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毫歐姆(mΩ)電阻變送器_大學生電子競賽練手

放大字體  縮小字體 發布日期:2022-01-10 04:21:52    作者:百里泓羽    瀏覽次數:64
導讀

工程文件請了解更多毫歐姆(mΩ)電阻變送器一、課題要求1.任務設計制作一個檢測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

工程文件請了解更多

毫歐姆(mΩ)電阻變送器

一、課題要求

1.任務

設計制作一個檢測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Rx 得檢測電流It≤5mA 。

(3)在Rx=10mΩ~100mΩ量程范圍內變送精度優于10%(FS)。

(4)檢測電路得輸出內阻≤20Ω 。

2.2發揮部分

(1)將檢測電路得輸出電壓VO1 轉換成1~5V 得標準電壓源輸出,電壓轉換電路至少能驅動≤ 200Ω得電阻性負載。

(2)將檢測電路得輸出電壓VO1 轉換成4~20 mA 得標準電流源輸出,電流轉換電路至少能驅動≥500Ω 得電阻性負載。

(3)增加量程越界指示功能。

(4)盡可能提高變送精度,直至優于2%(FS)。

3.說明

不能使用 "V/I 轉換"和"I/V 轉換"之類得專用IC ,測量放大器用INA128,運放使用TLC084,電壓基準用TL431。

二、方案設計與論證

1.四探頭電流檢測法

在測量阻值較小得電阻時,引線電阻和連接點處得接觸電阻會使測量結果不準確,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、測量準確加上方法巧妙,使用方便、對電源穩定性要求不高等特點,已被廣泛地應用于電工技術和非電量電測中。

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恒定電流,并將被測電阻得電壓值送給后級電路。根據被測電阻和檢測電流得數量級,判斷輸出電壓值為μv級,需要經過放大才能得到0-1V得電壓范圍。因此檢測電路應包含一個高增益、高精度得放大器,在本課題中采用測量放大器。

綜上所述,檢測電路得結構框圖如圖2-1所示:

圖2-2 檢測電路

3.電壓轉換電路

通過線性放大可以把0-1V電壓轉換成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系。將此電壓進行AD轉換,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.電流轉換電路

4-20mA也是儀表得標準輸出,它可由1-5V輸出電壓經過V-I電路得到。也可以把1-5V電壓加在一個250Ω得電阻兩端后得到。相對來說,后者電路更簡單。但為了保證電路得驅動能力,本設計采用V-I電路。

三、單元電路設計與仿真

1.檢測電路

(1)恒流源電路

本系統采用Howland電流源,其原理圖如圖3-1所示:

圖3-1 Howland電流源

兩個運放TLC081均引入了負反饋,前者構成同相求和運算電路,后者構成電壓跟隨器。根據虛短、虛斷原理,若取R1=R3,R2=R4,則輸出電流Iout=

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

Howland電路得仿真結果如圖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。放大倍數為4000,一般得運放難以實現高增益,高精度得放大。故本設計使用了測量放大器。

測量放大器可以用若干普通運放搭建,也有專門得IC。從簡化設計得角度考慮,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,可實現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,電阻得誤差也會對精度造成很大影響,而且可選用得電位器阻值都遠大于12.5,難以進行精確調整。所以4000倍得增益由二級運放完成。取Rg=125Ω,即G=400。輸出端連接一個增益為10得放大電路即可。

Ina128得仿真結果如圖3-4所示:

圖3-4 測量放大器仿真

可以看到,檢測電路在驅動20Ω負載時,輸出電壓沒有異常,滿足設計要求。

2.電壓轉換電路

電壓轉換電路如圖3-5所示:

圖3-5 電壓轉換

該電路為一個反相求和電路。輸出電壓Vo=-Rf(

=-(4Vin+1),輸出端接驅動電路提升帶負載能力,并把電壓反相,變為正值。

電壓轉換電路(Rx=100mΩ)得仿真結果如圖3-6所示:

圖3-6 電壓轉換仿真

輸出電壓與預期一致,在驅動200Ω電阻時能正常工作。

4.電流轉換電路

電流轉換電路如圖3-7所示:

圖3-7 電流轉換

該電路前級為反相求和電路,后級電路為負載共地方式得V-I轉換電路。負載電流僅由輸入電壓決定,而與負載得大小無關。由于運放電源得限制負載只能在一定范圍內變化。當輸入電壓不變時,負載電阻在一定范圍內變化,輸出電流將保持不變,這就構成恒流源電路。

電流轉換電路得仿真結果(Rx=100mΩ)如圖2-8所示:輸出電流和驅動能力均滿足要求。

圖3-8 電流轉換仿真

四、系統測試

1、測試儀器

直流穩壓電源 GPS-4303C

高精度數字電橋測試儀 LCR-819

萬用表 VA17

2、測試步驟

先對變送電路進行校準。直流穩壓電源GPS-4303為系統提供±8V電源,接上一個校準電阻,調節電路,使測量放大器輸出為1V,電壓轉換電路輸出為5V,電流轉換電路輸出為20mA。

把高精度數字電橋測試儀 LCR-819測得得電阻值作為理論值,計算出輸出電壓和輸出電流得理論值,并與萬用表VA17測得得系統實測值進行比較,得到系統誤差。

3、測試數據

 
(文/百里泓羽)
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