pH傳感器調(diào)理電路

1、目錄目錄 I.第 1 章緒論 1.1.1 課題背景與意義 11.2 設(shè)計(jì)目的 11.3 設(shè)計(jì)要求 1第 2 章 pH 值信號(hào)調(diào)理電路總體設(shè)計(jì) 2.pH 計(jì) 2測(cè)量原理 2pH 值傳感器信號(hào)調(diào)理電路總體設(shè)計(jì) 3可靠性和抗干擾設(shè)計(jì) 31可靠性 31抗干擾技術(shù) 4第 3 章器件選型 6.1pH 復(fù)合電極 61pH 信號(hào)調(diào)理電路 61.4電壓跟隨器 81.4減法器 91溫度采集電路 91模擬開關(guān) 101器件選型表 11第 4 章仿真與 PCB 電路設(shè)計(jì) 1.2仿真原理圖 12PCB 圖 12PCB 圖 3D 效果圖 13第 5 章設(shè)計(jì)心得和體會(huì) 1.5參考文獻(xiàn) 16第 1 章緒論課題背景與意義pH 值

2、的測(cè)控廣泛應(yīng)用于食品、制藥、化工、表面處理、水處理等領(lǐng)域，它以實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)為生產(chǎn)控制帶來了極大的方便，解決了化驗(yàn)室跟蹤分析時(shí)數(shù)據(jù)嚴(yán)重滯后、不能完全代表裝置生產(chǎn)狀況的問題。在化學(xué)分析和化工過程中，溶液的 pH 值是一個(gè)基本參數(shù)。為了實(shí)時(shí)的測(cè)量溶液的 pH 值，經(jīng)常會(huì)用到 pH 計(jì)（即酸度計(jì)）。pH 計(jì)分為兩部分：pH 復(fù)合電極和變送電路。pH 復(fù)合電極是傳感器，用于拾取溶液的 pH 值，把 pH 值轉(zhuǎn)換成與之成正比的微弱電信號(hào)；變送電路的作用是把微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，如電壓信號(hào)，電流信號(hào)或頻率信號(hào)等。設(shè)計(jì)目的本次課設(shè)主體任務(wù)是電廠鍋爐給水 pH 值檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分三個(gè)階段進(jìn)行，

3、此階段是第一階段：儀器儀表電子工藝課程設(shè)計(jì)。此階段的任務(wù)是 pH 值傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)與仿真。設(shè)計(jì)目的有：了解常用電子元器件基本知識(shí)，如電阻、電容、電感，二、三極管，集成電路，包括外觀、極性、測(cè)試。了解印刷電路板的設(shè)計(jì)和制作過程，PCB 電路設(shè)計(jì)的基本過程，PCB 制造工藝基本過程。掌握電子元器件選型的基本原理和方法，如類型、參數(shù)、功率、性價(jià)比等方面。了解電路焊接基本知識(shí)和基本焊接的方法和技巧、注意事項(xiàng)、助焊、阻焊。了解印制電路板（PCB）設(shè)計(jì)加工的基本過程及相關(guān)概念，單面板、多層板、元器件封裝形式。了解信號(hào)調(diào)理電路的主要功能和存在的必要性，濾波、放大、轉(zhuǎn)換、量程變換等。掌握常見傳感器信號(hào)

4、調(diào)理電路的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)具體傳感器特點(diǎn)，考慮上述電路實(shí)現(xiàn)。掌握相關(guān) EDA 軟件的使用和設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試能力：Protel、MultisimProteus設(shè)計(jì)要求pH 值傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)與仿真，要求根據(jù)所學(xué)的相關(guān)電子電路知識(shí)給出詳細(xì)的元件選型表（費(fèi)用計(jì)算），明確電路工作的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)電路的可靠性設(shè)計(jì)和抗干擾性進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。在課設(shè)的時(shí)間里，要每天撰寫讀書筆記，記錄讀書內(nèi)容和心得。提供一份系統(tǒng)硬件電路原理圖和電路 PCB 圖。完成上述任務(wù)后，要對(duì)原理圖可行性仿真。依據(jù)設(shè)計(jì)方案，器件選型、完成原理圖設(shè)計(jì)。信號(hào)調(diào)理電路的仿真以驗(yàn)證電路可行性,仿真通過后進(jìn)行 PCB 圖設(shè)計(jì)。給出元器件封

5、裝形式表，要有 PCB 三維效果圖。第 2 章 pH 值信號(hào)調(diào)理電路總體設(shè)計(jì)pH計(jì)pH=-lgaH+,溶液的pH值是溶液酸堿度的量度， 所以用來測(cè)量溶液pH值的pH計(jì)又稱酸度計(jì)?？梢杂秒娢皇椒治龇?，通過測(cè)量電極系統(tǒng)與被測(cè)溶液構(gòu)成的測(cè)量電池(原電池)的電動(dòng)勢(shì)，獲知被測(cè)溶液離子活度(或濃度)1。在電廠的水汽分析中，氫離子、鈉離子含量的測(cè)定適合采用電位式分析法。目前測(cè)量溶液 pH 值所使用的指示電極多為玻璃膜電極，參比電極有甘汞電極、銀-氯化銀電極、固體參比電極等，也可用復(fù)合電極。測(cè)量原理pH 值傳感器信號(hào)的測(cè)量主要由測(cè)量電池和高阻毫伏計(jì)兩部分組成。測(cè)量電池是由指示電極、 參比電極和被測(cè)溶液構(gòu)成的原

6、電池， 參比電極的電極電位不隨被測(cè)溶液濃度的變化而變化，指示電極對(duì)被測(cè)溶液中的待測(cè)離子很敏感，其電極電位是待測(cè)離子活度的函數(shù)，所以原電池的電動(dòng)勢(shì)與待測(cè)離子的活度有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可見，原電池的作用是把難以直接測(cè)量的化學(xué)量(離子活度)轉(zhuǎn)換成容易測(cè)量的電學(xué)量(測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì))。高阻毫伏計(jì)是檢測(cè)測(cè)量電池電動(dòng)勢(shì)的電子儀器，如果它兼有直接讀出待測(cè)離子活度的功能，就稱其為離子計(jì)(或離子活度計(jì))。測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)與溶液 pH 值的關(guān)系符合能斯特方程：E=E。-s(pH-7)式中 Eo為測(cè)量電池等電勢(shì)點(diǎn)的電極電位值，該值不隨溫度變化。本設(shè)計(jì)采用兩點(diǎn)標(biāo)定法，標(biāo)定時(shí)需配置兩種標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液 pH1、pH2o 利用

7、pH1 溶液進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，儀器可測(cè)得電池電動(dòng)勢(shì)巳，則E1=E0-s(pH1-7)(2-1)利用 pH2 溶液進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，儀器可測(cè)得電池電動(dòng)勢(shì) E2,則E2=Eo-s(pH2-7)(2-2)由單片機(jī) MCS-51 解式(2-1)、式(2-2)方程組，得出 Eo和 s 值，貯存待用。測(cè)量時(shí)將 Eo和 s 代入 E=E。-s(pH-7)中測(cè)出 E 值，求解出 pH 值。因 s 值隨溫度變化，每次測(cè)量都由溫度傳感器測(cè)出溫度值，對(duì) s 值隨時(shí)修正。pH值傳感器信號(hào)調(diào)理電路總體設(shè)計(jì)pH 測(cè)試儀器是一種利用電化學(xué)原理設(shè)計(jì)制造的新型電位式測(cè)量儀器，在此設(shè)計(jì)了 pH信號(hào)輸入電路和溫度采集電路，其中電極選擇為 E2

8、01 型 pH 復(fù)合電極，將水溶液中氫離子活度轉(zhuǎn)化成電能，pH 的電能信號(hào)采集電路用高阻運(yùn)算放大電路，將高阻的 pH 的電能信號(hào)進(jìn)行放大；而溫度采集電路用 pt100 溫度傳感器的放大電路完成溫度采集功能；傳感器內(nèi)還有一個(gè)接地電極（該電極為一金屬棒），這樣就構(gòu)成了三電極測(cè)量系統(tǒng)。用 4051 對(duì)進(jìn)來的溫度和 pH信號(hào)進(jìn)行選擇?？煽啃院涂垢蓴_設(shè)計(jì)可靠性可靠性是描述系統(tǒng)長期穩(wěn)定，正常運(yùn)行能力的一個(gè)通用概念，也是產(chǎn)品質(zhì)量在實(shí)踐方面的特征表現(xiàn)。可靠性又是一個(gè)統(tǒng)計(jì)的概念，表明在某一時(shí)間內(nèi)某個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)穩(wěn)定正常完成預(yù)定功能指標(biāo)的概率。對(duì)于應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)而言，可靠性水平是最重要的質(zhì)量指標(biāo)。系統(tǒng)

9、的可靠度為：并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型：并聯(lián)形式的可靠性結(jié)構(gòu)又叫冗余結(jié)構(gòu)，是指一個(gè)系統(tǒng)有幾個(gè)部件構(gòu)成，只要其中至少有一個(gè)部件正常工作，系統(tǒng)就能正常工作。并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)按其組成部件的數(shù)量又可分為雙重，三重或者多重系統(tǒng)。一般情況下，可以采用雙重化電路結(jié)構(gòu)，列如雙重放大器，雙重邏輯門等，以改善電路的可靠性。應(yīng)當(dāng)注意,系統(tǒng)的可靠性結(jié)構(gòu)模型與工作條件或故障模式有關(guān)。微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)任務(wù)與方法：影響微機(jī)系統(tǒng)可靠性的因素有內(nèi)部與外部兩方面，針對(duì)內(nèi)外因素的特點(diǎn)，采取有效的軟硬件措施，是可靠性設(shè)計(jì)的根本任務(wù)。導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的內(nèi)部因素主要有以下三點(diǎn)：元器件本身的性能與可靠性。元器件失足成系統(tǒng)的基本單元，其特性好壞與穩(wěn)定

10、性直接影響整個(gè)系統(tǒng)系能與可靠性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。包括硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行軟件設(shè)計(jì)。安裝與調(diào)試。元器件與整個(gè)系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，是保證系統(tǒng)運(yùn)行和可靠性的重要措施。盡管元件選擇嚴(yán)格，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)合理，但安裝工藝粗糙，調(diào)試不嚴(yán)格，仍然達(dá)不到預(yù)期的效果。外因是指微機(jī)所處工作環(huán)境中的外部設(shè)備或空問條件導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的不可靠因素，主要包括以下幾點(diǎn)：外部電氣條件，如電源電壓的穩(wěn)定性，強(qiáng)電場(chǎng)與磁場(chǎng)等的影響。外部空間條件，如溫度，濕度，空氣清潔度等等。外部機(jī)械條件，如震動(dòng)，沖擊等等。為了保證微機(jī)系統(tǒng)可靠性工作，必須創(chuàng)造一個(gè)良好的外部環(huán)境。如：采取屏蔽措施，遠(yuǎn)離產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾設(shè)備；加強(qiáng)通風(fēng)以降低環(huán)境溫度；安裝緊固以

11、防止震動(dòng)等等。元器件的選擇是根本，合理安裝調(diào)試是基礎(chǔ)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是手段,外部環(huán)境是保證，這是可靠性設(shè)計(jì)遵循的基本準(zhǔn)則，并貫穿于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，安裝，調(diào)試，運(yùn)行的全過程。為了實(shí)現(xiàn)這些準(zhǔn)則，必須采取相應(yīng)的硬件或軟件方面的措施，這是可靠性設(shè)計(jì)的根本任務(wù)?？煽啃栽O(shè)計(jì)一般方法：元器件級(jí)可靠性措施、電磁兼容性設(shè)計(jì)、冗余技術(shù)。元件，器件是微機(jī)系統(tǒng)的基本部件，元器件的性能與可靠性是整體性能與可靠性的基礎(chǔ)。電子元器件故障率的降低主要由生產(chǎn)廠家來保證。作為設(shè)計(jì)與使用者主要是保證所選用的元器件的質(zhì)量或可靠性指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。為此，必須采取下列措施：嚴(yán)格管理元器件的購置，儲(chǔ)運(yùn)，老化，篩選，測(cè)試。降額使用，所謂降額使用，就是在

12、低于額定電壓和電流條件下使用元器件，這將能提高原器件的可靠性。選用集成度高的元器件。系統(tǒng)選用集成度高的芯片可減少元器件的數(shù)量，使得印刷電路板布局簡(jiǎn)單，減少焊接和連線，因而大大減少故障率和受干擾的概率。部件及系統(tǒng)級(jí)的可靠性措施：部件及系統(tǒng)級(jí)的可靠性技術(shù)是指功能部件或整個(gè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)，制造、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)所采取的可靠性措施。電磁兼容性設(shè)計(jì)：是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在電磁環(huán)境中的適應(yīng)性，既能保持完成規(guī)定功能的能力。電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的，是系統(tǒng)即不受外部電磁干擾的影響，也不對(duì)其他電子設(shè)備產(chǎn)生影響，又稱為抗電磁干擾設(shè)計(jì)。微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)常用的抗電磁干擾的硬件措施有濾波技術(shù)，去耦電路，屏蔽技術(shù)，接地技術(shù)等。冗余技術(shù)：冗余技術(shù)

13、也稱容錯(cuò)技術(shù)或故障掩蓋技術(shù)，它是通過增加完成統(tǒng)一功能的并聯(lián)或備用單元（包括硬件單元或軟件單元）數(shù)目來提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計(jì)方法。常用的軟件措施主要有數(shù)字濾波，軟件冗余，程序運(yùn)行監(jiān)視及故障自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)等等。信息冗余技術(shù)：對(duì)于微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)而言，保護(hù)信號(hào)信息和重要數(shù)據(jù)是提高可靠性的重要方面。時(shí)問冗余技術(shù)：為了提高微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的可靠性，可采用重復(fù)執(zhí)行某一操作或某一程序，并將執(zhí)行結(jié)果與前一次的結(jié)果進(jìn)行比較對(duì)照來確認(rèn)系統(tǒng)工作是否正常。故障自動(dòng)檢測(cè)與診斷技術(shù)：對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，為了保證能及時(shí)檢驗(yàn)出有故障裝置或單元模塊，以便及時(shí)把有用單元替換上去，就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線的測(cè)試與診斷。這樣的目的有兩個(gè)：一是為了判定

14、動(dòng)作或功能正常性；而是為了及時(shí)指出故障部位，縮短維修時(shí)間。軟件可靠技術(shù)：微機(jī)運(yùn)行軟件是系統(tǒng)欲各項(xiàng)功能的具體反映，為了提高軟件的可靠性，應(yīng)盡量將軟件規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，盡可能把復(fù)雜的問題化成若干較為簡(jiǎn)單明確的小任務(wù)。失效保險(xiǎn)技術(shù)：有些重要系統(tǒng)，一旦發(fā)生故障時(shí)希望整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)處于安全或保險(xiǎn)狀態(tài)?？垢蓴_技術(shù)干擾：由于噪聲在一定條件下影響和破壞設(shè)備或系統(tǒng)的正常工作，所以通常把具有危害性的噪聲稱為干擾。噪聲：疊加于有用信號(hào)上，使原來有用信號(hào)發(fā)生畸變的變化電量叫電噪聲，簡(jiǎn)稱噪聲。干擾的分類：按噪聲產(chǎn)生的原因分類：放電噪聲，高頻振蕩噪聲，浪涌噪聲。按噪聲傳導(dǎo)模式分類：常模噪聲、共模噪聲。按噪聲迫性及性質(zhì)分

15、類：持續(xù)正弦波、偶發(fā)脈沖電壓波形、脈沖列?？垢蓴_技術(shù)從基本原則出發(fā)，抗干擾措施是：抑制干擾源、切斷干擾傳播路徑、提高敏感器件的抗干擾性能。從主要手段出發(fā)，常用的方法是：接地、屏蔽和濾波。抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的 du/dt,di/dto 這是抗干擾設(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮和最重要的原則，常常會(huì)起到事半功倍的效果。減小干擾源的 du/dt 主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實(shí)現(xiàn)。切斷干擾傳播路徑。按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。所謂傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號(hào)的頻帶不同，可以通過在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時(shí)也可加隔離光耦來

16、解決。電源噪聲的危害最大，要特別注意處理。所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽罩。提高敏感器件的抗干擾性能。是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。所謂接地，就是在兩點(diǎn)間建立傳導(dǎo)通路，以便將電子設(shè)備或元件連接到某些叫作“地”的參考點(diǎn)上。換一種說法就是，信號(hào)電流流回信號(hào)源的低阻抗路徑。接地的主要目的如下，提供公共參考 0 電位，防止外界電磁干擾，保證安全工作。地線的阻抗是指交流狀態(tài)下的接地線呈現(xiàn)的阻抗，并不是一般意義上的電阻。主要分為三種：工作地、保護(hù)地、屏蔽地。采

17、用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制電磁輻射干擾，即用電導(dǎo)率良好的材料對(duì)電場(chǎng)屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對(duì)磁場(chǎng)屏蔽。屏蔽有兩個(gè)目的：一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出該內(nèi)部區(qū)域；二是防止外來的輻射干擾進(jìn)入該內(nèi)部區(qū)域。濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的有效方法。EMI 濾波器作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的重要單元，可以抑制來自電網(wǎng)的干擾對(duì)電源本身的侵害，也可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾。第 3 章器件選型pH復(fù)合電極pH 測(cè)量中使用的電極又稱為原電池。原電池是一個(gè)系統(tǒng)，它的作用是使化學(xué)能量轉(zhuǎn)成為電能。此電池的電壓被稱為電動(dòng)勢(shì)。此電動(dòng)勢(shì)由二個(gè)半電池構(gòu)成。其中一個(gè)半電池稱作測(cè)量電池，它的電位與特定的離子活度有關(guān)；另一個(gè)半電池為參

18、比半電池，通常稱作參比電極，它一般是與測(cè)量溶液相通，并且與測(cè)量儀表相連。此處，傳感器中的電極選為 E201 型 pH 復(fù)合電極。由 pH 敏感玻璃電極和銀-氯化銀參比電極復(fù)合而成，它是 pH 計(jì)的測(cè)量元件，用以測(cè)量水溶液中氫離子濃度的 pH 值。玻璃電極（指示電極）零點(diǎn)位置為 pH7,參比電極內(nèi)充凝膠 KCl,使用期間不需添加 KCl 溶液。具有使用方便、易清洗、反應(yīng)快、穩(wěn)定性和重復(fù)性好、抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)。E201 型 pH復(fù)合電極技術(shù)參數(shù)如下表 3-1 所示。表 3-1E201 型 pH 復(fù)合電極主要技術(shù)參數(shù)測(cè)量范圍：pH:0.0014.00pHmV:01999mV溫補(bǔ)范圍：0-60C工作

19、溫度：5-45C精度：0.01pH零點(diǎn) pH 值:70.25pH內(nèi)阻：250MQ(25C)堿誤差：98.5%(25C)響應(yīng)時(shí)間：02s(25C)pH信號(hào)調(diào)理電路測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng) pH 電極轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號(hào)，信號(hào)調(diào)整電路對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行調(diào)整信號(hào)凋整電路采用多級(jí)集成運(yùn)放構(gòu)成。圖 3-1 為輸入級(jí)電路。其中：A1、A2 均為高阻集成運(yùn)放 CA3140,它們都接成電壓跟隨器，提高輸入阻抗，增強(qiáng)抗干擾能力，使參比電極和玻璃電極信號(hào)實(shí)現(xiàn)阻抗變換，構(gòu)成雙高阻輸入電路。A3 為 LM124 四運(yùn)算放大器，將它接成減法器，它的輸出是玻璃電極與參比電極電位之差。在圖 3-1 中，A1、A2、A3 構(gòu)成三運(yùn)放精密放大電

20、路，其中，由運(yùn)放 A1、A2 構(gòu)成第一級(jí)電路，A3 構(gòu)成第二級(jí)電路，兩級(jí)均屬于差分式電路。在第一級(jí)電路中，信號(hào)電壓分別加到運(yùn)放 A1、A2 的同相輸入端，R3、R4、R5 為電路引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使得運(yùn)放 A1、A2 的輸入端具有“虛短”和“虛斷”的特征，而流過 R3、R4、R5 的電流相等，因此有2R3Uo1-Uo2=1+(Ui1Ui2)(3-1)Uo=-1+T!：Uii-Ui2)(3-3)R1；R4由式(3-3)可知，此電路只對(duì)輸入信號(hào)的差進(jìn)行有效放大，而當(dāng)輸入端出現(xiàn)共模信號(hào)時(shí)，輸出電壓 Uoc=0o 因此，該放大電路具有很高的共模抑制比，提高系統(tǒng)的信噪比，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。3另

21、外，式(3-3)表明總增益 A 是第一級(jí) AUI和第二級(jí) AU2的乘積，輸入電路的增益取決于外部電阻的比值，所以采用合適的電阻。也就是調(diào)節(jié)合適的放大增益.使輸出電壓 Uo達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的電壓范圍，送入單片機(jī)模/數(shù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為了準(zhǔn)確的測(cè)定溶液中氫離子濃度，除了需要性能優(yōu)良的電極外，還與儀器的前置運(yùn)算放大的選擇有密切的關(guān)系。以前影響測(cè)量儀器發(fā)展的主要技術(shù)關(guān)鍵是前置運(yùn)算放大器的性能不能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的需求，表現(xiàn)在性能上不穩(wěn)定飄移大，噪音大，傳輸距離不遠(yuǎn)等。作為前值運(yùn)算放大器，應(yīng)有以下幾個(gè)要求：(1)放大器的輸入電流要小；(2)高的輸入阻抗，放大器的輸入阻抗包括放大器的阻抗和接插件的絕緣阻抗等；(3

22、)小的溫度漂移系數(shù)。電壓跟隨器pH 電極由玻璃電極和參考電極組成。玻璃電極是由特殊玻璃膜制成的。具厚度可以小于0.1mm,Ag-AgC1 為參考電極在內(nèi)部，由二者組成復(fù)合電極。從復(fù)合 pH 電極的玻璃電極和參比電極兩端輸出的信號(hào)為電壓。在一定的溫度下只要知道了電壓值，即可求出溶液的 pH 值，因此 pH值的測(cè)量實(shí)際上就是電壓信號(hào)的測(cè)量。由于復(fù)合 pH 電極內(nèi)阻很高。大約 l012Q。要求前置放大器有較高的輸入阻抗。因此設(shè)計(jì)中選用了運(yùn)放 CA3140,該運(yùn)算放大器功能保護(hù) MOSFET 的柵極(PMOS 上)中的晶體管輸入電路提供非常高的輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能。它兼有高電壓 PMOS

23、管和高壓二極管的優(yōu)點(diǎn)，都集成在單獨(dú)的芯片上。輸入電路 PMOS 提供非常高的阻抗，并且具有非?？斓捻憫?yīng)速度，還具有自身補(bǔ)償能力來達(dá)到穩(wěn)定的放大增益，輸出部分含有自身保護(hù)電路來保護(hù)由于負(fù)載短路造成的損害，可完成阻抗匹配、降低測(cè)量噪聲、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等，非常適合此電路設(shè)計(jì)。本文 A1、A2 采用 CA3140,提高輸入阻抗。如圖 3-2 所示：圖 3-2 電壓跟隨器減法器實(shí)現(xiàn)將玻璃電極與參比電極電位做減法的差分放大部分，A3 選 ifLM124,它是四運(yùn)放集成電路，采用 14 管腳雙列直插塑料(陶瓷)封裝，它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的高增益頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。由于

24、 LM124 四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。它的特點(diǎn)有：(1)直流電壓增益高(約 100dB);(2)單位增益頻帶寬(約 1MHz);(3)電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?330V);雙電源(土 1.5土 16V);(4)低功耗電流，適合于電池供電；(5)獨(dú)立于電源電壓的低源漏電流(0.8mA);(6)低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流；(7)共模輸入電壓范圍寬，包括接地；(8)差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；(9)輸出電壓擺幅大(0 至 VCC-1.5V)。溫度采集電路離子計(jì)把接收到的毫伏信號(hào)轉(zhuǎn)換成 px 值，必須以某一溫度為基準(zhǔn)，但

25、是，被測(cè)溶液的溫度常常是偏離基準(zhǔn)溫度的，為消除溫度對(duì)轉(zhuǎn)換斜率的影響，使信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化，離子計(jì)都設(shè)有溫度補(bǔ)償電路。熱電偶傳感器是工業(yè)測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測(cè)對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的精確度，測(cè)量范圍廣。鋁電阻的特點(diǎn)是精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠。珀在氧化性氣氛中，甚至在高溫下的物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定。因此鋁被公認(rèn)為是目前制造熱電阻的最好材料。珀電阻主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)使用，也常被用在工業(yè)測(cè)量中。鋁電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器，由于其測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等，被廣泛用于中溫(-200C650C)范圍的溫度測(cè)量

26、中。PT100 是一種廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，在-50600CC 范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等。PT100 的阻值跟溫度的變化成正比。PT100 的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng) PT100 溫度為 0c時(shí)它的阻值為 100Q,在 100c 時(shí)它的阻值約為 138.5Q。它的工業(yè)原理：當(dāng) PT100 在 0c 的時(shí)候他的阻值為 100Q,它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成勻速增長的。本設(shè)計(jì)中就是利用 PT100 的這一特性來實(shí)現(xiàn)溫度與輸出值之間的轉(zhuǎn)化的。為了減少流過 Pt100 電流所產(chǎn)生的溫度對(duì)自身阻值的影響，外部激勵(lì)電壓不易過大，此處用 1V4。如圖 3-

27、3 所示：模擬開關(guān)U1 為雙四選一模擬開關(guān)，分時(shí)選擇 pH 信號(hào)或溫度信號(hào)。此處選擇 4051 芯片。CD4051/CC4051 是單 8 通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有 A、B 和 C 三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端以及 INH 共 4 個(gè)輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為 4.520V 的數(shù)字信號(hào)可控制峰峰值至 20V 的模擬信號(hào)。例如，若 VDD=+5V,VSS=0,VEE=-13.5V,WJ05V 的數(shù)字信號(hào)可控制-13.54.5V 的模擬信號(hào)。這些開關(guān)電路在整個(gè) VDD-VSS 和VDD-VEE 電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無關(guān)。當(dāng) INH 輸入端=1”時(shí)，所有

28、的通道截止。只有當(dāng) INH=0 時(shí)，三位二進(jìn)制信號(hào)才可以選通 8 通道中的一個(gè)通道，連接該輸入端至輸出。其中 VEE 可以接負(fù)電壓，也可以接地。當(dāng)輸入電壓有負(fù)值時(shí)，VEE 必須接負(fù)電壓，其他時(shí)候可以接地。如圖 3-4 所示：器件選型表在 pH 值傳感器信號(hào)調(diào)理電路中，用到了電阻、電容、Pt100、集成運(yùn)算放大器、四選一模擬開關(guān)等。具體如下表 3-2 所示：表 3-2 器件選型表器件類型數(shù)量（個(gè)）單價(jià)（元）合計(jì)（元）電阻170.020.34電容1 個(gè)0.040.04Pt1001 個(gè)66CA31402 個(gè)1.83.6LM1242 個(gè)2.5540511 個(gè)0.70.7圖 3-4 模擬開關(guān)XXDX1X

29、2GMX5XBX7ABCiXDX1X2GMX5XBX7ABCi第 4 章仿真與 PCB 電路設(shè)計(jì)為了設(shè)計(jì)方便，采用 Proteus 軟件進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)、仿真以及 PCB 的設(shè)計(jì)，具有操作簡(jiǎn)單，視圖明了的特點(diǎn)。仿真原理圖在 Proteus 軟件中畫出 pH 值傳感器信號(hào)調(diào)理電品&的原理圖，如圖 4-1 所示：PCB圖印制電路板(PCB,PrintedCircuitBoard)設(shè)計(jì)，是電子產(chǎn)品中最重要的部件之一。電路原理圖完成以后，還必須再根據(jù)原理圖設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的印制電路板圖，最后才能由制板廠家根據(jù)用戶所設(shè)計(jì)的印制電路板圖制作出印制電路板產(chǎn)品。在完成原理圖設(shè)計(jì)后，應(yīng)用 proteus 軟件進(jìn)

30、行 PCB 電路設(shè)計(jì)，首先在原理圖的設(shè)計(jì)界面點(diǎn)擊 ARES 圖標(biāo)后，進(jìn)入到 PCB 設(shè)計(jì)界面。選才 BBoardEdge,畫出方框，點(diǎn)擊 Tools 力 utoPlacer,進(jìn)行自動(dòng)布局，然后點(diǎn)擊 Tools 力 utoRouter,軟件便根據(jù)已經(jīng)設(shè)置好的布線規(guī)則進(jìn)行布線。得到pH 值傳感器信號(hào)調(diào)理電路的 PCB 圖，如圖 4-2 所示：+1ZV/圖 4-1 調(diào)理電路原理圖R1BTETERk-二-JJ-JJ-皿豆匕圖 4-2 調(diào)理電路的 PCB 圖PCB圖3D效果圖如圖 4-3 所示為 PCB 圖的 3D 效果：onoOOQooo3。UC-1-I1一QOUO|圖 4-3PCB 圖的 3D 效果第 5 章設(shè)計(jì)心得和體會(huì)儀器儀表電子工藝設(shè)計(jì)包括傳感器的選型，電量信號(hào)的放大，溫度測(cè)量等內(nèi)容。其任務(wù)是完成非電信號(hào)的被測(cè)量信息的測(cè)量與變送。整個(gè)系統(tǒng)在進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換前的電路均