趙 升,朱翔鷗,葉 鵬,吳桂初

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院,浙江溫州325035)

“感測技術(shù)”課程設(shè)計是電子信息專業(yè)學(xué)生學(xué)完“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“單片機(jī)原理及應(yīng)用”以及“感測技術(shù)”課程后的一個綜合實訓(xùn),共36學(xué)時。其主要教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生綜合運用傳感器、電子技術(shù)及微機(jī)原理等理論知識,獲取綜合設(shè)計能力和工程實踐能力。如果“感測技術(shù)”課程的實踐教學(xué)仍然采用專用實驗設(shè)備,其功能擴(kuò)展性差;而要增加新的實訓(xùn)內(nèi)容就需改進(jìn)或添置實驗設(shè)備或者另外自制部分功能電路來予以解決。我校在進(jìn)行“感測技術(shù)”課程設(shè)計時,將Proteus仿真技術(shù)引入實踐教學(xué),采用先仿真設(shè)計,再制作調(diào)試的方法,可以改進(jìn)實踐教學(xué)手段[1]。

1 傳感器信號調(diào)理電路仿真分析

1.1 設(shè)計要求及原理分析

壓電式傳感器在工程實際中應(yīng)用比較廣泛,是“感測技術(shù)”課程教學(xué)中的重要章節(jié)。課程設(shè)計的內(nèi)容:根據(jù)給定的壓電陶瓷敏感元件制作用于測量振動信號的壓電加速度計。具體要求為:①設(shè)計合適的測量放大電路,輸入信號頻率為:1Hz～1kHz;②利用單片機(jī)對測量結(jié)果進(jìn)行采樣,計算并顯示最大加速度值和信號頻率值。

在制作實物之前,我們先讓學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計的電路進(jìn)行Proteus仿真分析。利用其虛擬系統(tǒng)模型VSM(Virtual System Modelling)功能,以滿足學(xué)生在系統(tǒng)原理圖設(shè)計階段對硬件電路的性能進(jìn)行整體評估,優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。本設(shè)計中,被測振動信號(仿真時采用周期性交流電流源代替)經(jīng)過壓電加速度傳感器轉(zhuǎn)換為電荷信號,電荷放大器將電荷量變換為電壓信號,電壓信號的大小反映振動加速度的大小,其工作原理框圖如圖1所示。

圖1 壓電加速度計電路原理框圖

1.2 電荷放大器的設(shè)計

壓電加速度傳感器可以等效為一個電容和一個電荷源,其輸出是微弱的電荷量。為防止壓電加速度傳感器輸出電荷泄漏而引入的測量誤差,要求傳感器自身的絕緣性能要好。測量電路前級輸入端要有足夠高的阻抗,傳感器與測量電路間導(dǎo)線分布電容和電阻的影響要小。為了滿足這些條件,應(yīng)選擇的測量電路為電荷放大器[2]。

圖2為壓電加速度計的電路圖。圖中運放U1,U2及外圍電路構(gòu)成了電荷放大器,運放U1和電容C3將壓電加速度傳感器輸出的電荷量轉(zhuǎn)換為電壓值,由于該放大器為電容負(fù)反饋,對于直流工作點相當(dāng)于開環(huán),因此存在很大的零漂。為了工作點穩(wěn)定,減小零漂,在反饋電容C3的兩端并聯(lián)一個反饋電阻R3,形成直流負(fù)反饋,以穩(wěn)定放大器的直流工作點。在反相端串聯(lián)電阻R1和R2主要是保護(hù)運放U1,為避免R2與運放U1的輸入電容構(gòu)成另外一個極點而使運放產(chǎn)生自激振蕩,在R2兩端并聯(lián)電容C2以實現(xiàn)相位補償[3]。電容C1的作用是隔離壓電傳感器的直流分量,減小零漂。器件U2、R8和R6組成電壓放大電路,對轉(zhuǎn)換后微弱的電壓值進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆?/p>

圖2 壓電加速度計設(shè)計原理圖

為了比較不同運放器件放大效果的差異,這里選擇了輸入電阻為1.5T Ψ的集成運放CA3140和差動輸入電阻為60MΨ的集成運放OP07分別代替圖2中的U1,并進(jìn)行電荷放大電路的仿真性能比較。具體操作步驟為:①選取電路所需的元器件。點擊菜單欄Library/Pick Device按鈕,選取正弦交流電流源ISINE、集成運放CA3140、OP07、電阻RES以及電容CAP,其參數(shù)可以根據(jù)實際情況任意設(shè)定。點擊Terminals Mode快捷按鈕選擇電源Power和參考地Ground。在Virtual Instruments快捷按鈕中選擇Oscilloscope和Signal Generator。②點擊菜單欄Debug/Start/Restart Debugging按鍵,系統(tǒng)進(jìn)入仿真界面。

CA3140和OP07兩種運放用于電荷放大器輸出仿真結(jié)果性能比較如圖3所示。圖中通道A為模擬壓電加速度傳感器輸出波形,通道B為以集成運放OP07作為電荷放大器輸出波形,幅值為90mV,通道C為以集成運放CA3140作為電荷放大器輸出波形,幅值為700mV。由此可見,集成運放CA3140更適合作為電荷放大電路。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的實現(xiàn)

壓電加速度計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由信號調(diào)理電路、高低通濾波電路、比較電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和顯示電路組成。壓電加速度傳感器是一個弱阻尼的振動系統(tǒng),因此它的幅頻特性的高頻段有一個很高的共振峰,此峰值引入了高頻噪聲,并對輸入信號產(chǎn)生失真和干擾[4]。因此,系統(tǒng)在電路設(shè)計中采用低通濾波器,以用來改善傳感器的高頻幅頻特性。

圖3 CA3140和OP07的性能比較

同時,為了濾除信號中的直流成分,需要在低通濾波器后面增加一個高通濾波器。

1)低通濾波電路

該濾波器采用二階有源濾波,由R11、R12、C4、C5、U3組成,其傳遞函數(shù)為[5]

式中,A0為低頻增益,ωn為特征角頻率,Q為等效品質(zhì)因數(shù)。

2)高通濾波電路

該濾波器采用一階有源濾波,由R15、C6、U4組成,根據(jù)文獻(xiàn)[4,5]和設(shè)計要求可計算出R15為10 kΨ,C6為10μ F。

根據(jù)選定的參數(shù)進(jìn)行基于頻率分析圖表的高低通濾波電路分析,具體操作步驟如下[6]:①單擊工具箱的Graph Mode按鈕,選擇Frequency仿真圖形,然后光標(biāo)指向編輯窗口,拖出一個方框,松開左鍵確定方框的大小,則頻率仿真圖表被添加到原理圖中;②點擊工具箱的Voltage Probe Mode按鈕,將電壓探針放置到高通濾波器的輸出端,注意要在低通濾波器的輸入端放置一個參考發(fā)生器并把它拖到圖中,否則仿真不能正常進(jìn)行;③選中圖表單擊,可彈出Edit Frequency Graph對話框,設(shè)置完成后,單擊OK鍵,結(jié)束設(shè)置。④執(zhí)行Graph/Simulate命令(或空格鍵),開始仿真,此時圖表的結(jié)果也隨仿真結(jié)果進(jìn)行更新。

3)仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖4所示。從仿真結(jié)果可以看出,輸入信號頻率為1Hz～1kHz時,信號幅值衰減值為0dB和3dB,與理論計算結(jié)果相符,且能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖4 高低通濾波器仿真結(jié)果圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫,可顯示最大加速度值和周期信號的頻率值。其主程序流程圖如圖5所示。該流程圖完成以下幾個功能。

(1)系統(tǒng)參數(shù)的初始化,包括外圍采樣芯片ADC0808的初始化,外部中斷INT0、INT1優(yōu)先級的初始化以及整機(jī)硬件設(shè)備的自檢等。

(2)A/D轉(zhuǎn)換子程序,主要功能是電壓模擬信號的采樣并計算出其相應(yīng)的數(shù)值,并利用滑動平均濾波算法實現(xiàn)對輸出信號的精確計算。

(3)LCD顯示子程序,負(fù)責(zé)管理顯示主菜單以及各種子菜單,并將顯示緩沖區(qū)內(nèi)的內(nèi)容按要求顯示出來。

軟件編程在Keil環(huán)境中進(jìn)行,并可以實現(xiàn)與Proteus軟件在線聯(lián)調(diào)。

圖5 主程序流程圖

4 結(jié)語

Proteus仿真軟件較其它電子電路仿真軟件相比,除具有功能強大的模擬電路、數(shù)字電路仿真外,其優(yōu)點主要體現(xiàn)在對單片機(jī)及外圍電路的仿真,可以實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化設(shè)計。近三年來,我校一直將Proteus仿真軟件應(yīng)用于感測技術(shù)的課程設(shè)計中,解決了學(xué)生在方案論證、元器件參數(shù)選擇以及電路板設(shè)計等方面的諸多問題,加快了學(xué)生作品設(shè)計的進(jìn)度,提高了作品的成功率,增強了學(xué)生的動手能力。

[1] 喬建華,李臨生,田啟川.Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,2008,30(3):70-73

[2] 李科杰主編.新編傳感器技術(shù)手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.1

[3] 陶玉貴.一種新型電荷放大器的研究與設(shè)計[J].合肥:安徽大學(xué)學(xué)報,2008,31(5):443-447

[4] 查萬紀(jì).學(xué)位論文題名:壓電加速度傳感器測量電路的研究與設(shè)計[D].合肥:安徽大學(xué),2005:24-39

[5] 康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(第三版)新編傳感器技術(shù)手冊[M].北京:高等教育出版社,1997.6

[6] 周景潤,張麗娜編著.基于Proteus的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.5