仪器仪表电子工业课程设计_氧气浓度传感器信号调理电路设计与仿真精选.doc

课 程 设 计 目 录 1.设计目的 2 2.设计要求 3 3.设计内容 4 3.1总体设计 4 3.2工作原理分析 4 3.3器件选型说明 6 3.4原理图设计 6 3.4.1减法电路 6 3.4.2比例放大部分 7 3.5电路仿真 9 3.6 PCB电路设计 10 3.7可靠性和抗干扰设计 11 3.8总结 12 4.设计心得和体会 13 参考文献 14 附录1：电路原理图 15 附录2：PCB图 16 附录3：PCB效果图 17 1.设计目的 在火力发电的过程中，对锅炉烟气含氧量，二氧化碳含量，一氧化碳含量的分析测量对于指导锅炉燃烧控制有重要的意义。锅炉燃烧过程的重要任务之一是维持炉内过剩空气稳定，以保证经济燃烧。炉内过剩空气稳定，对燃煤锅炉来说，一般是通过保证一定的风煤比来实现的，这种情况只有在煤质稳定时，才能较好地保持炉内过剩空气稳定，而当煤质变化，就不能保持炉内过剩空气稳定，不能保持经济燃烧。 要随时保持经济燃烧，就必须经常检测炉内过剩空气系数或氧量，并根据氧量的多少来适当调整风量，以保持最佳风煤比，维持最佳的过剩空气系数或氧量。所以，送风调节系统常采用氧量校正信号 了解 如果被测气体和参比气体的压力均为P，则有 E=(RT/4F)ln(P1/P/P2/P) P1/P=V1/V=X1 P2/P=V2/V=X2 X1，X2—被测气体和参比气体氧气体积百分比含量。 所以有： E=(RT/4F)ln(X1/X2) 氧化锆传感器测量范围为0.1%-20.0%时，传感器输出信号为112-0.6mV，为了便于将传感器输出信号处理和传输，我们需将传感器信号转换成0-5V标准信号。所以需要设计一调理电路完成。 3.3器件选型说明 表1元器件清单 器件类型 数量 单价 合计 电阻 滑动变阻器 6 1 0.1 1.0 0.6 1.0 放大器 2 1.8 3.6 氧化锆传感器 1 1200 1200 所需电路板长3.8cm,宽2.6cm,面积为9.88cm2.，价格约为1.2元。 共计：1206.4元。 3.4原理图设计 3.4.1减法电路 首先氧化锆传感器输入信号与一个0.6mV电压信号作差，使信号变为0-111.4mV，完成将下限调为0的作用。原理图如下： 图2 减法电路图 作用：将0.6mV—112mV电压转换为0—111.4mV电压 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，如图2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。 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 uo1=-R3*ui1/R2 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) 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 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。 3.4.2比例放大部分 作用：将减法电路输出的信号放大为0—5V 图3 同相比例放大电路图 工作原理: 同相输入比例运算放大电路如图所示： 在图3电路中，电阻R5和Rv1组成了反馈网络。按电路分析，该电路属于电压串联负反馈电路，其电路输入电阻Rif=∞。输出电阻Rof=0. 输入电压U1加到了运放的通向输入端，所以输出电压U0与U1同相。根据“虚短”的概念，有运放反向输入端点位Un等于通向输入端点位UP,而同时相端电位UP 就是输入端信号电位Ui 即U0=U1=UP 又根据虚断的概念，流入运放输入端的电流为零，因此有 if=iR 由以上分析可知，Ui是Uo在电阻R5,Rv1支路的分压，即 Ui=R1*uo/(Rv1+R5) 整理得：Uo=(1+R5/Rv1)Ui 上式表明。该电路的输出电压Uo与输入电压Ui成比例，比例系数 K=1+R5/Rv1 从放大电路角度看，同相输入比例运算放大电路也是输出电压与输入电压同相的放大电路，其放大倍数为 Au=1+R5/Rv1 3.5电