Proteus在“感测技术”课程设计中的应用

赵 升,朱翔鸥,叶 鹏,吴桂初

(温州大学物理与电子信息工程学院,浙江温州325035)

“感测技术”课程设计是电子信息专业学生学完“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“单片机原理及应用”以及“感测技术”课程后的一个综合实训,共36学时。其主要教学目标是让学生综合运用传感器、电子技术及微机原理等理论知识,获取综合设计能力和工程实践能力。如果“感测技术”课程的实践教学仍然采用专用实验设备,其功能扩展性差;而要增加新的实训内容就需改进或添置实验设备或者另外自制部分功能电路来予以解决。我校在进行“感测技术”课程设计时,将Proteus仿真技术引入实践教学,采用先仿真设计,再制作调试的方法,可以改进实践教学手段[1]。

1 传感器信号调理电路仿真分析

1.1 设计要求及原理分析

压电式传感器在工程实际中应用比较广泛,是“感测技术”课程教学中的重要章节。课程设计的内容:根据给定的压电陶瓷敏感元件制作用于测量振动信号的压电加速度计。具体要求为:①设计合适的测量放大电路,输入信号频率为:1Hz～1kHz;②利用单片机对测量结果进行采样,计算并显示最大加速度值和信号频率值。

在制作实物之前,我们先让学生根据自己设计的电路进行Proteus仿真分析。利用其虚拟系统模型VSM(Virtual System Modelling)功能,以满足学生在系统原理图设计阶段对硬件电路的性能进行整体评估,优化设计参数。本设计中,被测振动信号(仿真时采用周期性交流电流源代替)经过压电加速度传感器转换为电荷信号,电荷放大器将电荷量变换为电压信号,电压信号的大小反映振动加速度的大小,其工作原理框图如图1所示。

图1 压电加速度计电路原理框图

1.2 电荷放大器的设计

压电加速度传感器可以等效为一个电容和一个电荷源,其输出是微弱的电荷量。为防止压电加速度传感器输出电荷泄漏而引入的测量误差,要求传感器自身的绝缘性能要好。测量电路前级输入端要有足够高的阻抗,传感器与测量电路间导线分布电容和电阻的影响要小。为了满足这些条件,应选择的测量电路为电荷放大器[2]。

图2为压电加速度计的电路图。图中运放U1,U2及外围电路构成了电荷放大器,运放U1和电容C3将压电加速度传感器输出的电荷量转换为电压值,由于该放大器为电容负反馈,对于直流工作点相当于开环,因此存在很大的零漂。为了工作点稳定,减小零漂,在反馈电容C3的两端并联一个反馈电阻R3,形成直流负反馈,以稳定放大器的直流工作点。在反相端串联电阻R1和R2主要是保护运放U1,为避免R2与运放U1的输入电容构成另外一个极点而使运放产生自激振荡,在R2两端并联电容C2以实现相位补偿[3]。电容C1的作用是隔离压电传感器的直流分量,减小零漂。器件U2、R8和R6组成电压放大电路,对转换后微弱的电压值进行适当的放大。

图2 压电加速度计设计原理图

为了比较不同运放器件放大效果的差异,这里选择了输入电阻为1.5T Ψ的集成运放CA3140和差动输入电阻为60MΨ的集成运放OP07分别代替图2中的U1,并进行电荷放大电路的仿真性能比较。具体操作步骤为:①选取电路所需的元器件。点击菜单栏Library/Pick Device按钮,选取正弦交流电流源ISINE、集成运放CA3140、OP07、电阻RES以及电容CAP,其参数可以根据实际情况任意设定。点击Terminals Mode快捷按钮选择电源Power和参考地Ground。在Virtual Instruments快捷按钮中选择Oscilloscope和Signal Generator。②点击菜单栏Debug/Start/Restart Debugging按键,系统进入仿真界面。

CA3140和OP07两种运放用于电荷放大器输出仿真结果性能比较如图3所示。图中通道A为模拟压电加速度传感器输出波形,通道B为以集成运放OP07作为电荷放大器输出波形,幅值为90mV,通道C为以集成运放CA3140作为电荷放大器输出波形,幅值为700mV。由此可见,集成运放CA3140更适合作为电荷放大电路。

2 系统硬件电路设计的实现

压电加速度计的数据采集系统主要由信号调理电路、高低通滤波电路、比较电路、A/D转换电路、单片机和显示电路组成。压电加速度传感器是一个弱阻尼的振动系统,因此它的幅频特性的高频段有一个很高的共振峰,此峰值引入了高频噪声,并对输入信号产生失真和干扰[4]。因此,系统在电路设计中采用低通滤波器,以用来改善传感器的高频幅频特性。

图3 CA3140和OP07的性能比较

同时,为了滤除信号中的直流成分,需要在低通滤波器后面增加一个高通滤波器。

1)低通滤波电路

该滤波器采用二阶有源滤波,由R11、R12、C4、C5、U3组成,其传递函数为[5]

式中,A0为低频增益,ωn为特征角频率,Q为等效品质因数。

2)高通滤波电路

该滤波器采用一阶有源滤波,由R15、C6、U4组成,根据文献[4,5]和设计要求可计算出R15为10 kΨ,C6为10μ F。

根据选定的参数进行基于频率分析图表的高低通滤波电路分析,具体操作步骤如下[6]:①单击工具箱的Graph Mode按钮,选择Frequency仿真图形,然后光标指向编辑窗口,拖出一个方框,松开左键确定方框的大小,则频率仿真图表被添加到原理图中;②点击工具箱的Voltage Probe Mode按钮,将电压探针放置到高通滤波器的输出端,注意要在低通滤波器的输入端放置一个参考发生器并把它拖到图中,否则仿真不能正常进行;③选中图表单击,可弹出Edit Frequency Graph对话框,设置完成后,单击OK键,结束设置。④执行Graph/Simulate命令(或空格键),开始仿真,此时图表的结果也随仿真结果进行更新。

3)仿真结果

仿真结果如图4所示。从仿真结果可以看出,输入信号频率为1Hz～1kHz时,信号幅值衰减值为0dB和3dB,与理论计算结果相符,且能够满足系统设计要求。

图4 高低通滤波器仿真结果图

3 系统软件设计

系统软件采用C语言编写,可显示最大加速度值和周期信号的频率值。其主程序流程图如图5所示。该流程图完成以下几个功能。

(1)系统参数的初始化,包括外围采样芯片ADC0808的初始化,外部中断INT0、INT1优先级的初始化以及整机硬件设备的自检等。

(2)A/D转换子程序,主要功能是电压模拟信号的采样并计算出其相应的数值,并利用滑动平均滤波算法实现对输出信号的精确计算。

(3)LCD显示子程序,负责管理显示主菜单以及各种子菜单,并将显示缓冲区内的内容按要求显示出来。

软件编程在Keil环境中进行,并可以实现与Proteus软件在线联调。

图5 主程序流程图

4 结语

Proteus仿真软件较其它电子电路仿真软件相比,除具有功能强大的模拟电路、数字电路仿真外,其优点主要体现在对单片机及外围电路的仿真,可以实现系统的智能化设计。近三年来,我校一直将Proteus仿真软件应用于感测技术的课程设计中,解决了学生在方案论证、元器件参数选择以及电路板设计等方面的诸多问题,加快了学生作品设计的进度,提高了作品的成功率,增强了学生的动手能力。

[1] 乔建华,李临生,田启川.Proteus在单片机教学中的应用分析[J].南京:电气电子教学学报,2008,30(3):70-73

[2] 李科杰主编.新编传感器技术手册[M].北京:国防工业出版社,2002.1

[3] 陶玉贵.一种新型电荷放大器的研究与设计[J].合肥:安徽大学学报,2008,31(5):443-447

[4] 查万纪.学位论文题名:压电加速度传感器测量电路的研究与设计[D].合肥:安徽大学,2005:24-39

[5] 康华光主编.电子技术基础模拟部分(第三版)新编传感器技术手册[M].北京:高等教育出版社,1997.6

[6] 周景润,张丽娜编著.基于Proteus的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.5