《电子秤模拟部分电路设计》——模电大作业

作者 Fabre Li 日期 2017-06-06
《电子秤模拟部分电路设计》——模电大作业

本实验报告为2016学年下学期1502061班级模拟电子电路及技术基础课程大作业。
本文仅作为记录以及参考,请勿直接使用文中任何图片及参数。

实验任务

完成电子秤模拟部分电路设计,电路总增益40~60dB可调,输入阻抗≥1兆欧,共模抑制比≥80dB,带宽:0Hz(DC)-20Hz;秤重范围0-50kg,分辨率0.1kg。

实验要求

完成上述要求的模拟部分电路理论设计与虚拟仿真,记录压敏电阻阻值变化和输出电压的关系,并画出P-V曲线。

实验思路

电路可分成三部分:压力传感器、放大器、滤波器。压力传感器通过压敏电阻阻值的变化改变差模输出电压,放大器将其放大并输出,滤波器消除共模干扰。信号经过单位转换之后得到符合要求的输出电压,再通过关系式将输出电压转换为质量,即可满足电子秤设计的量程要求。

实验过程

压力传感器

压力传感器用4个电阻构成的直流平衡电桥等效,3个电阻固定为$380\Omega$,另一个电阻模拟压敏电阻(为了提高可变电阻阻值变化分辨率,用一个大电阻串联一个小可变电阻来实现),电桥直流驱动电压用电路正电源。测重时,压敏电阻阻值变化,平衡电桥产生差模输出电压。差模输出电压变化范围大致为为0-12mV。

设小可变电阻最大阻值为X,根据电压关系可得关系式:$$\frac{6.012}{12}=\frac{380+X}{760+X}$$

求出 $X≈1.523\Omega$

当可变电阻阻值取最大时,差模输出电压为12mV。

压力传感器.png

放大器

调节放大器增益使输出电压范围为0-5V,输出电压经单位转换就可以现实重量,例如:1mV代表10g,则5V代表满量程50kg。建议输入级采用3运放构成的仪表放大器,运放可选用LM324、LM741、OP07等。

仪表放大器增益为:$$\frac{V{out}}{V{1}-V{2}}=(1+\frac{2R{1}}{R{g}})\frac{R{3}}{R_{2}}$$

将差模输出电压0-12mv放大至0-5V,则代入可得:$$\frac{5000}{12}=(1+\frac{2R{1}}{R{g}})\frac{R{3}}{R{2}}$$

取:

$$R_{1}=2M\Omega$$

$$R_{g}=1M\Omega$$

$$R_{2}=12k\Omega$$

$$R_{3}=1M\Omega$$

放大器.png

差模增益:

差模增益.png

$$A_{ud}=\frac{4.166.3\times 10^{3}}{10}=416.63$$

共模增益:

共模增益.png

$$A_{uc}=\frac{0.0183}{2\times 10^{3}}=9.15\times 10^{-6}$$

共模抑制比:

$$K_{CMR}=|\frac{A_{ud}}{A_{uc}}|=\frac{416.63}{9.15\times 10^{-6}}=4.553\times 10^{7}$$

将压力传感器和放大器连接起来。

压力传感器+放大器.png

当可变电阻阻值取最大时,即差模输出电压为12mV时,放大器输出电压为5V。

滤波器

设计二阶RC有源低通滤波器,根据实验要求,带宽在0-20Hz,满足宽带要求,并对50Hz工频干扰衰弱大于15dB。

根据截止频率计算公式:$$f_{0}=\frac{1}{2\pi RC}$$

取:

$$R=1M\Omega$$

$$C=0.008\mu F$$

滤波器.png

由二阶低通滤波器的幅频特性可得,当频率为50Hz左右时,衰减大于15dB,因此,该滤波器满足条件。

滤波器数据.png

完整电路

将上述三部分模块连接起来,得到完整电路。

完整电路

电路最大输出电压为5V。

输出电压.png

数据处理

在实际的工作中,电桥电路中的压敏电阻阻值会随着重量不同而不同,产生不同的输出电压。因此,只要将输出电压与质量一一对应即可设计出实用的电子秤电路。

压敏电阻百分比以及阻值对应的输出电压:

压敏电阻百分比/% 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
压敏电阻阻值/$\Omega$ 0.07615 0.1523 0.22845 0.304 0.3807 0.456 0.53305 0.609 0.6853 0.7615 0.83765 0.9138 0.98995 1.0661 1.14225 1.2184 1.29455 1.3707 1.44685 1.523
输出电压/mV 250.4 500.8 751.2 1001.5 1251.7 1501.9 1752.1 2002.2 2252.2 2502.2 2752.1 3002.0 3251.9 3501.7 3751.4 4001.1 4250.8 4500.3 4749.9 4999.5

将压敏电阻阻值换算成质量:

质量/kg 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5 30 32.5 35 37.5 40 42.5 45 47.5 50
输出电压/mV 250.4 500.8 751.2 1001.5 1251.7 1501.9 1752.1 2002.2 2252.2 2502.2 2752.1 3002.0 3251.9 3501.7 3751.4 4001.1 4250.8 4500.3 4749.9 4999.5

质量-电压 关系曲线

质量-电压关系曲线.png


感谢刘亦鸣及其小组提供部分参考资料。