湿度检测电路的设计报告
一. 设计要求
(1) 分析各部分电路的原理,说明其作用。
(2) 用仿真软件进行局部仿真,撰写设计说明书15页。
(3) 用Protel软件画原理,A3图纸一张。
二. 设计的作用、目的
随着科学技术的不断发展和进步,工业生产也逐步走上自动化、智能化。湿度作为工业生产和科研工作中的重要生产参数,在大多数的生产过程中都要求精确、可控。传统的工业生产领域,往往需要生产工人靠长期的生产经验来估计实时的系统湿度。现在可以利用此电路为一模型进一步发展到工业生产,此电路用于室内湿度、温度检测的电路。
三. 设计的具体实现
系统概述
原理图是由H104R湿度传感器等构成的湿度检测电路。该电路是将交流电压加到湿度传感器上,它由振荡电路、缓冲器、整流电路、温度补偿差分放大电路、湿度输出放大电路、温度检测电路、温度输出放大电路等组成。该电路的电源电压为±l2V,振荡电路的振荡频率为1KHz。传感器特性补偿由R6、R8、R13完成。RH湿敏电阻H104R的温度系数为0.7%RH/℃ 。常用热敏电阻RT为温度补偿电路。丛用于温度检测,它和后级的温度放大电路氏同时取出相应的温度输出信号。则可将湿度传感器取出的信号经也放大,并与热敏电阻的温度信号一起经也合成后输出相应的湿度信号。采用这种电路能检测(35一85)%RH/℃ 的湿度值,精度约为±4.0%。电路中,U1为输出的相应的湿度信号,U2为输出的相应的温度信号。
调整步骤:①调节电位器RP1,使Al的振荡电压为4.5V;②用2Ok Ω假电阻替换热敏电阻RT;③用68kΩ假电阻替换湿度传感器H1O4R,调节电位器RP3,使U1输出为4.0V;④将68kΩ假电阻换成7.OkΩ假电阻,调节电位器RP2,使湿度输出U1,为8.0V;⑤重复③、④步骤2一3次,将电位器固定,湿度输出U1为4·0V和8·0V,再将假电阻换成湿度传感器和热敏电阻进行以下调整;⑥将传感器置于40%RH大气中15min,调节RP3,使U1为4.0V,再将传感器置于80%RH大气中15min,凋节RP2,使U1为8.0V,反复调节2一3次即可。
3.1 振荡电路与缓冲器
该图为振荡电路和缓冲器,其中运算器选用LM358AD,两二极管选用1N4933,由振荡电路产生振荡信号,经过缓冲器,进入整流电路。
3.2 整流电路
该电路中R6、R7、R31为传感器特性补偿,R8为假电阻代替湿敏传感器模型。经过讨论,我组采用LM358AD运算器作为电压跟随器,
该图为经过整流电路后的波形,伏值大概在4.5V左右。
3.3 温度补偿差分放大电路
这是差分放大电路,经整流后的信号流经2,经过温敏元件的信号流经3,最终经过差分放大电路流入输出。
如图,其中正弦波为湿敏传感器的输出图形,因为是在温度恒定的条件下,所以温敏中信号为直线。
3.4 温度检测电路
上图为温度检测电路,其中RT为温敏元件,温度如果发生变化,将会影响LM324AD的输出,其信号又会影响下一级,即温度输出放大电路。
但本实验条件是在环境温度恒定为25摄氏度,所以输出稳定。
3.5 温度输出放大电路
因为温度恒定,所以经过LM324AD输出也是恒定的,最后测定其输出电压即可。
3.6 湿度输出放大电路
该图为用68kΩ假电阻替换湿度传感器H1O4R,调节电位器RP3,使U1输出为4.0V,此后将68kΩ假电阻换成7.OkΩ假电阻,调节电位器RP2,使湿度输出U1,为8.0V。
将传感器置于40%RH大气中15min,调节RP3,使U1为4.0V,再将传感器置于80%RH大气中15min,凋节RP2,使U1为8.0V,反复调节2一3次即可。
该图为实验原理图
四. PCB版电路制作
由于使用的软件是Protel 2004软件,因此PCB制版的步骤如下:
(1) 运行Protel 2004程序,设计完成上述湿度检测电路的原理图,在检查无误后,将文件以Sheet2.SCHDOC 为文件名保存在一个文件夹里。
(2) 创建一个PCB工程,将Sheet2.SCHDOT加入到工程里,同时在工程中增加一个名为Sheet2.PCBDOC的PCB文件,将其保存在Sheet2.SCHDOT所存在的文件夹里。
(3) 在原理图编辑环境中,执行Design/Update PCB命令,系统弹出工程变化列表后,单击左下角Execute Changes 按钮,系统按照变化一步一步执行载入操作,完成后,关闭工作变化表。
(4) PCB编辑器工作环境下,将所有元器件移入电路板的禁止布线层。
(5) 执行Tools/Auto Placement/Auto Placer命令,进行自动布局。自动布局结束后手工调整布局后,执行Auto Route /All命令,单击弹出的对话框右下角Route All按钮进行自动布线后如下图:
(6) 在Top Layer 层上执行Place /Polygon Plane 命令,在弹出的对话框中单击OK按钮,会出现是自动定位线跟随在鼠标指针上,依照电路板中需要铺铜的区域画出一个闭合多边形。完成后,敷铜会自动进行,结果如下图:
(7) 选择敷铜电路层为“Bottom Layer” ,重复上述步骤,便完成了所有的PCB制版过程,如下图:
五. 心得体会及建议
经过四个星期的实习,过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过,也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情,点点滴滴无不令我回味无长。
刚看到这个题目的时候
六. 附录
七. 参考文献
1. 丁镇生 传感及其遥测技术应用 电子工业出版社 20##年1月
2. 童诗白、华成英 模拟电子技术基础 高等教育出版社 20##年5月
3. 魏雪萍 新编Protel 2004入门与提高 人民邮电出版社 20##年11月
4. 郭文海 电气实验技术 中国矿业大学出版社 20##年12月
心电检测电路的设计报告和测试报告
一、设计报告
(一)、设计目的及其意义
心肌是由无数个心肌细胞组成,由窦房结发出的兴奋,按一定的途径和时程,依次向心房和心室扩布,引起整个心脏的循环兴奋。心脏各部分兴奋过程中出现的电位变化的方向、途径、次序、和时间均有一定的规律。由于人体为一个容积导体,这种电变化也必须扩布到身体表面。鉴于心脏在同一时间内产生大量的电信号,因此,可以通过安放在身体表面的胸电极或四肢电极,将心脏产生的电位变化以时间为函数记录下来,这种记录曲线称为心电图,如下图所示。
心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。心肌细胞的生物电变化时心电图的来源,但是心电图曲线与单个心肌细胞的膜电位曲线有明显的区别。
ECG波形是由不同的英文字母统一命名的 。正常心电图由一个 P波、一个QRS波群和一个T波等组成。P波起因于心房收缩之前的心房极时的电位变化;QRS波群起因于心室收缩之前的心室除极时的收位变化;T波为心室复极时的电位变化,其幅度不应低于同一导联R波的1/10,T波异常表示心肌缺血或损伤。ECG的持续时间由:P-R间期(或P-Q间期)为P波开始至QRS波群开始的持续时间,也就是心房除极开始至心室除极开始的间隔时间,正常值为0.12~0.20s,若P-R期延长,则表示房室传导阻滞;Q-T间期为QRS波群的开始至T波的末尾的持续时间,意为心室除极和心室复极的持续时间,正常值为0.32~0.44s;S-T段为从QRS波群终末导T波开始之间的线段,此时心室全部处于除极状态,无电位差存在,所以正常时与基线平齐,称为等电位线,若S-T段偏离等电位线一定范围,则提示心肌损伤或缺血等病变;QRS波群持续时间正常值约为0.06~0.11s。
因此,实时的检测心电信号,可以从所得出的心电图上观察心脏的变化,医生就可以从所测的心电图上判断心脏各个部位的功能是否正常,所以心电图是医生治疗心脏方面的疾病所不可或缺的依据。因此心电检测就有了实际应用的意义。
本实验的目的即利用设计的仪器从人体采集心电信号,并进行放大滤波最终呈现在示波器上进行观察。
(二)、总体设计
根据心电信号的特点来设定电路的要求。
心电的幅值为几个毫伏;心电的频率为0.05~100Hz。
这就要求:电路的增益800~1200倍;共模抑制比大于80dB;差模输入阻抗为10MΩ,电路的带宽为0.05~100Hz。
供电情况:光电隔离电路的前级用转换电源供电,光电隔离后级电路则用学生电源供电。以保证光电隔离电路前后级无任何电的联系。
下面是电路的总体框图:
(三)、单元电路设计
1. 前置放大器
(方案一-未采用)这里选用低噪声的集成仪器放大器MAX4194作为放大器的核心元件。最低2.7V的工作电源电压满足电源要求。MAX4194具有轨-轨(输出幅度可接近电源电压)的特性,放大器输入端设计有高通滤波器,可以抑制极化电压,MAX4194的失调电压不到0.1mV,因此取其电压增益100,根据MAX4194的增益计算公式可得RG=500 MAX4194在增益为1000时的3dB带宽为147Hz,大于设计要求。查MAX4194的其他记表也满足心电信号检测的要求。
下面是MAX4194的内部结构图
(方案二-实际使用)采用AD620作为主放大器,其主要参数如下:
V供电±2.3~±18V
最低100dB的CMRR(G=10)
高输入阻抗1000MΩ
0.6 mV/℃电压漂移
120 kHz 带宽(G=100)
AD620的内部结构与MAX4194都一样。
下图是前置放大器实际电路图,实际中采用了共模驱动和右腿驱动电路,以提高前置放大器的共模抑制比,但其中由于放大电路采用的是差分放大电路,因此由于匹配精度达不到要求,降低了共模抑制比,且带来较大的噪声,所以将前置放大器中的低通去掉了。
前置放大器的整体电路图如下图所示:
电路的前端使用的是二极管保护电路,设计要求保护电路在输入出席5000V高压时不会损毁电路,,二极管D1~D4选用低漏电的微型二极管1N4148,其最大允许通过的瞬时电流为0.1A,因此,限流保护电阻R1和R2为50k。这样的保护电路会防止临床上的除颤电压等高电压损坏电路。
电路采用了右腿驱动和共模驱动电路,取R5=10KΩ,Rf=10MΩ,CF=4700pF(Cf的作用是使右腿驱动电路稳定)。R0=100KΩ。可以很好的提高共模抑制比,滤除共模干扰。
2. 光电耦合电路
前级电路把输入电压信号转换成与之成正比的电流信号,经光电耦合器耦合到后级,光电耦合器中的硅光敏三极管输出的电流信号,运放A2把电流信号转换成电压信号。图中使用三极管T补偿光电耦合器件的非线性。
其增益为R3/R1.如果要得到1倍的放大,只需R1=R3即可,但实际实验中使用了将上面的三极管去掉了的电路,可能的原因是噪声比较大,或者是三极管的非线性并非很好的补偿了光电三极管的非线性(主要是不知道光电三极管的参数,无法做到两个三极管一致性),所以其增益不一定是1倍,如果R1=R3,即使这样,可以在后级放大电路中通过增益调节,实现放大倍数的合理分配。
.
3. 低通滤波器
利用归一化的方法设计低通滤波器。这里用四阶巴特沃斯低通滤波器,其优点是在通带内幅频特性曲线比较平坦,而且四阶也可以达到较陡的衰减的特性:其截止频率为100Hz时,到频率为200Hz时其衰减幅度为9%。它的作用是滤除频率为100Hz以上的信号分量。
根据归一化公式:
设截至频率为100Hz,设R=10KΩ,可算得C1=0.173 μF, C2=0.216μF,C3=0.416μF,C4=0.061μF。
根据电容的标准值,各电容实际取值为C1=0.15μF,C2=0.22Μf,C3=0.47μF,C4=0.68μF。
4. 陷波器
由于是在实验室里面进行测试,因此工频干扰就比较大,成为主要干扰来源,所以设计50Hz陷波器来滤除工频干扰。
实验中的50HZ陷波器电路采用RC双T网络二阶带阻滤波器,它可以比较好的滤除工频的干扰电路图如下所示:
R1=R2=30K, R3=15K, C1=C2=0.11μF, C3=0.22μF。
该电路中的Q值随着β(反馈系数)的变化而变化,即Q=1/4(1-β),因此可以利用改变电路的β来实现Q值可调。但是,随着β的增高,电路将会出现不稳定甚至自激,因此一般选择Q的范围为十至几十较为合理。实验中的Q=10
截止频率的计算公式为:
其中f为截止频率。
5. 末级放大器
末级放大器采用的是一般的反相放大器,其增益为:K= -(R2+Rp)/R1 Rp为电位器接入部分阻值。电路的放大倍数为10倍(前置放大器增益为100倍),可取R1=10kΩ, R2=90KΩ, Rp最大阻值为20kΩ。(为了降低电位器的热噪声)
前面加了个高通滤波器,目的是为了滤掉极化电压。Rp是作为调节增益的器件。
6. 电源转换电路
由于使用的是交流供电,因此在给放大器供直流电源时要进行电源转换,这里采用二极管桥进行整流,再采用DC-DC芯片进行电源转换。
经过下面的电路就可以得到正负5V的电源电压,可以给光电隔离电路的前级电路供电,其后级电路用学生电源12V供电。
在选择电容的时候注意选择耐压值高的,否则容易被击穿,发生危险。
电路中,除了主放大使用AD620之外,其他需要使用运算放大器的地方均使用LM324。LM324是四运放放大器是内含四个特性近似相同的高增益、内补偿放大器的单电源(也可以是双电源)运算放大器。电路可以在+5V或+15V下工作,功耗低,每个运放静态功耗约0.8,但驱动电流可达 。
其主要参数如下:
电压增益 100dB
单位增益带宽 1MHz
单电源工作范围 3V----30V DC
每个运放功耗(V+=5V时) 1mV/op.Amp
输入失调电压 2mV(最大值7mV)
输入偏置电流 50nA----150
输入失调电流 5nA----50
输入共模电压范围 (单电源) (双电源)
输出电压幅度 0----V+-1.5VDC(单电源时)
输出电流 40mA
放大器间隔离度 -120dB(f0:1kHz----20kHz)
(四)小结
实验中注意,在单独测试某个电路的时候,最好要将其前后级的电路断开,这样会省去其他电路对其影响。
整个电路做完之后,由于测试的时候是用信号发生器产生信号(一般比较大),而如果要实际测量心电信号,则要注意输入阻抗和电压增益是否足够。
如果做的好的话,应该能清晰的看出心电的波形,所以在实验中可以以此来作为电路的好坏标准。如果能较为清晰看到心电波形,则电路的设计较为成功。
二、测试报告
1. 静态工作点:
将放大器的两输入端对地短路,观察各级输出波形并记录幅值(即放大器静态噪声),若每级的输出端电压幅值均小于0.5V即为合格。
前置放大电路的输出静态工作点:8mV
低通滤波器的输出静态工作点: 12mV
50Hz陷波的输出静态工作点: 7mV
后级放大的输出静态工作点: 22mV
2. 输入噪声:
将放大器的两输入端对地短路,测出,计算输入噪声:
Vin=Vo/K
实际测得Vo=27mV,即得Vin=27μV,心电图机要求输入噪声应<35μV,因此电路的输入噪声满足要求。
3. 差模增益:
将20Hz,幅值为20mV(信号发生器所产生的最小幅值信号)的正弦信号输入放大器的一个输入端,另一个接地。用示波器分别观察前级输出波形和后级放大电路之后的输出的幅值,用示波器读出输入和输出的电压值,计算前置放大电路差模电压增益:
Ad1=/Vi Ad2=/Vi
实际测得=2.12V,因此得出
Ad1=2.12V/20mV=106,放大倍数基本符合设计要求。
由于后级用的是12V供电,因此后级电路输出超出电源电压,无法测量。因此改从前级放大器的输出端输入Vi,测后级放大电路的输出
实际测得=204mV,因此后级的差模增益为Ad2=204/20=10.2因此整个电路的放大倍数符合设计要求。
4. 共模增益:
在放大器的两输入端,输入频率为20Hz,幅值为2V的正弦电压,用示波器观察前置放大器的输出波形和后级输出波形,并计算共模增益:
AC1=VOC1/Vi=12mV/2V=0.006
AC2=VOC2/Vi=56mV/2V=0.028
5. 计算共模抑制比
计算前置放大器的共模抑制比:
计算整个电路的共模抑制比:
6. 输入阻抗:20.05MΩ
7. 输出阻抗:283.2Ω
8. 零点漂移:
将放大器的两输入端接地,测出输出电压幅值,隔一段时间(10~20分钟)再测量一次输出电压的幅值。计算零点漂移:
零点漂移=
9. 幅频特性:
理论带宽为:0.05~100Hz
实际测得:高端截止频率为104.86Hz;低端截止频率为0.9Hz
l 从四阶巴特沃斯低通滤波器的输入端输入幅值为1V的正弦电压,测量其幅频特性。
四阶巴特沃斯低通滤波器的测量数据如下:
l 陷波器的幅频特性:
从陷波器的输入端输入幅值为1V的正弦电压,用示波器观察其输出波形,并记录在各个频率点上输出电压的幅值。
从表中可以看出,陷波器的带宽约为:48.50~54.00,50Hz频率分量的衰减幅度为(即陷波深度):
K=0.121V/1V=12.1% 中心频率为50.30Hz
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