是利用一、二次线圈间的互感随被测量而变化。按照结构形式的不同,主 要有变气隙型、变面积型和螺管型。*惯上将自感式传感器称为电感式传 感器,而互感式传感器,则由于它是利用变压器原理,又往往做成差动式, 故常称为差动变压器[7]。

2.1.2 自感式传感器工作原理
自感式传感器的原理是将被测量转换成线圈自感的变化,图 2-1 所示 为自感式传感器的原理图。其中,a 为气隙型,b 为截面型,c 为螺管型; 1 为线圈,2 为铁心,3 为衔铁。在图 2-1(a) 、 (b)中,在铁心与衔铁之 间有一个空气隙,由于值不大,所以磁路(图中点划线所示)是封闭的。

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线圈电感为
L = N 2 / Rm

(2-1)

式中 N ——线圈匝数;

R m ——磁路总磁阻。

(a)

(b) 图 2-1 自感式传感器原理图

(c)

对于图示情况,气隙厚度 δ 较小,所以可认为气隙磁场是均匀的,忽 略磁路铁损,总磁阻为 R m = ∑ (li / μ iSi ) + 2δ / μ 0S 式中 li ——各段导磁体的长度; ?i ——各段导磁体的磁导率; Si ——各段导磁体的截面积; δ ——空气隙的厚度; ?0 ——真空磁导率, ?0 =4 π × 10?7 H/m; S ——空气隙截面积(图 2-1(b)中,S=a×b) 。 将式(2-2)代入式(2-1) ,得
L = N2 / ? ? ∑ (li / ?i S i ) + 2δ / ? 0 S ? ?

(2-2)

(2-3)

当铁心的结构和材料确定之后,式(2-3)分母第一项为常数,这时自 感 L 是气隙厚度 δ 和气隙截面积 S 的函数,即 L=( δ ,S)。如果保持 S 不 变,则 L 是 δ 的单值函数,可构成变气隙型传感器(一般用来测量微小位 移) ,见图 2-1(a) ;如果保持 δ 不变,使 S 随位移而变,则可构成变截面 型传感器(用来测量角位移) ,见图 2-1(b) 。 如果在线圈中放入圆柱形衔铁,也是一个可变自感,如图 2-1(c)所
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示。使衔铁上下移动,自感量将相应变化,就可构成螺管型传感器。空心 螺管线圈的电感只与其自身结构参数有关,当螺管长度、横截面积、线圈 匝数一定时,电感是常数,线圈中插入衔铁后,相当于使线圈产生一个附 加电感,这时线圈的电感比空心线圈大,并且随着衔铁插入深度的增加而 增加,这就是螺管型自感传感器的基本工作原理。

2.1.3 互感式传感器工作原理
互感式传感器的原理是将被测量的变化转换成线圈互感的变化,因为 很像变压器的工作原理且多采用差动形式,故称为差动变压器,即 LVDT。 差动变压器也分为气隙型、截面型和螺管型三种形式,其中,气隙型差动 变压器由于行程很小且结构较复杂,*年已很少采用,截面型差动变压器 一般用于角位移测量,在直线位移测量中使用最多的差动变压器是螺管型 LVDT。 在理想 情况 下( 忽略 线圈 寄生 电容 及衔铁损耗) , 差动 变压 器的 等效 电路如图 2-2 所示。图中, e1 为一次线圈激励电压; L1 、 R1 分别为一次线 圈的电感和电阻; M 1 、 M 2 分别为一次线圈与二次线圈 1、2 间的互感; L21 、 L22 分别为两个二次线圈的电感; R21 、 R22 分别为两个二次线圈的电 阻。

R1 M1

R21

e21
L21

e2 e21 e2 e22

e1

L1 L22 M2 R22

e22
0

e2
X

图 2-2 差动变压器的等效电路
?

图 2-3 差动变压器的输出特性
?

根据变压器原理,二次线圈感应电势分别为
E 21 = ? jω M 1 I1 E 22 = ? jω M 2 I1
? ?

输出电势为
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E 2 = E 21 ? E 22 = ? jω ( M 1 ? M 2 ) I1

?

?

?

?

当衔铁在中间位置时,若两个二次线圈参数及磁路尺寸相等,则 M 1 = M 2 = M ,所以
E2 = 0
?

当衔铁偏离中间位置时, M1 ≠ M 2 ,由于差动作用,所以

M 1 = M + ?M 1 M 2 = M ? ?M 2
在一 定 范围 内, ?M1 = ?M 2 = ?M , 差 值 ( M1 ? M 2 ) 与 衔铁 位移成 比例,在负载开路情况下,输出电势为 E 2 = - jω ( M1 - M 2 ) I1 = - j 2ω
? ? E1 R1 + jω L1
?

?M

(2-4)

式(2-4)表明输出电势正比于两个二次线圈的互感差,若互感差值正比于 衔铁位移,则输出电势与衔铁位移成正比。 图 2-3 为差动变压器输出电势与衔铁位移之间的关系图,其中, e21 、 e22 分别为两个二次线圈的输出电势, e2 为差动输出电势, x 表示衔铁偏离 中心位置的距离,即衔铁位移。输出电势与衔铁位移之间的关系通过计算 或实验均可得到。电感式传感器线圈的输出信号必须经过测量电路的处理 才能得到最终的输出电压,因此电感式传感器的性能由传感器结构和测量 电路共同决定。

图 2-4 四边形柔性铰链精密微位移电感传感器

本文采 用的是新 型“ 四边 形柔 性铰链精 密微位移电感传 感器 ” , 如图 2-4 所示。 “四边形柔性铰链精密微位移电感传感器”将感测、信号转换等
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功能集成在一个四边形柔性铰链的弹性体上,利用微弹性体变形技术检测 微位移或与微位移相关的物理量,利用四边形特性保证精密的导向性,整 体式设计保证传感器无摩擦,因此检测精度得以提高。该传感器结构简洁、 可靠性高,可在机电制造业等产品几何尺寸要求严格的场合广泛应用。

2.2 电路的总体设计
在许多智能检测与控制系统中,传统的电感测微仪仅仅作为传感器来 使用,由微机系统对其采样来获取位移变化。这无疑使系统的组成复杂了, 可靠性、准确度等都受影响。本文我们选用 STC12C5A60S2 单片机作为控 制核心,组成了一种新型的电感测微仪,简化了系统结构,提高了测量准 确度。测量电路电气原理图如图 2-5 所示。

图 2-5 测量电路电气原理图

当测头的铁芯处于线圈中间位置时,电位器 W 也处于中间位置,此 时由线圈组成的电感桥处于*衡状态,无信号输出。如果铁芯在*衡位置 有上、下微小移动,则电桥失去*衡,输出信号经运算放大器放大后再由 相敏整流成直流量,最后接 STC12C5A60S2 的 P1 口进行 A/ D 转换。铁芯 移动大小和直流量成正比。为保证准确度,基准电压由稳压块 LM7805 提 供。

2.3 主要芯片说明
2.3.1 STC 单片机
单片机 是为 满足 工业 控 制而 设计的, 所以 控制 功能 特别 强。其 CPU
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可以对 I/O 端口直接进行操作,位控能力更是其他计算机无法比拟的。由 于 CPU、存储器及 I/O 接口集成在同一芯片内,各部件间的连接紧凑,数 据在传送时不易受工作环境的影响,所以用单片机设计的产品可靠性较高。 *期推 出 的 单片机 产品 ,内 部 集 成 有 高 速 I/O 口 、 ADC 、 PWM 、 WDT 等部件,并在低电压、低功耗、串行扩 展总线、控制网络总线和开 发方式(如在系统编程 ISP)等方面都有了进一步的增强[8]。 STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶 科技生产的单时钟/机器 周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机, 指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 8~12 倍。内部集成 MAX810 专用 复位电路,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 转换(250K/S,即 25 万次/秒) , [9] 针对电机控制,强干扰场合 。

2.3.2 OP07 集成运放
OP07 芯片是一种低噪声,非斩波稳零的双极 性运算放大器集成电路。 由于 OP07 具有非常低的输入失调电压(对于 OP07A 最大为 25μV) ,所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07 同时具有输入偏置电 流低(OP07A 为±2nA)和开环增益高(对于 OP07A 为 300V/mV)的特 点,这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量 设备和放大传感器的微弱信号等方面[10]。

2.4 放大电路的设计
2.4.1 集成运算放大电路
集成运算放大器(简称集成运放或运放)是一种应用广泛的模拟集成 电路。集成运放是一种高增益的多级直接耦合放大电路。由于早期主要应 用于模拟电子计算机中实现数学运算,故由此而得名,并沿用至今。现在, 集成运放的应用已远远超出模拟运算的范畴,作为一种高性能的通用和专 用组件广泛应用于各种电子设备中。 集成运放的应用首先表现在它能构成的各种运放电路上。运算电路由 集成运放和外加的实现运算关系的反馈电路组成。在运算电路中,以输入 电压作为自变量,以输出电压作为函数;当输入电压变化时,输出电压将 按一定的数学规律变化,即输出电压反应输入电压的某种运算结果[11]。 反相比例运算放大电路如图 2-6 所示。输入电压 uI 通过电阻 R 作用于 集成运放的反 相输入端, 故输出电 压 uO 与 uI 反相。电阻 R f 跨接在集成运 放的输入端和反相输入端,引入了电压并联负反馈。同相输入端通过电阻 R' 接地, R' 为补偿电阻,以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性,
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其 值为 uI =0 (输 入端 接 地) 时反 相输 入端 总等效 电 阻, 所以 其值为 R f 与 R 并联的结果。
R IN N +15 7 5 U1 AD OP07AH 6 8 4 1 R' Rf

2 3 P

OU T

-15

图 2-6 反相比例运算放大电路

根据“虚短”和“虚断”概念,有

uP ≈ uN ≈ 0 iP = iN ≈ 0

(2-5)

式(2-5)表明,集成运放两个输入端的电位均为零,但由于他们并没有真 正接地,故称之为“虚地” 。节点 N 的电流方程为

iR = iF
u I ?u N R

=

u N ?uO Rf

由于 N 点位虚地,整理得到

uO = ?

RF R

uI

(2-6)

uO 与 uI 成比 例关 系, 负 号表示与 uI 反 相。比 例系数的数 值 可以 是大于、 等于和小于 1 的任何值。 这种反相比例运算放大电路有以下三种主要特点: 1、运 放的 反相输 入端 为虚地 点, 因此它的共 模输入 电压可 以视 为零 , 对运放的共模抑制比要求低。 2、由于电压负反馈的作用,输出电阻很小, 通常可将 Ro 视为零。因 此带负载能力强。 3、由于并联负反馈的作用,输入电阻小,通常可以认为 Ri = R ,因此 对输入电流有一定的要求。
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同相比例运算放大电路如图 2-7 所示。将图 2-6 所示电路中的输入端 和接地端互换,就得到同相比例运算电路。电路引入了电压串联负反馈, 故可以认为输入电阻为无穷大,输出电阻为零。即使考虑集成运放参数的 影响,输入电阻可达到 109 ? 。
N R +15 7 1 5 U A D O P07A H 6 8 4 1 Rf

2 IN R' P 3

O U T

-15

图 2-7 同相比例运算放大电路

根据“虚短”和“虚断”概念,有

uP = uN = uI
u N ?0 R

=

uO ?u N Rf

uo = (1 +
整理得到

RF )uN R

= (1 +
RF )u I R

RF )uP R

uo = (1 +

(2-7)

式(2-7)表明 uO 与 uI 同相且 uO 大于 uI 。 同相比例运算电路的主要特点如下: 1、由于引入电压串联负反馈,所以输入电阻扩大(1+AF)倍,可高 达 1000M ? 以上。 2、同理输出电阻减少(1+AF)倍,一般可视为零。 3、同 相比 例运算电路中 共模 电压等于 输入 电 压,因此对 集成 运放的 共模抑制比要求较高。这是它的缺点。

2.4.2 差动放大电路
本装置的前置放大电路选择了差动放大电路,在测量系统中,用传感 器获取信号,即把被测物理量通过传感器转换为电信号,然后进行放大。
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因此,传感器的输出量是放大器的信号源。然而,多数传感器的等效电阻 均不是常数,它们随所测物理量的变化而变。这样,对于放大器而言,信 号源内阻 Rs 是变量,根据电压放大倍数的表达式为
& = A us
Ri Rs + Ri

& A u

(2-8)

由式(2-8)可知,放大器的放大能力将随信号大小而变。为了保证放 大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数,就必须使得放大器的输入电阻 Ri ? Rs , Ri 越大,因信号源内阻变化而引起的放大误差就越小。此外,从 传感器所获得的信号常为差模小信号,并含有较大共模部分,其数值有时 远大于差模信号。因此,要求放大器应具有较强的抑制共模信号的能力[12]。 综上所述,我们选择了仪表放大器,仪表放大器除具各足够大的放大 倍数外,还应具有高输入电阻和高共模抑制比。然而,仪表用放大器的具 体电路多种多样,本装置的前置放大电路选用由三个 OP07 运放构成的前 置放大电路,并且要求电路中有关电阻保持严格对称。 电路中有关电阻保持严格对称,具有以下几个优点: 1、U2 和 U4 提高了差模信号与共模信号之比,即提高了信噪比; 2、在 保证 有关 电阻 严格 对称 的条 件下 ,各 电 阻阻值 的误差对 该电路 的共模抑制比 KCMRR 没有影响; 3、电路对共模信号几乎没有放大作用,共模电压增益接*零。
-15 4 1 Ua Ri 3 2 5 7 2 3 4 1 R2 R1 +15 ADOP07AH 5 U4 6 3 4 1 8 -15 7 R Rf ADOP07AH U2 8 6 R Rf +15 7 5 U3 ADOP07AH 6 8

R1

+15

OUT

-15

2 Ub Ri

图 2-8 前置差分放大电路图

前 置差 分放 大电路 图如图 2-8 所示 。 根据 运算 电路基本 分析方 法 u A = uI 1 , u B = u I 2 因而
- 12 -

2 u I 1 ? uI 2 = 2 R + (uo1 ? uo 2 ) 1 R2

R

uo1 ? uo 2 = (1 +

2 R1 )(u I 1 R2

? uI 2 )

所以输出电压 uo = ?
Rf R

(uo1 ? uo 2 ) = ?

Rf R

(1 +

2 R1 )(uI 1 R2

? uI 2 )

设 uId = uI 1 ? uI 2 ,则 uo = ?
Rf R

(1 +

2 R1 )u Id R2

(2-9)

当 uI 1 = uI 2 = u1c 时,由于 u A = uB = u1c , R2 中电流为零, uo1 = uo 2 = u1c , 输出电压 uo = 0 。可见,电路放大差模信 号,抑制共 模信号。差模放大倍 数数值越大,共模抑制比越高。当输入信号中含有共模噪声时,也将被抑 制。

2.5 改进的相敏整流电路的设计
2.5.1 典型整流电路
将交流电变换为直流电的电路称为整流电路,通常利用二极管的单向 导电性来实现整流任务,因此二极管是构成整流电路的关键元件。常见的 几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。然而,为了减小 二极管非线性和死区电压的影响,提高整流电路精度,目前常用的方法是 使用运算放大器来构成整流电路,利用集成运放的放大作用和深度负反馈 来克服二极管非线性所带来的误差。图 2-9 所示为使用运算放大器构成的 典型精密全波整流电路[13]。
R 2 R 3 R 5

D1

+ 15 +15 7 R 1 2 3 8 4 1 V o1 3 8 4 1 D 2 7
A 1 5

A2 5 6 Vo2

Vi

6

R 4

2

-15 -15

图 2-9 典型精密全波整流电路
- 13 -

电路工作原理如下: 当输入信号 Vi 为正时, D2 导通, D1 截止,此时 V01 = ? R3 Vi
1

R

V02 = ? R5

(

Vi R2

+

V01 R4

) = ?R (
5

1 R2

3 ? RR Vi 1 4

R

)

当输入信号 Vi 为负时, D1 导通, D2 截止,此时

V01 = 0
V02 = ? R5 Vi
2

R

(2-10)

若 R1 = R2 = R3 = R5 = R , R4 = R / 2 ,则由式(2-10)可知:

Vi > 0 时, V01 = ?Vi , V02 = Vi ; Vi < 0 时, V01 = 0 , V02 = ?Vi 。
可见, A1 、 D1 、 D2 、 R1 、 R3 等构成半波整流电路,输出信号 V01 为半 波整流结果; A2 、 R2 、 R4 、 R5 构成反向加法器,其输出信号 V02 为全波 整流结果。然而精密全波整流电路只能把交流信号变换为直流信号,也就 是说只能检测出传感器输出信号的幅值变化。相位上的变化无法检测,所 以我们又对电路进行了改进,使他既能检测幅值又能检测相位变化。

2.5.2 改进的相敏整流电路
所谓“相敏”就是指辨别相位。相敏整流是将其输入交流信号的幅度 和相位的变化转换为直流信号的大小和极性的变化。 目前常用的相敏整流电路有晶体二极管和变压器组成的相敏整流电路 和采用场效应管组成的开关式相敏整流电路。前者由于需要变压器,调试 制作很不方便,且变压器的对称性差,二极管的非线性以及饱和压降和反 向漏电流大,限制了它的使用范围;后者由于使用了性能不稳定的场效应 管和三极管器件,不利于消除误差,电路也比较复杂。此外,还可以用模 拟乘法器、专用的单片集成的相敏解调电路完成相敏整流,但由于其调试 复杂,价格较高,有些性能也不尽如人意,从而限制了它的使用和推广。 针对以上问题,本文介绍了一种由集成运算放大器组成的相敏整流电路, 它具有调试方便、动态范围大,价格低廉等优点[14]。
- 14 -

改进的相敏整流电路如图 2-10 所示。
C1 0.01uF R 13 5K -15 A3 8 6 2 7 5 A D O P07A H R 15 10K R 16 10K 4 1 3 2 5 A D O P07A H 7 D 1 D iode 1N 4148 D 2 D iode 1N 4148 A 5 8 6 C 2 0.01uF R17 2.5K 1 3 R 20 10K 7 R 23 10K -15 A4 8 6 5 7 A D OP 07A H R 25 10K R 27 10K +15 R 28 10K R 30 10K R 31 10K D 3 D 4 Diode 1N4148 Diode 1N4148 7 4 1 3 2 A 6 8 6 5 A D O P07A H 0.01uF +15 R 24 10K C 5 2 -15 4 A 7 8 6 5 A DO P 07A H U o

-15 4 1 R 14 10K -15 4 1 Ur 3 2 5 7 A D O P07A H C 3 0.01uF R 21 10K A 1 8 6 3

+ 15

R 18 +15 10K R 19 10K C4 0.01uF R 22 5K

+15

-15 4 +15 -15 4 1 U i 3 2 7 A 2 8 6 5 A D OP 07A H R 29 10K 1 3 R 26 10K 2

+ 15

图 2-10 改进的相敏整流电路

下 面 对 我 们 改 进 的相 敏整流 电路 进行 说明:参 考 电 压 Ur 和 输 入 电 压 Ui 是 同 频 率 的 正弦波 信 号 , 通常 Ur 与 Ui 不 是 同 相位 就 是 反 相位, 且 U r > Ui 。参考电压是正弦信号发生器提供的幅值和频率稳定的正弦波,信 号发生器同时为电感测微仪传感器提供励磁电压,电感传感器的输出电压 即为相敏整流电路的输入电压 Ui ,它是大小和相位依传感器测头在其机械 零位上下移动而变化的正弦波。图 2-10 中, A3 为同相跟随器, A4 为反相 器,为使电路达到对称, A3 同相跟随器的作用是非常重要和必不可少的。 参 考 信号 经过 同相 跟随 器和 反相器 后分 别加到 A5 、 A6 的 反 相输 入端 , 输 入(被测)信号 Ui 也同时加到 A5 、 A6 的反相输入端, A5 和 A6 对叠加的信 号进行半波整流。其工作过程如下: 1、当输入信号与参考信号同相时,则运算放大器 A5 对 Ui 与 Ur 进行相 加,运算放大器 A6 对 Ui 与 Ur 进行相减。此时,当测量信号为正半周时, 二极管 D1 导通,D2 截止, A5 高阻输出零电*;二极管 D3 截止,D4 导 通, A6 高阻输出零电*。 当测量信号为负 半周时 ,二极管 D1 截止,D2 导通, A5 低阻输出正半周;二极管 D3 导通,D4 截止, A6 低阻输出负半 周。即具有半波整流的作用。然后由 A7 求和放大。 2、当输入信号与参考信号反相时,则运算放大器 A5 对 Ui 与 Ur 进行相 减,运算放大器 A6 对 Ui 与 Ur 进行相加。此时,当测量信号为正半周时,
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二极管 D1 截止,D2 导通, A5 低阻输出正半周;二极管 D3 导通,D4 截 止, A6 低阻输出负半周。 当测量信号为负 半周时 ,二极管 D1 导通,D2 截止, A5 高阻输出零电*;二极管 D3 截止,D4 导通, A6 高阻输出零电 *。然后由 A7 求和放大。 输出级 A7 把来自两个整流器的信号相加,在此抵消了参考信号。图 210 中,电阻 R31 起着抵消直流分量和减小输出电压纹波的双重作用。其原 理如下:当 A5 、 A6 两个整流器在半周期内导通时, 每个整流器都向 A7 提 供了一个反了相的直流分量;在同一周期内没有反相的直流分量就由电阻 R31 引入到 A7 的输入端,与来自整流器的直流分量迭 加,由于两个直流分 量的大小相等,方向相反。因而减少了直流分量对输出电压的影响。另外, 在信号一个周期内,半个周期的电流由整流器提供,而在整流器截止时, 另外半个周期的电流由 R31 向 A7 提供,使 A7 的输出以全波整流的形式出现, 有利于输出电压纹波的减小。由上可见,该电路输出直流电压 Uo 的极性依 输入电压 Ui 的相位而变化,输 出直流电压 Uo 的大小依输入电压 Ui 的幅度 而变化,从而实现了相敏整流。 为了使相敏整流电路的精度高、温漂小,提高该电路的线性度和对称 度,需要对电路元器件精细的选择。图 2-10 中各级运放均为 OP07,其温 漂、时漂、增益均满足要求。D1-D4 为 KEL1N4148 型二极管,相对来说 其内 阻小 ,温 度稳 定性较好 ,导 通 电压 较低。 A5 、 A6 工作在完 全对 称 状 态,其对应电阻、二极管、电容及运放都必须进行选配,使其参数和温度 系数尽可能对应匹配。其目的就是使两极的温度一致性好;并使相敏整流 后的正、负半周波形对称。即使相敏整流电路的线性好、对称度好。

2.6 稳压电路的设计
在系统电路中,需要使用±15V 和±5V 的直流电压。作为高精度的微 位移测量电路,所使用的稳压电源的品质特性(纹波电压、热噪声等)直 接影响到系统的稳定性及可靠性,因此对稳压电源的要求很严格。 电子产品中,常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 78××系列和 负电压输出的 79××系列。顾名思义,三端 IC 是指这种稳压用的集成电路, 只有三条引脚输出,分别是输入端、接地端和输出端。它的样子像是普通 的三极管,TO-220 的标准封装。用 78/79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电 源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路, 使用起来可靠、方便,而且价格便宜。该系列集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压,如 LM7806 表示输出 电压为正 6V,LM7909 表示输出电压为负 9V。 本系统使用了高性能的直流稳压电源,可提供稳定的±15V 直流电压。
- 16 -

然后,通过三端集成稳压器 LM7805 和 LM7905,获得±5V 电压,其电路 如图 2-11 所示。C1、C2 分别为输入端和输出端滤波电容,RL 为负载电 阻。当输出电流较大时,7805 应配上散热板。78 系列的稳压集成块的极 限输入电压是 36V,最低输入电压为输出电压的 3~4V 以上。
U14 +15V C6 1 IN 3 O UT G ND LM 7805CT 2 +5V C7

C8

C9 RL

-15V

2

IN U15

2.7 低通滤波器的设计
在信号经过改进的相敏整流电路以后,为了进一步滤除干扰信号,同 时获得合适的输出直流电压值,因此需要将整流出来的信号经过滤波电路 后再输出。滤波器的功能是让指定频段的信号顺利通过,而对其他频段的 信号具有衰减作用。 按照是否含有有源器件,可以把滤波器分为有源滤波器和无源滤波器; 按照允许通过的频率范围,滤波器可以分为低通、高通、带通和带阻滤波 器[8]。在本系统中,干扰信号主要位于高频范围,因此需要使用低通滤波 器。 本系统采用的是压控电压源二阶低通滤波电路,如图 2-12 所示。
R 2 +15 R 1 2 R U i(s) M R P 3 8 C1 C 2 -15 4 1 6 V o(s) 7 A 2 5

图 2-12 压控电压源二阶低通滤波电路
- 17 -

GND O UT

1

C12

C10

C11

C13

3

-5V

LM 7905CT

图 2-11 稳压电路

电路中既引入了正反馈,又引入了负反馈。当信号频率趋于零时,由 于 C1 的电抗趋于无穷大,因而正反馈很弱;当信号频率趋于无穷大时,由 于 C2 的电抗趋于零,因而 U P ( s) 趋于零。可以想象,只要正反馈引入得当, 就既可能 f = f0 时使电压放大倍数数值增大,又不会因正反馈过强而产生 自激振荡。 设 C1 = C2 = C ,M 点的电流方程为
U i ( s )?U M ( s ) R

=

U M ( s )?U o ( s )
1 sC

+

U M ( s ) ?U P ( s ) R

P 点的电流方程为
U M ( s )?U P ( s ) R

=

UP (s)
1 sC

将上式联立,解出传递函数
& (s) = A u
& (s) A up
2 & ? 1+ ? ? 3? Aup ( s ) ? sRC + ( sRC )

(2-11)

& ( s ) 小于 3 时,即分母中 s 的一次项系数 在式(2-11)中,只有当 A up 大于零,电路才能稳定工作,而不产生自激振荡。 若令 s = jω , f 0 =
1 2π RC

,则电压放大倍数为
& A up

& = A u

f & )f 1?( f )2 + j (3? A up f 0

(2-12)

0

2.8 A/D 采样电路设计
STC12C5A60S2 系列单片机的 A/D 转换口 P1 口(P1.7~P1.0) ,有 8 路 10 位高速 A/D 转换器,速度可达到 250KHz(25 万次/秒) 。复位后 P1 口为弱上拉型,I/O 口通过软件可设置将 P1(P1.0~P1.7)口中的任何一位 为 A/D 转换位,不用作 A/D 转换的位可继续用作普通 I/O 口使用。8 路电 压输入型 A/D,可用作电压检测、位移检测、温度检测等[9]。 STC12C5A60S2 系列单片机 ADC 由多路选择开关、比较器、逐次比 较寄存器、10 位 DAC、转换结果寄存器(ADC_RES 和 ADC_RESL)以 及 ADC_CONTR 构成。STC12C5A60S2 系列单片机的 ADC 是逐次比较型 ADC。逐次比较型 ADC 由一个比较器和 D/A 转换器构成,通过逐次比较 逻辑,从最高位(MSB)开始,顺序地对每一输入电压与内置 D/A 转换器 输出进行比较,经过多次比较,使转换所得的数字量逐次*淙肽D饬
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对 应 值 。 逐 次 比 较 型 A/D 转 换 器 具 有 速 度 高 , 功 耗 低 等 优 点 。 STC12C5A60S2 系列单片机 ADC(A/D 转换器)的结构如图 2-13 所示。

图 2-13 A/D 转换器的结构

从上图可以看出,通过模拟多路开关,将通过 ADC0~7 的模拟量输入 送 给 比较器。用数/ 模 转换 器( DAC ) 转换 的模 拟 量与 本 次输 入 的模 拟 量 通过比较器进行比较,将比较结果保存到逐次比较寄存器,并通过逐次比 较寄存器输出转换结果。A/D 转换结束后,最终的转换结果保存到 ADC 转换结果寄存器 ADC_RES 和 ADC_RESL,同时,置位 ADC 控制寄存器 ADC_CONTR 中的 A/D 转换结束标志位 ADC_FLAG,以供程序查询或发 出中断申请。模拟通道的选择控制由 ADC 控制寄存器 ADC_CONTR 中的 CHS2~CHS0 确定。ADC 的转换速度由 ADC 控制寄存器中的 SPEED1 和 SPEED0 确定。在使用 ADC 之前,应先给 ADC 上电,也就是置位 ADC 控制寄存器中的 ADC_POWER 位。 STC12C5A60S2 系列单片机 ADC 是按对单(正)极性模似量进行转 换设计制造的,不能直接对双(正、负)极性模拟电压进行转换。即我们 常说的单极性 ADC。然而我们从前向通道输入到 ADC 的信号是交流信号 (既有正,也有负) ,不能直接与 ADC 相连,所以我们提出了两种解决这 种问题的方法。 一般解决该问题的办法是在 ADC 的前面添加个加法器,把电*抬高 到 A/D 转换器可以接受的值,之后再进行转换。采用这种方法 A/D 转换 结果并非实际数据,必须将它与前面加上电压的数字量相减才能得到实际 数据。还可以采用另一种利用 ADC 两个通道对正数和负数分别进行转换
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的方法,如图 2-14。
-15 4 1 R1 3 6 2 5 7 P1.0 8 U 12 A DO P07A H

+15 R3

Uin

R4 R5

+15 AD OP07A H 7 R2 5 6 3 8 4 1 U 13 P1.1 2

-15

图 2-14 前置同相和反相放大电路

图 2-14 中用了两个前置放大器 A1 和 A2。其中 A1 采用同相输人接法, 将输入电压 U IN 经同相放大后加到 STC12C5A60S2 单片机的 P1.0 通道上; A2 采用反相输人接法。当输入电压 U IN 为负时,经反相放大变成正值加到 STC12C5A60S2 单片机的 P1.1 通道上。在进行数据采集时,先将 P1.0 通 道 A/D 转换器接通,STC12C5A60S2 单片机取入转换结果判断,若结果大 于零,表示是正数;若结果等于零,则可能是零,也可能是负数,这时再 由 P1.1 通道输入数据,进一步判断是零或负数。这种分别用两个通道对双 极性输入电压提供给 A/D 转换器的方法,无论输入电压 U IN 为正或负,经 A/D 转换结果都是 10 位二进制无符号数,要由 STC12C5A60S2 单片机根 据数据输入通道的不同另加数符。数据表示范围为 0~±1023,即在保证正 的数据范围条件下,取得负数的等量数据范围[15]。 这种方法通过多占用一个 ADC 转换通道,可以把单极性的 ADC 应用 到双极性的数据处理中,数据表示范围为 0~±1023。

2.9 本章小结

本章首先说明了电感式传感器的工作原理,电感式传感器分为自感式 和互感式,然后介绍了电感式微位移测量电路的总体设计,最后分别对放 大电路、相敏整流电路、稳压电路、低通滤波电路、A/D 采样电路的设计 进行了说明。
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第3章 软件仿真及系统调试
3.1 Multisim 10 仿真软件简介
从事电子产品设计和开发等工作的人员经常需要对所设计的电路进行 实物模拟和调试。其目的有两个,一方面是为了验证所设计的电路是否能 达成设计要求的技术指标,另一方面通过调整电路中元器件的参数使整个 电路的性能达到最佳。而这种实物模拟和调试的方法不但费工费时,而且 其结果的准确性受到实验条件、实验环境、实物制作水*等因素的影响, 因而工作效率也不高。 Multisim 是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以 Windows 为基础的 仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理 图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。 工程师们可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图,并对电路进行仿真。 Multisim 提 炼 了 SPICE 仿真 的复杂内 容 , 这 样 工 程 师 无 需 懂 得深 入 的 SPICE 技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计,这也使其更适 合电子学教育。通过 Multisim 和虚拟仪器技术,PCB 设计工程师和电子学 教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样 一个完整的综合设计流程。 NI Multisim 10 易学易用,便于电子信息、通信工程、自动化、电气 控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验,有利于培养综合分 析能力、开发和创新的能力。 NI Multisim 10 主要特点: 1、通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路; 2、通过交互式 SPICE 仿真,迅速了解电路行为; 3、借助高级电路分析,理解基本设计特征; 4、通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试; 5、通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间[16]。

3.2 系统软件的设计
系统的程序流程图如图 3-1 所示。程序初始化后,等待 AD 转换,转 换完成后判断 AD0 通道值是否为 0,若不为 0,则证明输入到 ADC 的信 号值为正数,在转换结果的第 11 位加“+”并存储到 RAM;若为 0,再判 断 AD1 通道值是否为 0,若还为 0,则证明输入到 ADC 的信号值为 0,把 转换结果 0 存储到 RAM;若不为 0,则证明输入到 ADC 信号值为负数,
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在转换结果的第 11 位加“-”并存储到 RAM。
开始

程 序初 始化

关中 断

A/D转换

AD0是否 为0 Y

N

Y AD1是否 为0

在转换结果 第 11位 添加正 号

N 转换 结果 为零 在转换 结果 第 11位添 加负 号

存储

图 3-1 程序流程图

3.3 硬件电路的仿真结果及分析
由第二章的式(2-6)可知,反相比例运算放大电路的输出 uO = ? RRF uI , 当 RF =5k ? , R =1k ? 时, uO = ?5uI 。我们用 NI Multisim 10 对图 2-6 电路 进行仿真,仿真时 uI 的值我们用函数信号发生器产生, uI 为幅值为 1V, 频率为 1kH 的正弦函数,输出用示波器显示。NI Multisim 10 仿真结果如 图 3-2 所示,图中幅值高的曲线代表 uO ,幅值低的代表 uI 。 根据理论计算 uO = ?5uI ,即 uO 为幅值为 5V,频率为 1kH 的函数,并 且相位与 uI 反相。从仿真图上我们可以看出 uO 的幅值为 4.998V,周期为 1.002ms(约等于 1kH) ,仿真的结果与理论值基本相同。
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图 3-2 反相比例运算放大电路仿真图

根据式(2-7)可知,同相比例运算放大电路的输出 uo = (1 + RRF )uI 。当

RF =5k ? , R =1k ? 时, uO = 6uI 。我们用 NI Multisim 10 对图 2-7 电路进 行仿真,仿真时 uI 的值我们用函数信号发生器产生, uI 为幅值为 1V,频 率为 1kH 的正弦函数,输出用示波器显示。仿真结果如图 3-3 所示,图中 (a)为软件仿真图, ( b)为示波器实测图, 幅值高的曲线代表 uO ,幅值 低的代表 uI 。 根据理论计算 uO = 6uI ,即 uO 为幅值为 6V,频率为 1kH 的函数,并 且相位与 uI 同相。从仿真图上我们可以看出 uO 的幅值为 5.997V,周期为 1.002ms(约等于 1kH) ,仿真的结果与理论值基本相同。

(a) (b) 图 3-3 同相比例运算放大电路仿真图

根据式(2-9)可知,差动放大电路的输出 uo = ?

Rf R

1 (1 + 2RR )uId 。当 RF = 2

R =10k ? , R1 = R2 =5k ? 时 , uo = ?3uId , 且 uId = uI 1 ? uI 2 。 我 们 用 NI

Multisim 10 对图 2-8 电路进行仿真,仿真时 uI 1 和 uI 2 的值我们用函数信号
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发生器产生, uI 1 和 uI 2 为幅值为 1V,频率为 1kH 的正弦函数,只是这两 个信号相位相反(即相位相差 180°) ,输出用四综示波器显示。仿真结果 如图 3-4 所示,图中(a)为软件仿真图, (b)为示波器实测图,幅值高的 曲线代表 uO ,幅值低的两条曲线代表 uI 1 和 uI 2 。 根据 理论计算 uo = ?3uId 且 uId = uI 1 ? uI 2 , 即 uO 为幅值为 6V, 频 率 为 1kH 的函数,并且相位与 uI 1 反相, uI 2 同相。从仿真图上我们可以看出 uO 的幅值为 5.997V,周期为 1.003ms(约等于 1kH) ,仿真的结果与理论值基 本相同。

(a) 图 3-4 差分放大电路仿真图

(b)

我们用 NI Multisim 10 对图 2-10 改进的相敏整流电路进行仿真,仿真 时 Ur 和 Ui 的值我们用函数信号发生器产生,通常 Ur 与 Ui 不是同相位就是 反相位,且 U r > Ui 。这里我们设定 Ur 为幅值为 1.2V,频率为 1kH 的正弦 函数, Ui 为幅值为 1V,频率为 1kH 的正弦函数,首先让这两个信号相位 同相(即相位相差 0°) 。根据理论分析可知,当输入信号与参考信号同相 时 , 则运算 放大器 A5 对 Ui 与 Ur 进行 相加 ,运算 放大器 A6 对 Ui 与 Ur 进行 相减。当测量 信号 Ui 为正半周时, A5 和 A6 都应该是高阻输出零电 *;当 测量信号 Ui 为负半周时, A5 低阻输出正 半周, A6 低阻输出负半周。仿真 如图 3-5 所示。图中幅值最高的曲线是 A5 的输出,之后依次 Ur 、 Ui ,幅 值最低的曲线是 A6 的输出。我们可以从图中看出 A5 的输出幅值为 2.199V, 约等于 Ur 和 Ui 幅值之和; A6 的输出幅值为 199.853mV,约等于 Ur 和 Ui 幅 值之差。仿真结果跟理论分析相同,设计可行。

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图 3-5 改进的相敏整流电路(同相)仿真图

然后让这两个信号相位反相(即相位相差 180°) 。根据理论分析可知, 当输入信号与参考信号反相 时,则运算放大器 A5 对 Ui 与 Ur 进行相减,运 算放大器 A6 对 Ui 与 Ur 进行相加。此时,当测量信号 Ui 为正半周时, A5 低 阻输出正半周, A6 低阻输出负半周。当测量信号 Ui 为负半周时, A5 和 A6 高阻输出零电*。仿真如图 3-6 所示。图中幅值最高的曲线是 A6 的输出, 之后依次 Ur 、 Ui ,幅值最低的曲线是 A5 的输出。我们可以从图中看出 A6 的 输 出 幅 值 为 2.199V , 约 等 于 Ur 和 Ui 幅 值 之 和 ; A5 的 输 出 幅 值 为 199.851mV,约等于 Ur 和 Ui 幅值之差。仿真结果同样跟理论分析相似。

图 3-6 改进的相敏整流电路(反相)仿真图

输出级 A7 把来自两个整流器的信号相加,在此抵消了参考信号。另外, 根据理论分析,在信号一个周期内,半个周期的电流由整流器提供,而在 整流器截止时,另外半个周期的电流由 R31 向 A7 提供,使 A7 的输出以全波 整流的形式出现。仿真图如图 3-7 所示,其中图 3-7(a)为反相, (c)为 同相, (b) 、 (d)为对应示波器实测图。从图中可以看出, A7 的输出是以
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全波整流的形式出现,与理论分析的一致。该电路输出电压 Uo 的极性依输 入电压 Ui 的相位而变化,输出电压 Uo 的大小依输入 电压 Ui 的幅度而变化, 从而实现了相敏整流。

(a)

(b)

(c) (d) 图 3-7 改进的相敏整流电路输出仿真图

3.4 系统的调试
我们利用信号发生器模拟实际信号,对制作的同相比例放大电路,差 分放大电路,相敏整流电路进行了实际调试。首先我们对差分放大电路进 行了调试。由于我们需要两路正弦信号,并且这两路信号的相位相差 180°, 而所用的信号发生器只能产生一路并不能满足我们的要求,我们又制作了 一个反相器来解决了此问题。差分放大电路的测试结果如表 3-1 所示。 从表 3-1 可以看出,制作的差分放大电路的增益为 3,其测量结果和 理论结果一致。但是当幅值超过一定范围(3V 左右)会产生“削峰”现
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象,导致输出失 真;同样当 频率达到一定 范围(5kHz 左右) 也会导致电 路输出失真,所以我们在使用时要选择适当的频率和幅值,来避免电路输 出的失真现象。同相比例放大电路的测试结果与差分放大电路类似,这里 就不列举了。
表 3-1 差分放大电路测试结果 输入 频率(Hz) 1k 1k 1k 100 4k 5k 6k 10k 幅值(V) 1 2 3 1 1 1 1 1 最大值 (V) 6.80 13.4 14.4 6.64 6.74 6.72 6.20 4.00 最小值 (V) -6.64 -13.2 -14.0 -6.40 -6.64 -6.56 -6.00 -4.00 输出 频率 (Hz) 1k 1k 1k 100 4k 5k 6k 10k 状态 放大 放大 输出失真,发生削 峰现象 放大 放大 放大,但波形略有 失真 输出失真 输出失真

为了避免出 现上述 失真现象 ,参考 信号我们 选择频率为 1kHz、 幅值 为 1.2V 的正弦信号来对相敏整流电路进行了调试,通过输入不同幅值或 相位的信号来测试该电路。测试结果如表 3-2 所示。
表 3-2 相敏整流电路测试结果 输入 频率(Hz) 1k 1k 1k 1k 相位 反相 同相 反相 同相 幅值(V) 1 1 0.8 0.8 最大值(mV) 960 -352 716 -272 输出 最小值(mV) 340 -960 268 -744 *均值 (mV) 680 -677 513 -513 峰-峰值 (mV) 620 600 456 445

从表 3-2 里我们可以看出,该相敏整流电路实现了既能检测相位,又 能检测幅值的作用,满足我们设计的要求。

3.5 本章小结
本章首先对 NI Multisim 10 仿真软件进行了介绍,它适用于板级的模 拟/数字电路板的设计工作,然后给出了系统的软件流程图,并详细的对各 部分硬件电路仿真分析进行了说明,最后对系统的硬件电路进行了调试。
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结论
电感式微位移测量仪具有很高的分辨率、很长的使用寿命、线性和稳 定性好、结构简单、输出功率大且阻抗小、抗干扰能力强,并且价格便宜、 安装简单、对工作环境要求不高,因此它在精密和超精密领域得到了广泛 地应用。但是相对于其它的微位移测量仪,电感测微仪的测量电路比较复 杂,其设计和制作的合理性对测量精度和可靠性的影响是很大的。本文是 针对于目前国内电感测微仪存在的普遍问题,从考虑可靠性、经济性要求 的角度,合理地设计电感测微仪测量电路,提高电感测微仪精度、抗干扰 性,并且降低了成本。本课题主要包括以下几方面的工作: 1、分析了电感测微仪的国内外发展现状,总结了各自优缺点; 2、研究了电感传感器的工作原理; 3 、针对 传统的 整流 电路 不 能检 测相位的问题进行了改 进 ,设计了由 集成运放组成的相敏整流电路,实现了既能检测幅值又能检测相位的功能; 4 、 完成 了电感式 微位移测量电路的设计和制作, 包括 差分放大电路、 运算放大电路、相敏整流电路、稳压电路等部分,并对各模块电路的工作 原理进行了详细讨论; 5、用 NI Multisim 10 仿真软件对电路的各模块电路进行了仿真分析; 6、完成了对系统电路的调试,测试结果跟软件仿真*似。 通过对本文的研究,本人对电感式传感器有了新的认识,同时也对信 号检测有了更深入的了解。*年来,虽然相继出现了不少新型的测微仪, 但电感式微位移测量仪在实践中仍然有着不可忽视的作用,所以对其测量 电路进行合理的设计或改进,进而提高它的测量精度则是国内外许多学者 正在研究课题。

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致谢
回顾本科学*期间,我所取得的进步,都离不开诸多良师益友的鼓励 和帮助,在此,我要向他们表示最衷心和最诚挚的感谢! 本论文是在我的指导老师卢迪教授的精心指导下完成的,从论文选题、 材料收集到撰写成篇都离不开卢老师对我的悉心关怀和指导。卢老师严谨 的治学态度、对知识执着追求的精神、丰富的工程实践经验和卓越的管理 才能都是我学*的榜样。衷心的感谢卢老师对我的谆谆教诲和悉心关怀! 感谢王鹏老师、柳长源老师及电子信息工程专业的其他老师,给予我 无私的帮助和关心,在此表示深深的谢意!感谢我所有的朋友和同学,他 们给予我的无私帮助和真诚鼓励让我终生难忘,祝他们在各自的道路上越 走越宽广! 感谢我的父母和亲人,感谢他们对我的理解和支持,为了你们我会更 加努力!

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参考文献
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