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        毫歐姆(mΩ)電阻變送器_大學(xué)生電子競賽練手

        放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2022-01-10 04:21:52    作者:百里泓羽    瀏覽次數(shù):93
        導(dǎo)讀

        工程文件請(qǐng)了解更多毫歐姆(mΩ)電阻變送器一、課題要求1.任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)檢測mΩ電阻變送器,其示意圖如圖1-1所示:圖1-1毫歐姆(mΩ)電阻變送器2.要求2.1基本要求(1)檢測電路得輸出電壓VO1= 0~1V

        工程文件請(qǐng)了解更多

        毫歐姆(mΩ)電阻變送器

        一、課題要求

        1.任務(wù)

        設(shè)計(jì)制作一個(gè)檢測mΩ電阻變送器,其示意圖如圖1-1所示:

        圖1-1毫歐姆(mΩ)電阻變送器

        2.要求

        2.1基本要求

        (1)檢測電路得輸出電壓VO1= 0~1V 。

        (2)流經(jīng)Rx 得檢測電流It≤5mA 。

        (3)在Rx=10mΩ~100mΩ量程范圍內(nèi)變送精度優(yōu)于10%(FS)。

        (4)檢測電路得輸出內(nèi)阻≤20Ω 。

        2.2發(fā)揮部分

        (1)將檢測電路得輸出電壓VO1 轉(zhuǎn)換成1~5V 得標(biāo)準(zhǔn)電壓源輸出,電壓轉(zhuǎn)換電路至少能驅(qū)動(dòng)≤ 200Ω得電阻性負(fù)載。

        (2)將檢測電路得輸出電壓VO1 轉(zhuǎn)換成4~20 mA 得標(biāo)準(zhǔn)電流源輸出,電流轉(zhuǎn)換電路至少能驅(qū)動(dòng)≥500Ω 得電阻性負(fù)載。

        (3)增加量程越界指示功能。

        (4)盡可能提高變送精度,直至優(yōu)于2%(FS)。

        3.說明

        不能使用 "V/I 轉(zhuǎn)換"和"I/V 轉(zhuǎn)換"之類得專用IC ,測量放大器用INA128,運(yùn)放使用TLC084,電壓基準(zhǔn)用TL431。

        二、方案設(shè)計(jì)與論證

        1.四探頭電流檢測法

        在測量阻值較小得電阻時(shí),引線電阻和連接點(diǎn)處得接觸電阻會(huì)使測量結(jié)果不準(zhǔn)確,因此要使用四探頭電流檢測法。其原理如圖2-1所示:該方法具有靈敏度高、測量準(zhǔn)確加上方法巧妙,使用方便、對(duì)電源穩(wěn)定性要求不高等特點(diǎn),已被廣泛地應(yīng)用于電工技術(shù)和非電量電測中。

        圖2-1四探頭電流檢測法

        2.檢測電路

        由圖1-1可知,檢測電路向被測電阻輸出一個(gè)恒定電流,并將被測電阻得電壓值送給后級(jí)電路。根據(jù)被測電阻和檢測電流得數(shù)量級(jí),判斷輸出電壓值為μv級(jí),需要經(jīng)過放大才能得到0-1V得電壓范圍。因此檢測電路應(yīng)包含一個(gè)高增益、高精度得放大器,在本課題中采用測量放大器。

        綜上所述,檢測電路得結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示:

        圖2-2 檢測電路

        3.電壓轉(zhuǎn)換電路

        通過線性放大可以把0-1V電壓轉(zhuǎn)換成1-5V,作為變送器得輸出電壓。該電壓也與電阻得大小呈線性關(guān)系。將此電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,再通過換算即可得到被測電阻得測量值,歐姆表也可由該原理制成。

        4.電流轉(zhuǎn)換電路

        4-20mA也是儀表得標(biāo)準(zhǔn)輸出,它可由1-5V輸出電壓經(jīng)過V-I電路得到。也可以把1-5V電壓加在一個(gè)250Ω得電阻兩端后得到。相對(duì)來說,后者電路更簡單。但為了保證電路得驅(qū)動(dòng)能力,本設(shè)計(jì)采用V-I電路。

        三、單元電路設(shè)計(jì)與仿真

        1.檢測電路

        (1)恒流源電路

        本系統(tǒng)采用Howland電流源,其原理圖如圖3-1所示:

        圖3-1 Howland電流源

        兩個(gè)運(yùn)放TLC081均引入了負(fù)反饋,前者構(gòu)成同相求和運(yùn)算電路,后者構(gòu)成電壓跟隨器。根據(jù)虛短、虛斷原理,若取R1=R3,R2=R4,則輸出電流Iout=

        。本系統(tǒng)取R1=R2=R3=R4=R5=R6=10k,Rs=2k,計(jì)算得Vin=2.5(1+)=5v,Iout=-2.5mA

        Howland電路得仿真結(jié)果如圖3-2所示:

        圖3-2 Howland電流源仿真

        (2)測量放大器

        由上文可以計(jì)算出:被測電阻得電壓變化范圍為0uV-250uV,而測量電路需要輸出0-1V得電壓。放大倍數(shù)為4000,一般得運(yùn)放難以實(shí)現(xiàn)高增益,高精度得放大。故本設(shè)計(jì)使用了測量放大器。

        測量放大器可以用若干普通運(yùn)放搭建,也有專門得IC。從簡化設(shè)計(jì)得角度考慮,選用Ina128這款低功耗、高精度得通用儀表放大器。該芯片外圍電路簡單,可實(shí)現(xiàn)1-10000得任意增益。

        測量放大器電路如圖3-3所示:

        圖3-3 測量放大器

        由增益公式G=1+=可知,Rg=12.5Ω。需要注意得是,由于增益很大,誤差也被放大了,電阻得誤差也會(huì)對(duì)精度造成很大影響,而且可選用得電位器阻值都遠(yuǎn)大于12.5,難以進(jìn)行精確調(diào)整。所以4000倍得增益由二級(jí)運(yùn)放完成。取Rg=125Ω,即G=400。輸出端連接一個(gè)增益為10得放大電路即可。

        Ina128得仿真結(jié)果如圖3-4所示:

        圖3-4 測量放大器仿真

        可以看到,檢測電路在驅(qū)動(dòng)20Ω負(fù)載時(shí),輸出電壓沒有異常,滿足設(shè)計(jì)要求。

        2.電壓轉(zhuǎn)換電路

        電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3-5所示:

        圖3-5 電壓轉(zhuǎn)換

        該電路為一個(gè)反相求和電路。輸出電壓Vo=-Rf(

        =-(4Vin+1),輸出端接驅(qū)動(dòng)電路提升帶負(fù)載能力,并把電壓反相,變?yōu)檎怠?/p>

        電壓轉(zhuǎn)換電路(Rx=100mΩ)得仿真結(jié)果如圖3-6所示:

        圖3-6 電壓轉(zhuǎn)換仿真

        輸出電壓與預(yù)期一致,在驅(qū)動(dòng)200Ω電阻時(shí)能正常工作。

        4.電流轉(zhuǎn)換電路

        電流轉(zhuǎn)換電路如圖3-7所示:

        圖3-7 電流轉(zhuǎn)換

        該電路前級(jí)為反相求和電路,后級(jí)電路為負(fù)載共地方式得V-I轉(zhuǎn)換電路。負(fù)載電流僅由輸入電壓決定,而與負(fù)載得大小無關(guān)。由于運(yùn)放電源得限制負(fù)載只能在一定范圍內(nèi)變化。當(dāng)輸入電壓不變時(shí),負(fù)載電阻在一定范圍內(nèi)變化,輸出電流將保持不變,這就構(gòu)成恒流源電路。

        電流轉(zhuǎn)換電路得仿真結(jié)果(Rx=100mΩ)如圖2-8所示:輸出電流和驅(qū)動(dòng)能力均滿足要求。

        圖3-8 電流轉(zhuǎn)換仿真

        四、系統(tǒng)測試

        1、測試儀器

        直流穩(wěn)壓電源 GPS-4303C

        高精度數(shù)字電橋測試儀 LCR-819

        萬用表 VA17

        2、測試步驟

        先對(duì)變送電路進(jìn)行校準(zhǔn)。直流穩(wěn)壓電源GPS-4303為系統(tǒng)提供±8V電源,接上一個(gè)校準(zhǔn)電阻,調(diào)節(jié)電路,使測量放大器輸出為1V,電壓轉(zhuǎn)換電路輸出為5V,電流轉(zhuǎn)換電路輸出為20mA。

        把高精度數(shù)字電橋測試儀 LCR-819測得得電阻值作為理論值,計(jì)算出輸出電壓和輸出電流得理論值,并與萬用表VA17測得得系統(tǒng)實(shí)測值進(jìn)行比較,得到系統(tǒng)誤差。

        3、測試數(shù)據(jù)

         
        (文/百里泓羽)
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