多路浮地測(cè)量 Multisim Proteus仿真

ID:1136117 · 發(fā)表于 2024-11-12 14:44

一、技能訓(xùn)練目的1. 針對(duì) 10~100mV 和 4~20mA 的 2 路（至少各 1 路，可擴(kuò)展為更多路）浮地測(cè)量信號(hào)，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路（放大、濾波等）實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度為 1mv 和 0.1mA 的雙路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；2. 熟悉并掌握系統(tǒng)開(kāi)發(fā) Altium Designer、Multisim 等軟件的應(yīng)用，能完成電路仿真；3. 掌握單片機(jī)工作原理并使用 STC12C5A60S2 單片機(jī)；4. 掌握儀用放大電路的應(yīng)用，能針對(duì)接口輸入規(guī)范的要求、選擇適當(dāng)?shù)钠骷凸ぞ撸O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)；5. 根據(jù)原理圖進(jìn)行電路焊接調(diào)試，完成數(shù)據(jù)采集變換系統(tǒng)的焊接及編程工作；6. 掌握 PCB 制版及 SMT 焊接的工藝流程；7. 拓展單片機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)及信號(hào)測(cè)量；8. 掌握通用板的使用方法以實(shí)現(xiàn)電路搭載。

二、技能訓(xùn)練任務(wù)
1. 完成符合要求的系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)；2. 掌握工程實(shí)踐中電路原理圖與 PCB 圖、原理圖庫(kù)、PCB 庫(kù)、的繪制規(guī)范；3. 完成浮地差動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的原理圖和 PCB 板的設(shè)計(jì)；4. 應(yīng)用仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能仿真（盡量全面）；5. 完成多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)焊接（單片機(jī)系統(tǒng)+以通用板為基礎(chǔ)的信號(hào)調(diào)理電路）與測(cè)試；6. 完成多參量數(shù)據(jù)采集方案的實(shí)現(xiàn)；7. 完成設(shè)計(jì)與系統(tǒng)測(cè)試及分析。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（支撐目標(biāo)2、3、4）

1、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)（給出3種電路設(shè)計(jì)方案，并從成本、性能等因素分析方案并得出結(jié)論）（支撐目標(biāo)3）

方案一采用雙運(yùn)放放大電路方案，針對(duì)10~100mV 和 4~20mA 的 2 路（至少各 1 路，可擴(kuò)展為更多路）浮地測(cè)量信號(hào)設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)合理選擇雙運(yùn)放型號(hào)（如LM358等低成本、高性能元件）、電阻、電容等元件，并精心設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)（包括放大、濾波等環(huán)節(jié)），能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)既滿足1mV和0.1mA高精度測(cè)量要求，又具備強(qiáng)抗干擾能力、良好穩(wěn)定性及易于擴(kuò)展性的雙路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此方案不僅成本相對(duì)較低，而且通過(guò)精確的元件選擇和電路設(shè)計(jì)，確保了信號(hào)的精確放大與測(cè)量，同時(shí)，雙運(yùn)放放大電路的設(shè)計(jì)也為其提供了足夠的增益帶寬積，以適應(yīng)不同信號(hào)的放大需求。此外，該方案對(duì)共模干擾和噪聲具有較強(qiáng)的抑制能力，適合用于浮地測(cè)量信號(hào)，且通過(guò)合理的元件選擇和電路設(shè)計(jì)，可以確保電路在各種環(huán)境條件下保持穩(wěn)定的性能。因此，在針對(duì)此類(lèi)浮地測(cè)量信號(hào)的雙路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用雙運(yùn)放放大電路方案無(wú)疑是一個(gè)值得考慮和推薦的優(yōu)秀選擇。

圖 1 雙運(yùn)放放大電路

方案二采用LM328運(yùn)算放大器、電阻及二極管等元件構(gòu)建的差分放大電路，在針對(duì)10~100mV 和 4~20mA的 2 路（至少各 1 路，可擴(kuò)展為更多路）浮地測(cè)量信號(hào)的雙路數(shù)據(jù)采集系中，展現(xiàn)出低成本、高精度測(cè)量（達(dá)1mV和0.1mA）、強(qiáng)抗干擾能力（有效抑制共模擾）及良好穩(wěn)定性等顯著優(yōu)勢(shì)。該電路通過(guò)精確的元件選擇與電路設(shè)計(jì)，確保了信號(hào)的精確放大與測(cè)量，同時(shí)，LM328的低功耗與高增益特性使其非常適合此類(lèi)應(yīng)用。然而，該電路也有一些缺點(diǎn)，如為了實(shí)現(xiàn)高精度的信號(hào)放大和測(cè)量，需要對(duì)元件的精度進(jìn)行嚴(yán)格控制；電雖然差分放大電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但調(diào)試過(guò)程可能需要一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)；LM328運(yùn)算放大器的帶寬可能限制差分放大電路在高速應(yīng)用中的性能。

圖 2 差分放大電路

方案三針對(duì)10~100mV 和 4~20mA 的 2 路（至少各 1 路，可擴(kuò)展為更多路）浮地測(cè)量信號(hào)，設(shè)計(jì)一個(gè)采用三運(yùn)放放大電路的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)1mV和0.1mA的高精度雙路數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)在成本上相對(duì)較高但提供了高精度測(cè)量、強(qiáng)抗干擾能力和良好的穩(wěn)定性，同時(shí)展現(xiàn)出易于擴(kuò)展至多路信號(hào)處理的靈活性。通過(guò)精心選擇運(yùn)算放大器型號(hào)和輔助元件，并優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)能夠確保信號(hào)的精確放大與傳輸，有效抑制共模干擾和噪聲，適應(yīng)各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定性能需求。然而，三運(yùn)放放大電路也帶來(lái)了較高的成本、相對(duì)復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程，以及相對(duì)較大的功耗的缺點(diǎn)。

圖 3 三運(yùn)放放大電路

方案選擇最終經(jīng)過(guò)我們小組內(nèi)的討論后選擇了雙運(yùn)放放大電路，理由在于：雙運(yùn)放放大電路在提供足夠放大倍數(shù)和穩(wěn)定性的同時(shí)，保持了適中的成本和相對(duì)較低的復(fù)雜度，其性能足以滿足高精度測(cè)量需求，且無(wú)需像差分放大電路那樣可能需要額外的隔離措施，也不像三運(yùn)放放大電路那樣因高成本和復(fù)雜性而可能過(guò)于昂貴或不適用于所有場(chǎng)景。雙運(yùn)放放大電路能夠處理浮地信號(hào)，提供較低的噪聲和失真，且易于實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展，因此在成本效益、技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度和實(shí)際應(yīng)用需求之間提供了良好的平衡。盡管其共模抑制比可能略低于三運(yùn)放放大電路，但通常足夠滿足大多數(shù)高精度測(cè)量應(yīng)用的要求，使得雙運(yùn)放放大電路成為這一特定應(yīng)用場(chǎng)景下的優(yōu)選方案。通過(guò)精心設(shè)計(jì)和調(diào)試，雙運(yùn)放放大電路能夠確保信號(hào)的精確放大與傳輸，實(shí)現(xiàn)所需的高精度數(shù)據(jù)采集，同時(shí)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2、設(shè)計(jì)步驟（需針對(duì)被測(cè)目標(biāo)，圖文說(shuō)明如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)步驟）（支撐目標(biāo)2）
（1）根據(jù)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)，首先規(guī)劃并繪制出電路的結(jié)構(gòu)框圖和Multisim仿真圖

圖 4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖 5 Multisim電路仿真圖

（2）在仿真驗(yàn)證通過(guò)的基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)好的原理圖轉(zhuǎn)化為AD原理圖，并進(jìn)一步進(jìn)行PCB的布局與布線設(shè)計(jì)。

圖 6 原理圖

圖 7 PCB繪制

（3）SMT 工藝流程學(xué)習(xí)；完成系統(tǒng)焊接與測(cè)試。

圖 8 焊接實(shí)物圖

（4）完成系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)模塊化程序編制，驗(yàn)證和仿真調(diào)試系統(tǒng)硬件工作狀態(tài)。主程序?yàn)椋?br />

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "adc0832.h"
#include <stdio.h>
void LCD_WriteFloat(float num);
void main() {
unsigned char voltageAdc, currentAdc;
float voltage, current;
LCD_Init(); // 初始化LCD
LCD_Clear(); // 清除LCD顯示
while (1) {
voltageAdc = ADC0832_Read(0); // 讀取CH0的電壓值
currentAdc = ADC0832_Read(1); // 讀取CH1的電流值
voltage = (float)voltageAdc /255*5.0*20; // 轉(zhuǎn)換電壓值
current = (float)currentAdc /255*5.0*4; // 轉(zhuǎn)換電流值
// 顯示電壓值
LCD_SetCursor(0, 0); // 設(shè)置LCD光標(biāo)位置
LCD_WriteString("Vol: ");
//LCD_WriteCommand(0x80+3);
LCD_WriteData((unsigned int)voltage/100+0x30);
LCD_WriteData((unsigned int)voltage%100/10+0x30);
LCD_WriteData((unsigned int)voltage%10+0x30);
LCD_WriteData('.');
LCD_WriteData((unsigned int)voltage%100/10+0x30);
LCD_WriteString("mV");
// 顯示電流值
LCD_SetCursor(1, 0); // 設(shè)置LCD光標(biāo)位置4
LCD_WriteString("Cur: ");
//LCD1602_Write_Com(0xC0+3);
//LCD_WriteFloat(current); // 假設(shè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了LCD_WriteFloat函數(shù)
LCD_WriteData((unsigned int)current%100/10+0x30);
LCD_WriteData((unsigned int)current%10+0x30);
LCD_WriteData('.');
LCD_WriteData((unsigned int)current%100/10+0x30);
LCD_WriteString("mA");
LCD_Delay(100); // 等待一段時(shí)間再次讀取
}
}
void LCD_WriteFloat(float num) {
char buffer[16];
sprintf(buffer, "%f", num);
LCD_WriteString(buffer);

復(fù)制代碼

圖 9 Proteus仿真圖

3、系統(tǒng)調(diào)試（包括仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并從仿真軟件的局限性角度說(shuō)明仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的差別，其中實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果需給出照片）（支撐目標(biāo)2、4）（1）實(shí)測(cè)結(jié)果

圖 10 實(shí)測(cè)結(jié)果圖

（2）仿真結(jié)果

圖 11 Proteus仿真結(jié)果圖

圖 12 Multisim仿真結(jié)果圖

（3）結(jié)果分析通過(guò)分析仿真與實(shí)物結(jié)果，得到的最終結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求相一致，且該信號(hào)調(diào)理電路很好的實(shí)現(xiàn)了測(cè)量精度為1mV和0.1mA的設(shè)計(jì)要求；PCB圖的繪制也達(dá)到了原理圖的設(shè)計(jì)要求，實(shí)測(cè)結(jié)果得到了成功的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

四、 解釋技能訓(xùn)練中，電子儀器加工過(guò)程的工藝流程與工藝參數(shù)，對(duì)環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量的影響。（考察目標(biāo)1、5，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響支撐目標(biāo)1、對(duì)環(huán)境的影響支撐目標(biāo)5）在電子儀器加工過(guò)程中，嚴(yán)格控制從原理圖設(shè)計(jì)到PCB制版、SMT焊接以及系統(tǒng)調(diào)試的工藝流程與工藝參數(shù)，不僅直接決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，還對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重要影響，因此需確保設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性、版圖規(guī)范性、參數(shù)精準(zhǔn)控制及調(diào)試充分性，并妥善處理制版殘液和焊接煙塵等環(huán)境問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量生產(chǎn)和環(huán)境友好型制造。具體而言，該過(guò)程首先始于原理圖設(shè)計(jì)，利用專(zhuān)業(yè)軟件如Altium Designer進(jìn)行電路布局與邏輯驗(yàn)證，確保電路設(shè)計(jì)的正確性和可行性，這是電子儀器制造的基礎(chǔ)，任何設(shè)計(jì)上的瑕疵都可能直接影響后續(xù)產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。隨后，將原理圖轉(zhuǎn)化為PCB版圖，進(jìn)行精密的布局和布線設(shè)計(jì)，并設(shè)定關(guān)鍵的工藝參數(shù)，如線寬、線距和銅厚，這些參數(shù)的選擇需兼顧電路性能和制造要求，任何偏差都可能導(dǎo)致電路板質(zhì)量下降。進(jìn)入PCB制版階段，需將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)送給制版廠家，廠家在制版過(guò)程中需嚴(yán)格控制蝕刻深度、阻焊層厚度等工藝參數(shù)，確保電路板的質(zhì)量。接著是SMT焊接，即將元器件精確貼片到電路板上，并通過(guò)精確控制的焊接溫度、時(shí)間和壓力等參數(shù)進(jìn)行焊接，這一過(guò)程對(duì)焊接質(zhì)量和元器件的可靠性至關(guān)重要。然而，在追求高質(zhì)量產(chǎn)品的同時(shí)，也不能忽視對(duì)環(huán)境的影響。制版過(guò)程中產(chǎn)生的化學(xué)廢液和SMT焊接過(guò)程中釋放的煙塵都含有有害物質(zhì)，若處理不當(dāng)，將對(duì)環(huán)境和操作人員構(gòu)成威脅。因此，必須采取嚴(yán)格的環(huán)保措施，如控制化學(xué)藥品使用量、妥善處理廢液和煙塵收集處理等，以減少對(duì)環(huán)境的污染。最后，系統(tǒng)調(diào)試階段是對(duì)整個(gè)加工過(guò)程質(zhì)量的全面檢驗(yàn)。通過(guò)硬件和軟件調(diào)試，測(cè)試電路的性能指標(biāo)，確保系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)試的充分性直接影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量，任何潛在的故障都可能在這一階段被發(fā)現(xiàn)并修復(fù)。綜上所述，電子儀器加工過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的系統(tǒng)工程，需要嚴(yán)格控制每一個(gè)環(huán)節(jié)的工藝流程和工藝參數(shù)，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。同時(shí)，也要注重環(huán)保，采取必要的措施減少對(duì)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。只有這樣，才能生產(chǎn)出既滿足市場(chǎng)需求又符合環(huán)保要求的高質(zhì)量電子儀器產(chǎn)品。

上圖Proteus仿真和Word文檔3個(gè)文件下載:

多路浮地測(cè)量.zip (1.73 MB, 下載次數(shù): 0)
單片機(jī)程序: 無(wú)
原理圖: 無(wú)
資料僅供參考.

帳號(hào)		自動(dòng)登錄	找回密碼
密碼			立即注冊(cè)

多路浮地測(cè)量 Multisim Proteus仿真

評(píng)分