1、20142015學(xué)年第3學(xué)期傳感器課程設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)報(bào)告 專業(yè)班級 姓 名 學(xué) 號 報(bào)告日期 2015年7月20日 傳感器課程設(shè)計(jì)暑期實(shí)習(xí)報(bào)告第一部分 變送器電路實(shí)驗(yàn)一：實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備DT9208萬用表一只、5/24V直流電源一臺、萬能電路板一塊、鑷子一只、導(dǎo)線若干、XTR106等芯片、常用電子元器件若干。二：實(shí)驗(yàn)步驟2、了解電阻式傳感器原理、測量轉(zhuǎn)換線路。把壓力、溫度、流量、液位等物理信號轉(zhuǎn)換成電阻值變化的傳感器，電阻式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出精度高、線性和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。主要包括電阻應(yīng)變 式傳感器、壓阻式傳感器等。測量轉(zhuǎn)換線路：橋路電阻（以應(yīng)變片式壓力傳感器為例）圖 1全橋式應(yīng)變片測量電路當(dāng)作用

2、在應(yīng)變片上的壓力發(fā)生變化時(shí)，其阻值也隨之發(fā)生變化，從而引起輸出電壓的變化，其中R1和R3、R2和R4的阻值變化方向一致（變化方向如上圖所示）。 3、閱讀XTR106芯片廠家英文資料，掌握其工作基本原理。XTR106 是高精度、低漂移、自帶兩路激勵(lì)電壓源、可驅(qū)動(dòng)電橋的 4 20 mA兩線制集成單片變送器,，它的最大特點(diǎn)是可以對不平衡電橋的固有非線性進(jìn)行二次項(xiàng)補(bǔ)償,。它可以使橋路傳感器的非線性大大改善,，改善前后非線性比最大可達(dá) 20：1。4、分析圖3電路的工作原理。 圖2 XTR外部電路連接示意圖原理：通過改變電阻的阻值，使橋路產(chǎn)生相應(yīng)的mV級壓差，橋路的輸出分別連到運(yùn)放的兩個(gè)正輸入端，經(jīng)運(yùn)放以

3、后產(chǎn)生V級電壓差。運(yùn)放的輸出再進(jìn)入到XTR106芯片進(jìn)行線性化調(diào)整（阻值和輸出電流值之間）之后產(chǎn)生420mA電流輸出。其中橋路需要的5V和運(yùn)放需要的5.1V供電電壓由XTR106芯片提供，而XTR106芯片需要的24V供電電壓由實(shí)驗(yàn)臺提供。5、利用萬能電路板搭建上述電路，要求分部分搭建，分成電阻橋路部分、差動(dòng)放大部分、XTR本體部分，要求對前兩部分電路線進(jìn)行測試，確認(rèn)符合相關(guān)要求時(shí)方可接入第三部分電路。在本案例中，我們完成橋路和差動(dòng)放大部分的搭建后，對橋路和差動(dòng)放大部分進(jìn)行了測試。當(dāng)電橋平衡時(shí)：橋路部分：，橋路的兩端分別都有電壓，但橋路輸出為零。差動(dòng)放大部分：輸入分別對應(yīng)橋路兩端的電壓值且相等

4、，輸出為零。電橋不平衡時(shí)：橋路部分：橋路的輸出不為零，最大時(shí)壓差為0.6mV。差動(dòng)放大部分：對壓差進(jìn)行放大后產(chǎn)生V級壓差，本案例中，我們的放大倍數(shù)為30，實(shí)測值和理論值相差不大。6、上述電路沒有考慮零點(diǎn)、量程調(diào)整電路，請結(jié)合上述電路設(shè)計(jì)零點(diǎn)、量程調(diào)整電路，并實(shí)現(xiàn)該功能。零點(diǎn)調(diào)整：在橋路里邊，和模擬PT100鉑熱電阻相鄰的位置放置一個(gè)滑動(dòng)變阻器以實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)調(diào)整。零攝氏度時(shí)PT100電阻值為100歐姆，則將相鄰的滑動(dòng)變阻器阻值也設(shè)為100歐姆，即可實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)調(diào)整。量程調(diào)整：在XTR106芯片的3,4管腳處接一個(gè)滑動(dòng)變阻器進(jìn)去，當(dāng)橋路輸出為零時(shí)，可以調(diào)整此電位器，使得輸出4mA電流；當(dāng)橋路輸出最大時(shí)，調(diào)

5、整此電位器，使得最終輸出20mA電流。 7、進(jìn)行變送器性能測試。進(jìn)行負(fù)載實(shí)驗(yàn)，給出負(fù)載范圍，思考遠(yuǎn)距離信號傳輸中應(yīng)注意的問題。由XTR106芯片資料可知，它所能承受的負(fù)載范圍計(jì)算公式為： 由于實(shí)驗(yàn)室操作，不需要傳送導(dǎo)線，所以其實(shí)際計(jì)算公式如下： 其中V+是管腳10和地之間的電壓差，本案例中可近似用24V電源電壓代替，經(jīng)理論計(jì)算得出R=825歐姆，而實(shí)際電路中得到負(fù)載范圍為0830歐姆，理論與實(shí)際基本吻合。（以下8-10任選其一）8、考慮如何實(shí)現(xiàn)應(yīng)變片壓力變送器的功能，包括非線性補(bǔ)償問題該如何處理，并實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償，測試補(bǔ)償前后的變送器特性，要求的量程范圍0-100（克）。9、考慮如何實(shí)現(xiàn)Pt1

6、00熱電阻溫度變送器的功能，包括非線性補(bǔ)償問題該如何處理，并實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償，測試補(bǔ)償前后的變送器特性，要求的量程范圍0-200度。功能的實(shí)現(xiàn)：由PT100分度表可知，當(dāng)零攝氏度時(shí)，PT100阻值為100歐姆，當(dāng)200攝氏度時(shí)，阻值為175.86歐姆。所以用1K歐姆變位器模擬PT100溫度傳感器時(shí)可以用100歐姆作為零點(diǎn)，175.86歐姆作為溫度上限。實(shí)現(xiàn)溫度變送器功能，則要XTR106芯片對應(yīng)零點(diǎn)時(shí)輸出為4mA，溫度上限時(shí)輸出為20mA。非線性補(bǔ)償問題：A、PT100電阻值和溫度之間存在非線性，且隨著測溫范圍的增大非線性變得越來越嚴(yán)重；B、電橋的電壓和阻值之間也存在非線性問題。鉑熱電阻的非線性

7、和不平衡電橋的非線性都給最后的溫度測量帶來一定的非線性誤差。因此需要通過電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)非線性問題的調(diào)整。XTR106芯片則是實(shí)現(xiàn)該功能的最佳選擇。由參考資料可知，PT100熱電阻存在正的非線性（如下圖4所示），其中連接于1和11管腳的Rlin是線性化電阻，提供正反饋，使橋路激勵(lì)電壓隨著輸入電壓Vin的變化而變化，6和12管腳相連，基準(zhǔn)電壓Vref隨著Vin的增大而增大，以補(bǔ)償正的非線性。本實(shí)習(xí)中將負(fù)載電阻設(shè)定為300歐姆。 補(bǔ)償后的特性曲線：溫度 020406080電壓11.221.461.992.623.12電壓21.171.432.032.583.11電壓31.181.422.022.593

8、.13平均電壓1.191.442.012.63.12擬合1.07411.58412.09412.60413.1141偏差-0.09590.15410.06410.02410.00411001201401601802003.674.194.695.265.726.033.644.224.715.235.715.983.654.224.735.225.735.993.664.214.715.245.7263.62414.13414.64415.15415.66416.1741-0.0159-0.0859-0.0659-0.0759-0.04590.1941 圖 3 補(bǔ)償后的特性曲線由特性曲線可知，

9、經(jīng)由XTR106芯片處理后的非線性問題得到了很好地改善。10、用XTR106設(shè)計(jì)溫度變送器（Cu50），要求量程：050度。三：實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題1. 在完成電路的焊接進(jìn)行調(diào)試的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)負(fù)載的發(fā)熱量比較大，在測試并沒有虛焊和短接的情況下，我們進(jìn)行原理圖的分析，想起之前焊電路時(shí)三極管的焊接存在一些瑕疵，于是懷疑三極管壞了，在向老師要了新的三極管后，最后終于順利的進(jìn)行了下一步。2. 開始沒有搞清出放大倍數(shù)和量程調(diào)整電位器之間的關(guān)系，所以在輸出電流上下限的調(diào)整時(shí)出現(xiàn)了一些小問題。經(jīng)過查找資料，后來找出了它們之間的關(guān)系。當(dāng)設(shè)定的溫度量程范圍比較大時(shí)，可以適當(dāng)?shù)臏p小差動(dòng)運(yùn)放放大倍數(shù)，當(dāng)量程范圍比較小

10、時(shí)，可以適當(dāng)增大放大倍數(shù)。這樣在選好放大倍數(shù)時(shí)，再調(diào)整量程就會有事半功倍的效果。3. 關(guān)于負(fù)載的問題，開始也不是理解的很透徹，導(dǎo)致開始測試時(shí)不知道負(fù)載的大致數(shù)值，但在后來的不斷地測量中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)負(fù)載電阻超過大約800歐姆時(shí)所測量的數(shù)值與預(yù)期的相差很大。最終決定負(fù)載的最終取值為0800歐姆。四：實(shí)驗(yàn)總結(jié) 通過本次實(shí)習(xí)，使我的焊接技術(shù)有了再一次的提高，因?yàn)槠綍r(shí)很少接觸這些東西，在最后的焊接還是那個(gè)還是有一定的生疏，但是經(jīng)過了一天的適應(yīng)后逐步掌握了這個(gè)技能。經(jīng)過對材料的學(xué)習(xí)和同學(xué)的討論最終完成了焊接電路的原理圖。經(jīng)過本次實(shí)習(xí)，我更加清楚地了解pt100熱電阻溫度傳感器的工作原理。其次通過這次實(shí)習(xí)，最大

11、的收獲是學(xué)會了解決PT100熱電阻阻值（即溫度）和輸出電流之間的非線性關(guān)系，同時(shí)了解了如何在電路中添加器件以實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)和量程的調(diào)整。除此之外，還對負(fù)載這一名詞有了實(shí)質(zhì)性的了解，知道了變送器所帶負(fù)載的計(jì)算。總之，這次實(shí)習(xí)不僅鍛煉一個(gè)人的思維能力，因?yàn)橐虐婧筒季郑€鍛煉團(tuán)隊(duì)合作能力，考驗(yàn)兩個(gè)人的配合和默契。實(shí)習(xí)的過程中，不僅鞏固了所學(xué)知識，而且收獲了樂趣，一舉多得。第2部分 Protel DXP原理圖與PCB設(shè)計(jì)一：內(nèi)容利用Protel DXP設(shè)計(jì)“實(shí)驗(yàn)二”的電路原理圖與PCB電路板；二：步驟1、掌握Protel DXP 2004 軟件工作原理；2、了解PCB電路板設(shè)計(jì)的基本原則、電路板布線原則。

12、3、進(jìn)行上述電路及補(bǔ)充電路原理圖設(shè)計(jì)；4、理解并進(jìn)行元器件封裝設(shè)計(jì)；5、理解并生成網(wǎng)絡(luò)表；6、將網(wǎng)絡(luò)表導(dǎo)入PCB文件中，最終形成PCB文件。三：注意事項(xiàng)1、 不管建立什么，像PCB工程、原理圖、自己設(shè)計(jì)的元件庫、PCB板，首先學(xué)會對其進(jìn)行保存，防止未保存對之后操作產(chǎn)生不必要的影響。而且原理圖、元件庫、PCB板必須建立在同一個(gè)PCB工程下。2、 在建原理圖之前需要加載需要用到的元件庫，找到文件夾的放置位置，找到Altium Designer Extra，單擊找到Lib，將其解壓縮到當(dāng)前文件夾即可。當(dāng)需要搜索系統(tǒng)元件時(shí)，具體操作如下圖所示：3、 在對原理圖進(jìn)行布線時(shí)，注意各個(gè)器件之間的距離，防止連

13、接交叉線時(shí)本不該相連的兩條線產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)；原理圖中的相同器件必須命名成不同的名字，否則會在編譯的時(shí)候報(bào)錯(cuò)。4、 自己設(shè)計(jì)元件庫時(shí)，注意管腳（顯示名字和標(biāo)識）的對應(yīng)關(guān)系，而且要把具有非電氣特性端與元件邊框相連，防止在編譯時(shí)報(bào)錯(cuò)。5、 完成原理圖連線以后，并且電器規(guī)則檢查（編譯）無誤，在產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表之前，要對元器件進(jìn)行封裝。除了系統(tǒng)自帶的元件其他元件都需要進(jìn)行封裝6、 在PCB板上布局時(shí)注意調(diào)整各個(gè)器件的排列，讓連線簡單明了，盡量水平或豎直，盡可能的避免兩線相交叉。完成布局和連線后，用粉色電器線連接時(shí)，注意不要有間隔。7、 對底層、頂層敷銅時(shí)，運(yùn)用多邊形繪制框圖時(shí)要把粉線框起來的PCB板全都框起來。四：

14、實(shí)習(xí)報(bào)告1、 了解PCB電路板設(shè)計(jì)的基本原則、電路板布線原則； 通過移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)元器件，將元器件移動(dòng)到電路板內(nèi)合適的位置，使電路的布局最合理。（同時(shí)注意刪除器件盒）在元件布局時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）先布放關(guān)鍵元器件（如單片機(jī)、DSP、存儲器等） ，然后按照地址線和數(shù)據(jù)線的走向布放其他元件。2）高頻元器件引腳引出的導(dǎo)線應(yīng)盡量短些，以減少對其他元件及其電路的影響。3）模擬電路模塊與數(shù)字電路模塊應(yīng)分開布置，不要混合在一起。4）帶強(qiáng)電的元件與其他元件距離盡量要遠(yuǎn)，并布放在調(diào)試時(shí)不易觸碰的地方。5）電位器、可變電容等元件應(yīng)布放在便于調(diào)試的地方。2、 進(jìn)行上述電路及補(bǔ)充電路原理圖設(shè)計(jì)；A、新建一個(gè)PCB工程

15、B、創(chuàng)建原理圖C、原理圖繪制 XTR106芯片庫設(shè)計(jì) D、原理圖電氣規(guī)則檢查E、庫原件的查找3、 理解并進(jìn)行元器件封裝設(shè)計(jì)（以XTR106芯片為例）；4、 理解并生成網(wǎng)絡(luò)表；A、創(chuàng)建PCB B、生成網(wǎng)絡(luò)表 、5、 將網(wǎng)絡(luò)表導(dǎo)入PCB文件中，最終形成PCB文件。仿真五：實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題1、 生成網(wǎng)絡(luò)表之前沒有對運(yùn)放、二極管、三極管進(jìn)行封裝，而且也沒有注意封裝的器件的尺寸問題，導(dǎo)致最后生成的PCB文件中三極管的尺寸比滑動(dòng)變阻器的尺寸還要小（實(shí)際中兩個(gè)的大小應(yīng)至少相等）。2、 在PCB板上進(jìn)行連線時(shí)，沒有意識到導(dǎo)線粗細(xì)的問題，使得連線之后的導(dǎo)線只有0.245mm，這樣會使生成的板子因?yàn)閷?dǎo)線太細(xì)導(dǎo)致連接不好的問題。3、 在分布各個(gè)器件時(shí)應(yīng)注意各個(gè)元器件之間的距離和排放順序。因?yàn)橹拔野迅鱾€(gè)元器件按位置命名，在排版的過程中比較容易。還要注意兩個(gè)相鄰元器件不能距離太近，避免連線的錯(cuò)誤。六：實(shí)驗(yàn)總結(jié) 通過此次實(shí)驗(yàn)，最大的收獲就是學(xué)會了Altiun Designer的使用，了解其基本的工作原理和操作步驟，會在軟件里邊搜