压力传感器实践模块设计报告.doc

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1、压力传感器实践模块设计报告2016年 4 月 15 日压力传感器实践模块设计报告1 设计思路 对于未知的压力信号经传感器及其前置电路转换为电信号，经过信号放大，滤波输出一个容易分辨大小的电信号。 2 设计方案2.1方案设计选用MPM180压阻式传感器作为测量元件，放大电路模块选用AD623，滤波电路模块选用MAX291，电源模块选用LM1117-5供电。信 号 放 大2.2 设计原理框图滤 波传感器MPM180（调零）输出信号电源模块5V供电 图1设计原理框图3 单元电路设计3.1电源模块LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半

2、导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.2513.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。LM1117提供电流限制和热保护。是电池供电和便携式计算机的最佳选择。电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在1%以内。LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252 D-PAK封装。输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。因此，我们选用1117-5组成电源模块为电路提供+5V直流稳压供电。首先，我们在供电端接入一

3、个发光二极管，用于判断通电时电路是否有电流通过，二极管会对电源分压，实际进入电源模块的电压为供电电压减去二极管的导通压降。图2由于1117-5芯片已经比较成熟，我们只需要在输入输出端接入旁路电容进行去耦来改善瞬态响应和稳定性即可输出稳定的+5V电压。如图：图33.2压力传感器MPM180压力传感器由4个采用惠斯顿电桥结构连接的压敏电阻组成。当这些传感器上没有压力时，桥中的所有电阻值都是相等的。当有外力施加于电桥时，两个相向电阻的阻值将增加，而另两个电阻的阻值将减小，而且增加和减小的阻值彼此相等。阻值改变时，输出电压将随之改变。四个桥上并联的电阻为负温度系数的热敏电阻，主要用来补偿零位温度漂移。

4、3.3放大电路模块AD623ad623 是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源（+ 3v+ 12v）下提供满电源幅度输出,ad623 允许使用单个增益设置电阻进行增益编程,以得到良好的用户灵活性。 在无外接电阻的条件下,ad623 被设置为单位增益，外接电阻之后,ad623 可编程设置增益,其增益最高可达1000 倍。输入信号加到作为电压缓冲器的pnp 晶体管上,并且提供一个共模信号到输入放大器,每个放大器接入一个精确的50k 的反馈电阻,以保证增益可编程。差分输出为:然后差分电压通过输出放大器转变为单端电压。6 脚的输出电压以5 脚的电位为基准进行测量。基准端(5脚) 的阻抗是100k ,

5、在需要电压/ 电流转换的应用中仅仅需要在5 脚与6 脚之间连接一只小电阻。+vs 和- vs 接双极性电源(vs = 2. 5v6v)或单电源( + vs = 3. 0v12v , - vs = 0) 。靠近电源引 脚处加电容去耦。去耦电容最好选用0. 1f 的瓷片电容和10f 的钽电解电容。ad623 的增益g 由rg 进行电阻编程,或更准确的说,由1 脚和8 脚之间的阻抗来决定。g 可以由以下公式计算:ad623的REF端为参考电压端，为了匹配后级电路，可以在REF端加入电压，使整体电压得到提高，增加系统的稳定性。REF参考电压可以使输出电压偏移，如输入信号为10mV，放大倍数100倍时，

6、输出电压为1V，在REF端加入2V参考电压，输出电压改变为2V1V。在电路中，通过调节REF与电源的分压电阻来调整输入的参考电压大小。 图43.4滤波电路模块滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。 在压力传感器中，由于震动、声音、温度等环境因素都可能在系统中引入噪声并通过放大器进行放大，将会严重干扰电路的正常输出，因此，我们需要引入滤波器模块，用来剔除一定频率范围外的噪声。一般需要测试的压力变化频率比较小，而噪声的频率可能很高，所以我们选用低通滤

7、波器进行滤波。以下为几种低通滤波器的频率响应图： 图5上图中滤波器的频率响应图分别为巴特沃斯滤波器（左上）和同阶第一类切比雪夫滤波器（右上）、第二类切比雪夫滤波器（左下）、椭圆函数滤波器（右下）。 其中巴特沃斯滤波器的通频带的频率响应曲线最平滑，我们选用的MAX291为8阶巴特沃思低通滤波器，在通频带内，它的增益最稳定，波动小，主要用于仪表测量等要求整个通频带内增益恒定的场合。 MAX291滤波器的时钟信号既可由外部时钟直接驱动也可由内部振荡器产生。通过调整时钟，截止频率的调整范围可以达0.1Hz25kHz。时钟频率和截止频率的比率：1001。使用内部时钟时，振荡器的频率由接在CLK端上的电容

8、VCOSC决定： MAX291波器既可用单电源工作也可用双电源工作。双电源供电时的电源电压范围为2.3755.5V。在实际电路中一般要在正负电源和GND之间接一旁路电容。当采用单电源供电时，V-端接地，而GND端要通过电阻分压获得一个电压参考，该电压参考的电压值为1/2的电源电压。MAX291允许的输入信号的最大范围为V-0.3VV+0.3V。一般情况下在+5V单电源供电时输入信号范围取1V4V。5V双电源供电时，输入信号幅度范围取4V。如果输入信号超过此范围，总谐波失真THD和噪声就大大增加；同样如果输入信号幅度过小（VP-P1V），也会造成THD和噪声的增加。通过调节放大电路的参考电压，可

9、以使上级输出与滤波器输入匹配。 图63.5温度补偿模块压力为零时，使用四个桥上并联的电阻消除零漂。工作期间，温度补偿电路原理图如下,传感器以6mA恒流源供电，压力不变时，温度变化，引起传感器阻值变化，进而引起V3变化，根据这个电压的变化就能够绘制各个温度点的传感器P-V曲线，进行零位电压和灵敏度温度误差的补差和修正。 图74 电路工作原理及参数计算传感器电桥变化后，在仪表放大器的输入端形成输入信号，经放大器放大偏置后，滤波输出。 我组放大倍数为29Rg=3.571k为了匹配后级电路，（滤波器单电源供电时输入信号范围取1V4V），REF端加参考电压偏置输出。AD623输出范围为13.9V截止频率

10、要求19*0.333kHz=6.327kHz，而时钟频率和截止频率的比率为1001，所以=965.7KHz，由计算C5=52.68pF5 仿真分析部分仿真电路图及结果如下图（传感器使用四个滑动变阻器代替）放大模块：差动输入信号为50.503mV，输出为2.471V，REF参考电压为1V。放大倍数为（2.471-1）/0.050503=29.13倍滤波模块R1+R2=R3/R4 截止频率要求9.657kHz，设C1=0.1uf,则R1理论值为165，经过仿真选用209。仿真结果6 整体电路PCB图7 小结在仿真过程中，千万不要将电桥电阻变化太大，会引起multisim仿真错误。因为变化太大，输入信号大，超出了放大器的电源电压引起错误。参考文献1 郝晓剑，戴萧嫣等.测控电路设计与应用M，电子工业出版社，2012.8.2 孟立凡，蓝金辉.传感器原理与应用M，电子工业出版社，2007.8.3 邱关源，罗先觉.电路M，高等教育出版社，2006.5.4 夏勇. 压阻式压力传感器温度补偿的研究与实现D，西安：西北工业大学，2006.3.5 徐桂华.硅压阻式压力传感器的温度补偿J.数据采集与处理，1994.9（3）：229-232.6 MAM291芯片资料 7 AD623芯片资料 8 毕满清等.模拟电子技术基础M，电子工业出版社，2008.6.word文档 可自由复制编辑