基于CCD图像传感器驱动电路的设计

第一篇：基于CCD图像传感器驱动电路的设计

摘 要：本文以tcd1501c型ccd图像传感器为例。介绍了其性能参数及外围驱动电路的设计，驱动时序参数可以通过vhdl程序灵活设置。该电路已成功开发并应用于某型非接触式位置测量产品中。

关键词：ccd 驱动时序 放大器

1引言

电荷耦合器件(ccd)是20世纪60年代末期出现的新型半导体器件。目前随着ccd器件性能不断提高。ccd驱动器有两种：一种是在脉冲作用下ccd器件输出模拟信号，经后端增益调整电路进行电压或功率放大再送给用户：另一种是在此基础上还包含将其模拟量按一定的输出格式进行数字化的部分，然后将数字信息传输给用户，通常的线阵ccd摄像机就指后者，外加机械扫描装置即可成像[1]。所以根据不同应用领域和技术指标要求。选择不同型号的线阵ccd器件，设计方便灵活的驱动电路与之匹配是ccd应用中的关键技术之一。

2ccd工作原理

ccd是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号，其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。当光入射到ccd的光敏面时，ccd首先完成光电转换，即产生与入射光辐射量成线性关系的光电荷。ccd的工作原理是被摄物体反射光线到ccd器件上，ccd根据光的强弱积聚相应的电荷，产生与光电荷量成正比的弱电压信号，经过滤波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。基于上述将一维光学信息转变为电信息输出的原理，线阵ccd可以实现图像传感和尺寸测量的功能。

3驱动电路的实现

图像传感器tcd1501c的主要技术指标如下：像敏单元数为5 000；像元尺寸为7μm×7μm；像元中心距为7μm；像元总长为35mm；光谱响应范围为400nm-1000nm．光谱响应峰值波长为550nm，灵敏度为10.4v／lx.s～15.6v／lx.s。使ccd芯片正常工作的驱动电路主要有两大功能：一是产生ccd工作所需的多路时序脉冲；二是对ccd输出的原始模拟信号进行处理，包括增益放大、差分信号到单端信号的转换[2]。最后驱动器输出用户所需的模拟或视频信息。

3.1 基于vhdl的驱动时序设计

本部分的设计是基于xilinx公司的cpld xc9572一pc44-10，在ise6.1环境下开发实现的。ccd器件需要复杂的三相或四相交叠驱动脉冲，多数面阵ccd都是三相或四相驱动，多数线阵ccd都是二相驱动。ccd为容性负载，工作频率高时有一定的功耗，因此需要对cpld输出的复位脉冲rs、移位脉冲(又称光积分脉冲)sh、箝位脉冲cp、采样脉冲sp，以及二相时钟脉冲φ1e、φ2e等各路驱动脉冲采用74hc14进行整形和驱动能力的放大，然后再送至tcd1501c器件的相应输入端，在ccd的模拟信号输出端将得到信号0s和补偿信号dos。tcdl501c正常工作时要有76个哑像元输出，一个扫描行周期内至少应包含有5 076个时钟脉冲，即tsh=5076×φ1e0.1μs，在本设计中tsh=5200×φ1e。由此可见，改变时钟脉冲频率或增加光积分脉冲周期内的时钟脉冲数，可以改变光积分周期，通常φ1e的频率设置为可调节的，这样可以根据ccd器件的实际应用环境灵活运用ccd器件的优点以改变光积分时间。只要条件允许，为降低ccd的电荷转移损失率。ccd驱动脉冲的频率应尽可能小。驱动脉冲的频率降低时，可以在示波器上观察到ccd输出信号幅值明显增强。

3.2 基于ad623的ccd输出信号差分驱动设计

ccd在驱动脉冲的作用下，经移位寄存器顺序输出视频信号，复位脉冲rs每复位一次，ccd输出一个光脉冲信号。差分信号测量电路里差模和共模电压，vdiff是信号差模电压，vcm是信号共模电压，信号输出vout=r2/r1·vdiff=g·vdiff理想状态下，一般差模增益g≥1，而共模增益(％mismatch／100)×g／(g+1)接近于零，因此可以看出共模增益主要是电阻不匹配的函数，在实际测量电路中可能会由于电阻值的微小不匹配而导致两个输入端的共模电压不一致，而使电路的直流共模增益不为零。共模抑制比(cmrr)就是差模增益g与共模增益的比值[3]。用对数形式表示：201g[(100／％mismatch)×(g+1)]。实际工程应用中，电路工作在一个很大的噪声源中，如50hz交流电源线的噪声、设备的开关噪声、无线信号的传输噪声，这些干扰信号作用在差分输入端，将会在输出端产生一个共模信号，因此差分信号处理除了要求有高的dc cmrr．还要有高的ac cmrr。

图2 ccd的os端和dos端输出波形

在电路设计中选用了adi公司的仪器仪表放大器ad623。ad623集成了3路运放，将视频信号及其补偿输出分别送至ad623的反相和同相输入端．在ad623的输出端接一级射极跟随器以增强信号的驱动能力。选用该器件可消除采用普通运放和外围电阻所引起的输出信号的温度漂移。

4结束语

基于上述开发的线阵ccd驱动器已调试成功．并且用于某位置测量系统中，工作稳定可靠。本设计方案只要再拓展ad转换部分就可以应用于成像系统的前端。

第二篇：传感器转换电路仿真及电荷放大器转换电路设计.（范文模版）

燕山大学

课 程 设 计 说 明 书

题目： 传感器转换电路仿真及电荷放大器转换电路设计

学院（系): 年级专业： 学 号： 学生姓名： 项昕 指导教师： 陈 颖 朱丹丹 教师职称： 副教授 讲 师

第一章

摘要

摘要 电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放、电源几部分组成。电荷放大器可配接压电加速度传感器。其特点是将机械量转变成与其成正比的微弱电荷Q，而且输出阻抗Ra极高。电荷变换级是将电荷变换为与其成正比的电压,将高输出阻抗变为低输出阻抗。本文介绍了一种电荷放大器的设计结构及其工作原理,阐述了实验样机的工作模式,给出了实验样机的实验结果。

关键词。压电传感器；电荷放大器；放大器设计

第二章 引言

引言 随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术已越来越广泛地应用于航天、交通运输、机械制造、自动检测与计量等技术领域，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的振动信号，在实际生活中振动信号的大小经常用加速度来度量，加速度一般通过压电加速度传感器进行测量。它能将传感器输出的微弱电荷信号变换成放大了的电压信号，同时又能将传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。压电加速度传感器的输出需经电荷放大器进行变换（即电荷．电压转换），方可用于后续的放大、处理，因此电荷放大器是加速度测量中必不可少的二次仪表，设计性能良好的电荷放大器具有重要意义

第三章 基本原理

1、工作原理分析

图1 是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路[2 ].图中Ca 为压电传感器等效电容, Cc 为连接电缆电容, Ci 为放大器的输入电容, Ra 为压电传感器的绝缘漏电阻, Ri 为运算放大器的输入阻抗, Cf 是放大器的反馈电容, Rf 为并联在反馈电容两端的漏电阻.在电荷放大器中采用电容负反馈, 对直流工作点相当于开路,对电缆噪声比较敏感, 故放大器零漂较大而产生误差,为减小零漂,使放大器工作稳定, Rf 选阻值非常高的电阻(约101010 数量级所以有(1 + A)Cf》 Ca + Cc + Ci ,此时Ca、Cc 和Ci 均可忽略不计,当Ra、Ri 和Rf

相当大时,放大器的输出电压可写为

U0=

AQQ

(2)(1A)CfCf从式(2)可以发现,在使用电荷放大器的测量系统中,电荷放大器的输出电压U0 与电荷Q 成正比,与电缆电容Cc 无关,与信号的频率也没有关系.-4

输出波形

4.2差动放大电路

原理：差分放大器也叫差动放大器是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器，有时简称为“差放”。

放大倍数A=R3R1

输出电压U0=（U1-U2）R3R1=（120-118）21=4V 输出电压

输出波形

4.3交流电桥电路

原理：在交流电桥中，四个桥臂由四个阻抗元件，每个阻抗元件由一个电容和一个电阻并联组成，当电容值变化时引起阻抗变化，从而使输出电压发生变化，后面接比例放大电路将输出信号放大一定的倍数。

所以，输出电压Uo=Ui*1/4*(ΔZ/Z)*(-R7/R8)=Ui*1/4*(ΔC/C)*(-R7/R8)

电压U2

输出电压U1

4.5整流电路

原理：e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz、D4通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。

输出波形

4.6二阶低通滤波器

原理：它由两节RC输入端之间通过C2引入一个正反馈。在不同的频段，反馈的作用效果也有很大的不同，当信号频率f<

>pf时(pf为截止频率)虽然1C的容抗很小，但由于2C的容抗很小，使得集成运放同相输入端的信号也很小,输出电压必然也很小。所以只允许低频率信号通过.输出波形

4.7电荷放大器

原理:在高频时，电路中各电阻（Ra、Ri、Rf）的值大于各电容的容抗，以上略去Ra、Ri和Rf讨论电路特性是符合实际情况的。电荷放大器的频率响应上限主要取决于运算放大器的频率特性。

在低频时，Ra、Ri与1/jwCc、1/jwCi相比仍可忽略。但Rf与1/jwCf相比就不能忽略了。此时电荷放大器输出电压为

Uo=-jwQ/(1/Rf+jwCf)

（3-8）

上式表明，输出电压Uo不仅与Q有关，而且与反馈网络的原件参数Cf、Rf 和传感器信号频率w有关，Uo的幅值为

Uo=-wQ/[(1+ Rf)²+w²Cf²]½

（3-9）由此可得，电荷放大器的3dB下限截止频率为

（3-10）

低频时，输出电压Uo与输入电荷Q之间的相位差为

φ=arctan[(1/Rf)/wCf]=arctan(1/wRfCf)

（3-11）在

截止频率处φ=45°。

输出波形

-***81920-

第三篇：“组合逻辑电路设计”的任务驱动教学法

【摘要】采用任务驱动法进行教学，通过层层深入的电路设计任务，引导学生完成从单输出到多输出、从不含无关项到存在无关项、从输入不需编码到需要编码，设计多个符合学员认知规律，由浅入深的问题。通过对问题的不断深化和虚拟实验，提高了学生学习兴趣，培养学生的创新意识。

【关键词】组合电路设计；任务驱动教学；multisim仿真

1.教材和教学内容分析

《数字电子技术》是一门理论性和实践性都很强的专业基础课程，教学过程中涉及到的器件种类较多，知识更新速度快。课程的授课重点是以数字基本理论为基础、基本技能为桥梁、综合创新为目的，培养学生分析问题、解决问题的能力。

《组合逻辑电路的设计》是组合逻辑电路的重要组成部分，它在课程中起着承前启后的作用，既是对前面所学的逻辑电路、真值表、逻辑函数表达式以及逻辑代数等知识的综合应用，又为后续编码器、译码器等中规模组合逻辑电路的学习奠定基础。

2.教学目标和教学方法

本次教学的知识能力目标是使学生熟练掌握组合逻辑电路的设计方法及步骤，提高学生学以致用的能力。为了调动学生的积极性，教学过程中主要采用“任务驱动法”来进行教学，结合学生特点，精心设计任务，引导学生分析任务探究新知，然后启发学生运用所学知识解决实际任务。中间配合使用“类比法”、“讨论法”、“仿真法”来达到教学目标。

3.任务驱动教学方法

3.1 任务一校园歌曲评比电路

（1）创建任务，导入新知

设计一个“校园原创歌曲评比”考核电路。考核组由1名主评委和2名副评委组成。每名评委面前有一个按钮。只有当包括主评委在内的2名或2名以上评委认为该歌曲合格，按下按钮，表明是否通过的指示灯才亮。

本设计任务从学生身边事件引入，创设了真实的学习情境，引导学生带着真实的任务进入学习情境，使学习直观化和形象化，将学生自然而然地引入到学习氛围中。

（2）案例分析，传授新知

如何设计一个校园歌曲评比电路呢？学生根据课前预习情况会做出相应回答，即跟组合逻辑电路的分析过程顺序相反。接下来启发学生对实际问题进行分析，电路有几个输出变量和几个输入变量？每个变量代表什么含义呢？设a、b、c代表三名评委面前的按钮，按按钮用1表示，不按用0表示，y为评比结果显示指示灯，亮用1表示，不亮用0表示，同时还应考虑a为主评委，具有否决权。要设计组合逻辑电路，必须找出输出变量和输入变量直接的逻辑关系，通过教员的启发先列出输入输出的逻辑关系表，即真值表（见表1）。

3.2 自主学习含无关项的多输出任务

通过任务1的学习，学生基本明确了组合电路设计的基本步骤。这时采用层层递进的方式，加大设计难度，将输出量提升到3个，同时在逻辑抽象列真值表时又出现了无关项问题。这是1个加强任务，要求学生独立完成，以此自行消化、吸收、巩固掌握本次课的知识点的目的。

任务二：图4为一个电开水器的示意图，a、b、c为水位传感器，当a、b、c电极被淹没时，会有信号输出。当水面在ab间时为正常状态，绿灯亮；当水面在a以上或bc间时为异常状态，黄灯亮；当水面在c以下时，为危险状态，红灯亮。试设计一个水位监测逻辑电路。

在任务2中出现了3个输出变量问题，初看起来不易设计，但引导学生只要对于一个具有因果关系的事件，通过逻辑抽象的方法，列出真值表这一关键的一步，后面几步就容易了。组织小组讨论：水位能不能既高于a又低于b？出现这种不合实际的情况该怎么办？这些无关项如何处理？通过鼓励学生开阔思路、创新思维，突破重点难点，也使枯燥、乏味的新课内容很流畅的就被“由浅入深”、“化难为易”了。

3.3 小组讨论输入需要编码的任务

任务三：人类有四种基本血型—a、b、ab、o型。输血者与受血者的血型必须符合下述原则：o型血可以输给任意血型的人，但o型血只能接受o型血；ab型血只能输给ab型，但ab型能接受所有血型；a型血能输给a型和ab型，但只能接受a型或o型血；b型血能输给b型和ab型，但只能接受b型或o型血。试设计一个检验输血者与受血者血型是否符合上述规定的逻辑电路。如果输血者与受血者的血型符合规定电路输出1。

任务三的难点在逻辑抽象环节，即如何根据给定逻辑问题确定输入输出变量。课堂上将学生分组，给出一定思考时间后，组织不同小组的同学讨论设计方案。

方案一：输血者和受血者的血型都有4种血型，共8个输入变量，对应的真值表过于复杂。

方案二：对输入进行编码，用变量ef表示输血者血型，变量gh表示受血者血型；用两个逻辑变量的四种取值分别表示输血者、受血者血型。

通过学生分析，得出表达式并搭建电路。可见，任务三的难点就在于如何正确列出真值表，之后的逻辑化简、电路搭建等问题都是对前面所学内容的巩固，并不是本次课的重点。因此，教师可以适时引入电路设计软件来自动实现后续设计，让学生耳目一新。

启动multisim，打开逻辑转换仪面板，在真值表区点击e、f、g、h四个逻辑变量，建立一个四变量真值表，输入真值表1。点击逻辑转换仪面板上“真值表→简化逻辑表达式”按钮，求得简化的逻辑表达式如图5逻辑转换仪面板底部逻辑表达式栏所示。点击逻辑转换仪面板上“表达式→逻辑电路”按钮，得到用与非门组成的逻辑电路。

这一环节面向实际应用，通过“教学互动”；不断激发学生的求知欲和学习热情，让学生们在教学过程中体验成功、自我肯定、提升能力。

4.任务的延伸

本节课采用“虚实结合”、“循序渐进”的任务驱动教学方法，在教学中加入仿真验证，把理论知识同实际应用有机结合起来，对提高学生学习电子技术课程的兴趣、培养学生创新能力等方面应该有积极的引导作用。

本次教学的三个设计都是通过小规模集成电路（ssi）来实现的。随着电子技术的发展，组合逻辑电路设计的重心和实际逻辑命题也朝着中规模（msi）甚至大规模的方向发展。目前使用较多的组合逻辑msi有编码器、译码器、数据选择器、数值比较器、奇偶校验/产生器和全加器等，教学过程中还要引导预习后续课程，在以后的学习中用msi重新设计这三个题目，进一步培养学生举一反

三、学以致用的综合能力。

参考文献

[1]姜春玲，封百涛.任务驱动法在“数字电子技术”教学改革中的应用[j].中国电子教育，2009（04）：56-59.[2]陈莉平，王红.电子技术课程设计数字部分的一次实践[j].电气电子教学学报，2008，4：75-76.基金项目：本文系“2013海军大连舰艇学院教育科研项目”（项目编号：2013-08）的研究成果。

第四篇：ICP加速度传感器调理电路设计本科毕业设计2

第二章

ICP加速度传感器简介

2.1 压电式加速度传感器的结构与原理

2.1.1 压电式加速度传感器结构

压电式传感器是由压电效应制作，其机构原理图如图2.1所示，它是一种机电转换式与自发电式的传感器。它的感应器件是采用压电材料制成的。当压电材料受到力作用之后表面会产生一定量的电荷。电荷通过电荷放大器放大、测量电路放大和变换阻抗后就成为与所受外力成正比的电量输出。它的优点是信噪比很高、灵敏度高、频带较宽、重量较轻、结构简单、和工作性能可靠等。缺点则是某些压电材料需要良好的防水防潮防有害气体措施，而直流输出响应比较差，这就需要采用电荷放大器来克服这一条件，在缺少电荷放大器的情况下，也可以采用具有高输入阻抗的电路来满足要求。

图2.1压电式传感器结构原理图

2.1.2 典型的电荷放大系统

除了在上面已经提到了压电式传感器的特点和优点外，它也有自己的缺点，那就是某些压电材料需要良好的防潮措施，而且输出的直流响应差，所以一般都需要配套的放大器电路，图2.2为典型的电荷放大测试系统。

图2.2 典型电荷放大测试系统

在冲击与振动测试中应用最为广泛的就是压电式加速度传感器，但由于其压敏元件具有非常高的阻抗，而且它产生的是微弱的电荷信号，因此需要将传感器产生的高阻抗的输出信号通过一个前置放大器转换成低阻抗的信号。

常用的前置放大器可以分为电荷放大器和电压放大器两种。虽然电缆分布电容对电荷放大器的干扰不大，灵敏度不会受到太大影响，但是由于当弯曲或者振动电缆时，屏蔽层与绝缘体会因为存在相对移动造成摩擦，产生静电荷，从而产生电缆噪声，同样的道理，电缆芯线与绝缘体也会因此而对测试产生干扰。结构简单的电压放大器尽管，稳定性和线性度良好，电缆分布电容的存在会干扰电荷放大器，从而影响到灵敏度。这些情况都会给测试工作带来较大麻烦，由此ICP传感器应运而生[21]。

2.1.3 ICP传感器测试系统

ICP（Integrated Circuits Piezoelectric）传感器本质就是内置了集成电路电荷放大器的压电传感器。与前面所讲的外部连接前置放大器的压电传感器相对比，它弥补了上述的不足。具有代表性的ICP传感器测试系统通过恒流源供电，并且信号输出线路直接与供电电缆相连接，输出的信号为低阻抗形式的信号。整个测试系统包括ICP加速度传感器，普通的双芯电缆和一个能够为传感器连续供电的电源模块。恒流源模块为ICP传感器供电，并从中读取振动信号，典型的ICP测试系统如图2.3所示：

图2.3典型的ICP测试系统

2.2 ICP传感器的选型

ICP加速度传感器有很多型号，每种型号都有自己适用的某种特定用途。为了使测试数据准确度更高，我们需要基于测试系统的适用要求，选择最合适的ICP传感器。一般来讲，重量，灵敏度和频率响应是选择ICP加速度传感器最主要的参考因素。

2.2.1 重量

传感器自身有质量，附加在被测物体上，自然会影响其运动状态。而如果ICP传感器的质量比较大，或者是被测物体的质量比较小，是传感器接近于被测物体的动态质量，那么被测物体的振动就会由于受到干扰而有所减弱。对于有些被测物体，可能整体质量非常大，但在安装ICP加速度传感器的部位，典型的比如一些薄壁结构，传感器的质量已经与结构的局部质量在一个数量级或者非常接近，这样传感器将会使局部运动状态受到干扰和影响。因此，在工程实际中，传感器的质量ma需要远小于被测装置传感器安装点的运动质量m。

因为受到传感器质量的干扰，被测装置的振动加速度a会有所减小，其减小的加速度△a可以使用下式进行粗略计算: △a =a[1-m/(ma+m)]……………………………………………………(式2.1)

2.2.2 灵敏度

系统的信噪比、分辨率和抗干扰能力是与传感器的灵敏度成正比的。就特定功能的传感器来讲，灵敏度与传感器的重量成正比，与谐振频率和量程成反比。因此灵敏度的选择主要考虑这三个方面，即重量、量程和频率响应。此外，在满足这三方面的要求下，我们还要考虑传感器的灵敏度，当然越高越好，这样有利于提高系统的信噪比。2.2.3 频率响应特性

高频响应特性：ICP传感器使用手册给出的上限截止频率为+10%频响，粗略计算为安装谐振频率的1/3。在要求上限截止频率误差为+5%的情况下，大概为安装谐振频率的1/5。如果设置适当的校正系数，则在更高的频率范围内依然能够获取非常可靠的检测数据。

低频响应特性：ICP传感器使用手册给出的下限截止频率为-10%频响。基座应变、内置IC放大电路芯片的下限截止频率和热释电效应等环境特性决定ICP传感器的低频响应特性。应变片式ICP传感器能够响应静态信号。

2.3 ICP传感器输出信号的分析

ICP传感器是由恒流源芯片供电，LM334芯片我们选中12V直流电对其供电，如图2.4所示：

图2.4 传感器接线

图2.4中，JP1和JP2处就可以接传感器和引出传感器的信号（ICP传感器有两根引线，它们即是给传感器供电的线，同时也是传感器信号的引出线），若还没接上传感器根据前面对于恒流源电路的分析，那么在JP1和JP2处可以用电流表检测到4mA的电流，如果没有检测到，或者是不为4mA，那么这个恒流源的电路就没有搭建好。对我们搭建好的电路进行检测，电流表的示数为4mA，证明我们所搭建的电路是正确的。查阅资料得知，这个时候JP1和JP2之间的电压应该为11V~12V之间，对我们的电路测一下，为11.5V，这是一个很重要的电压，对于我们后续传感器信号的识别是非常关键的。

再接上我们的ICP传感器，将其接在JP1处，JP2作为我们信号的输出引线段，接在示波器上观察，开启我们的振动试验平台，调节我们的示波器选着交流耦合方式（也就是滤掉直流分量，只检测交流分量），观察示波器同样得到了一个正弦信号，信号的频率和我们振动实验平台的激振频率一样。说明我们所设计的恒流源能够使我们的ICP传感器正常工作。再调节示波器选择直流耦合（既测直流信号又测交流信号）观察示波器发现，和有一个直流分量存在。查阅资料上面说ICP传感器输出的信号不是基于0V的一个信号输出而是带有9V左右的直流分量的，用电压表测JP2两端的电压，测得一个9V的电压。传感器没有检测信号，只要接在了恒流源上面就会产生这样的一个信号。示波器上观察到如图2.5所示：

图2.5 ICP传感器传输信号

第五篇：热电偶温度传感器信号调理电路设计与仿真介绍

电子工艺设计

录

第1章 绪 论.........................................................................................................1 1.1 课题背景与意义..........................................................................................1 1.2 设计目的与要求..........................................................................................1 1.2.1 设计目的...........................................................................................1 1.2.2 设计要求...........................................................................................1 第2章 设计原理与内容...........................................................................................2

2.1 热电偶的种类及工作原理.............................................................................3

2.1.1热电偶的种类....................................................................................3

2.1.2 工作原理分析....................................................................................4

2.2 设计内容......................................................................................................4 2.2.1 总体设计...........................................................................................4 2.2.2 原理图设计.......................................................................................5 2.2.3 可靠性和抗干扰设计.......................................................................7 第3章 器件选型与电路仿真...................................................................................8 3.1 器件选型说明..............................................................................................8 3.2 电路仿真......................................................................................................8 第4章 设计心得与体会...........................................................................................9 参考文献.....................................................................................................................10 附录1：电路原理图...................................................................................................11 附录2：PCB图............................................................................................................11 附录3：PCB效果图....................................................................................................11

电子工艺设计

第1章 绪 论

1.1 课题背景与意义

温度是一个基本的物理量，在工业生产和实验研究中，如机械、食品、化工、电力、石油、等领域，温度常常是表征对象和过程状态的重要参数，温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。本设计中正是关于温度的测量，采用热电偶温度测量具有很多的好处，它具有结构简单，制作方便，测量范围广，精度高，惯性小和输出信号便于远传等许多优点。

同时，热电偶作为有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常在日常生活中被应用，如测量炉子，管道内的气体或液体温度及固体的表面温度。热电偶作为一种温度传感器，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。热电偶可直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

1.2 设计目的与要求 1.2.1 设计目的

(1)了解常用电子元器件基本知识（电阻、电容、电感、二极管、三极管、集成电路）；(2)了解印刷电路板的设计和制作过程；(3)掌握电子元器件选型的基本原理和方法；

(4)了解电路焊接的基本知识和掌握电路焊接的基本技巧；

(5)掌握热电偶温度传感器信号调理电路的设计，并利用仿真软件进行电路的调试。

1.2.2 设计要求

选用热电偶温度传感器进行温度测量，要求测温范围100-300℃、精度为0.1℃。设计传感器的信号调理电路，实现以下要求：

（1）将传感器输出4.096-12.209mV的信号转换为0-5V直流电压信号；（2）对信号调理电路中采用的具体元器件应有器件选型依据；（3）电路的设计应当考虑可靠性和抗干扰设计内容；（4）电路的基本工作原理应有一定说明；

（5）电路应当在相应的仿真软件上进行仿真以验证电路可行性

电子工艺设计

第2章 设计原理与内容

2.1 热电偶的种类及工作原理 2.1.1 热电偶种类

1、K型热电偶镍铬

Ｋ型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶，可测量0～1300℃的介质温度，适宜在氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃，其热电势与温度的关系近似线性，是目前用量最大的热电偶。然而，它不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用；当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小，因此，多采用金属制保护管。Ｋ型热电偶缺点：

(1)热电势的高温稳定性较Ｎ型热电偶及贵重金属热电偶差，在较高温度下(例如超过1000℃)往往因氧化而损坏；

(2)在250～500℃范围内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电势示值不一样，其差值可达2～3℃；

(3)其负极在150～200℃范围内要发生磁性转变，致使在室温至230℃范围内分度值往往偏离分度表，尤其是在磁场中使用时往往出现与时间无关的热电势干扰；

(4)长期处于高通量中系统辐照环境下，由于负极中的锰(Ｍn)、钴(CO)等元素发生蜕变，使其稳定性欠佳，致使热电势发生较大变化。

2、S型热电偶

该热电偶的正极成份为含铑10%的铂铑合金，负极为纯铂。其特点是：

(1)热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300℃ 超达1400℃时，即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶，使晶粒粗大而断裂；(2)精度高，在所有热电偶中准确度等级最高，通常用作标准或测量较高温度；(3)使用范围较广，均匀性及互换性好；

(4)主要缺点有：微分热电势较小，因而灵敏度较低；价格较贵，机械强度低，不适宜在原

电子工艺设计

性气氛或有金属蒸汽的条件下使用。

3、E型热电偶(镍铬－铜镍[康铜]热电偶)Ｅ型热电偶为一种较新产品，正极为镍铬合金，负极为铜镍合金(康铜)。其最大特是 在常用的热电偶中，其热电势最大，即灵敏度最高；它的应用范围虽不及Ｋ型偶广泛但要 求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下，常常被选用；使用中的限制条件与型相 同，但对于含有较高湿度气氛的腐蚀不很敏感。

4、N型热电偶(镍铬硅－镍硅热电偶)

该热电偶的主要特点：在1300℃以下调温抗氧化能力强，长期稳定性及短期热循环复现性好，耐核辐射及耐低温性能好，另外，在400～1300℃范围内，Ｎ型热电偶的热电特性的线性比Ｋ型偶要好；但在低温范围内(-200～400℃)的非线性误差较大，同时，材料较 硬难于加工。

5、J型热电偶(铁－康铜热电偶)

J 型热电偶：该热电偶的正极为纯铁，负极为康铜(铜镍合金)，具特点是价格便宜,适 用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范围从-200～800℃，但常用温度只在500℃以下，因为超过这个温度后，铁热电极的氧化速率加快，如采用粗线径的丝材，尚可在高温中使用且有较长的寿命；该热电偶能耐氢气(Ｈ2)及一氧化碳(ＣＯ)气体腐蚀，但不能在高温(例如500℃)含硫(Ｓ)的气氛中使用。

6、T型热电偶(铜－铜镍热电偶)

T型热电电偶：该热电偶的正极为纯铜，负极为铜镍合金(也称康铜)，其主要特点是： 在贱金属热电偶中，它的准确度最高、热电极的均匀性好；它的使用温度是-200～350℃，因铜热电极易氧化，并且氧化膜易脱落，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300℃，在-200～300℃范围内，它们灵敏度比较高，铜－康铜热电偶还有一个特点是价格便宜，是 常用几种定型产品中最便宜的一种。

7、R型热电偶(铂铑13－铂热电偶)该热电偶的正极为含13%的铂铑合金，负极为纯铂，同S 型相比，它的电势率大15% 左右，其它性能几乎相同，该种热电偶在日本产业界，作为高温热电偶用得最多，而在中国，则用得较少。

热电偶通常分为标准化热电偶和非标准化热电偶两类。标准化热电偶是指制造工艺比

电子工艺设计

较成熟，应用广泛，能成批生产，性能优良而稳定，并以利用工业标准化元件中的那些热电偶。标准化热电偶具有统一的分度表，常见的七种标准热电偶是R型、S型、B型、K型、E型、J型、T型。N型热电偶为廉金属热电偶，是一种最新国际标准化的热电偶。

2.1.2 工作原理分析

热电温度计是由热电偶、补偿导线及测量仪表构成的。其中热电偶是敏感元件, 它由两种不同的导体A 和B 连接在一起, 构成一个闭合回路, 当两个连接点1 与2 的温度不同时, 由于热电效应,回路中就会产生零点几到几十毫伏的热电动势, 记为EAB。接点1 在测量时被置于测场所, 故称为测量端或工作端。接点2 则要求恒定在某一温度下,称为参考端或自由端, 如图1 所示。

实验证明, 当电极材料选定后, 热电偶的热电动势仅与两个接点的温度有关, 即.比例系数SAB 称为热电动势率, 它是热电偶最重要的特征量。当两接点的温度分别为t1 , t2 时, 回路总的热电动势为 , 式中eAB(t1)、eAB(t2)分别为接点的分热电动势。

对于已选定材料的热电偶, 当其自由端温度恒定时, eAB(t2)为常数, 这样回路总的热电动势仅为工作温度t1 的单值函数。所以, 通过测量热电动势的方法就可以测量工作点的实际温度

图 1 热电偶原理图

2.2 设计内容 2.2.1 总体设计

本设计需要测量温度为100到300度，选用K型热电偶，在将测量所得电压进行放大

电子工艺设计

处理。

K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。K型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一般为1.2～4.0mm。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=92：12，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=99：3，其使用温度为-200~1300℃。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛.，热电偶测量输出的信号为4.096-12.209mV，我们用信号调理电路将其转换为0-5V直流电压信号

此信号调理电路由一个减法放大器和一个同相比例放大器组成，减法放大器一端电压接4.096 mV，这样在经过减法器的时候电压变化范围就会变成4.096-8.113mV，再由比例放大器输出，就会得到0-5V直流电压信号.2.2.2 原理图设计

同相输入放大电路如图2所示，信号电压通过电阻RS加到运放的同相输入端，输出电压vo通过电阻R1和Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。

根据虚短、虚断的概念有vN= vP= vS，i1=if

于是求得所以该电路实现同相比例运算。同相比例运算电路的特点如下 1.输入电阻很高，输出电阻很低。

2.由于vN= vP= vS，电路不存在虚地，且运放存在共模输入信号，因此要求运放有较高的共模抑制比。

电子工艺设计

图 2 同相比例放大电路

差分式减法运算电路

电路原理：差分式减法运算电路是利用一级运放实现的电路，图1所示。要进行运算的两路信号分别由运放的同相和反相输入端送入，这是一种差分输入方式。由于存在着负反馈，电路属于线性电路，因此，可以利用叠加定理分析求解电路输出电压与输入电压之间关系。

图3 减法电路图

当令ui1单独作用时，ui2=0，电路实质是一个反相输入比例电路，如图所示，输出端电压

电子工艺设计

uo1=-R3*ui1/R2(2-2-1)电阻R2//R3，只起平衡作用，不影响电路输入输出关系。当u2单独作用时，令ui1=0,此时电路实质是所分析的同相输入比例电路。分析结果得：

uo2=(1+R3/R2)*Rf*ui2/(R+Ri)(2-2-2)最后，利用叠加定理就可以求出输入信号ui1和ui2共同作用时，输出电压为 uo=uo1+uo2=-R3*ui1/R2+R3*ui2/R2=R3(ui2-ui1)/R2(2-2-3)若取R3=R2，则有 uo=ui2-ui1从而实现对输入信号的减法运算。减法运算也可以看成是对两个输入信号的差进行放大，所以此电路也广泛应用于自动检测仪器中，实现对输入信号的检测。

2.2.3 可靠性和抗干扰设计

抗干扰的应用包括避免强磁场，补偿导线加屏蔽动力电缆，与信号线、分开布线、保持距离。系统产生干扰的原因有很多，在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构，它们之间的信号传输既有微弱到毫伏级、微安级的小信号，又有几十伏，甚至数千伏、数百安培的大信号；既有低频直流信号，也有高频脉冲信号等等，构成系统后往往发现在仪表和设备之间信号传输互相干扰，造成系统不稳定甚至误操作。出现这种情况除了每个仪表、设备本身的性能原因如抗电磁干扰影响外，还有一个十分重要的因素就是由于仪表和设备之间的信号参考点之间存在电势差，因而形成“接地环路”造成信号传输过程中失真。因此，要保证系统稳定和可靠的运行，“接地环路”问题是在系统信号处理过程中必须解决的问题。解决“接地环路”的方法 根据理论和实践分析，有三种解决方案： 第一种方案：所有现场设备不接地，使所有过程环路只有一个接地点，不能形成回路，这种方法看似简单，但在实际应用中往往很难实现，因为某些设备要求必须接地才能保证测量精度或确保人生安全，某些设备可能因为长期遭到腐蚀和磨损后或气候影响而形成新的接地点。第二种方案：使两接地点的电势相同，但由于接地点的电阻受地质条件及气候变化等众多因素的影响，这种方案其实在实际中无法完全能做到。第三种方案：在各个过程环路中使用信号隔离方法，断开过程环路，同时又不影响过程信号的正常传输，从而彻底解决接地环路问题

电子工艺设计

第3章 器件选型与电路仿真

3.1 器件选型说明

在热电偶测温传感器信号调理电路中，用到了电阻、集成运算放大器等。具体如下表所示：

表1所用元器件清单表

器件类型 K型热电偶 电阻 放大器

数量 1 6 2

单价 128.00 0.02 2.60

合计 128.00 0.12 5.20 3.2 电路仿真

Proteus电路仿真软件功能非常强大，在电路设计中，能够直观有效的观察电路的运行状态，工作点和电路参数，利用仿真来调整电路参数达到设计目的，有事半功倍的效果，尤其在单片机程序调试过程中，无需搭建实验电路板，能够跟Keil C单片机程序开发软件直接联调，方便快捷的调试单片机的程序，进行单片机系统的设计开发，在仪器的开发设计中，能够有效地提高效率，减少试验成本，缩短开发周期。根据电路原理，将信号放大电路、温度采集电路、模拟开关，统一设计在一个电路原理图中。使用proteus软件的仿真功能，得到如图4-1所示：

4-1总体电路图

电子工艺设计

第4章 设计心得与体会

本次课程设计我们的选题是热电偶温度传感器信号调理电路设计与仿真，通过本周的课程设计。我对电子元器件基本知识（电阻、电容、电感、二极管、三极管、集成电路）有了更多的了解，增长了知识也对自己所学的知识有了新的认识，同时也可以真的切实的将所学的知识应用到实践当中，这让我对所学的课程知识和软件的认知更加深刻，了解了如何利用仿真软件进行简单的电路的调试，通过本次课设，我深刻意识到纸上谈兵对知识的认知终究只能停留在表面，只有通过实验才能对知识有更好更深刻的理解与感悟。很高兴我能有这个机会和大家共同交流学习，从中学到了很多。同时也发现自己对于软件使用方面仍有不足，在今后应该加强.-10-

电子工艺设计

参考文献

[1]徐德炳译，《传感器的接口及信号调理电路》，北京：国防工业出版社，1984年 [2]刘宏，《电子工艺实习》，广州：华南理工大学出版社，2009年 [3]俞雅珍，《电子工艺技术》，上海：复旦大学出版社，2007年 [4]康华光，《模拟电子技术》，北京：高等教育出版社，2004年

电子工艺设计

附录1：电路原理图

附录2：PCB图

附录3：PCB效果图