多路浮地測量 Multisim Proteus仿真

ID:1136117 · 發(fā)表于 2024-11-12 14:44

一、技能訓練目的1. 針對 10~100mV 和 4~20mA 的 2 路（至少各 1 路，可擴展為更多路）浮地測量信號，設(shè)計信號調(diào)理電路（放大、濾波等）實現(xiàn)測量精度為 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. 掌握單片機工作原理并使用 STC12C5A60S2 單片機；4. 掌握儀用放大電路的應(yīng)用，能針對接口輸入規(guī)范的要求、選擇適當?shù)钠骷凸ぞ�，設(shè)計實驗并實現(xiàn)；5. 根據(jù)原理圖進行電路焊接調(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. 拓展單片機系統(tǒng)，實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)及信號測量；8. 掌握通用板的使用方法以實現(xiàn)電路搭載。

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

三、實驗設(shè)計與實驗結(jié)果（支撐目標2、3、4）

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

方案一采用雙運放放大電路方案，針對10~100mV 和 4~20mA 的 2 路（至少各 1 路，可擴展為更多路）浮地測量信號設(shè)計信號調(diào)理電路，通過合理選擇雙運放型號（如LM358等低成本、高性能元件）、電阻、電容等元件，并精心設(shè)計電路結(jié)構(gòu)（包括放大、濾波等環(huán)節(jié)），能夠?qū)崿F(xiàn)一個既滿足1mV和0.1mA高精度測量要求，又具備強抗干擾能力、良好穩(wěn)定性及易于擴展性的雙路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此方案不僅成本相對較低，而且通過精確的元件選擇和電路設(shè)計，確保了信號的精確放大與測量，同時，雙運放放大電路的設(shè)計也為其提供了足夠的增益帶寬積，以適應(yīng)不同信號的放大需求。此外，該方案對共模干擾和噪聲具有較強的抑制能力，適合用于浮地測量信號，且通過合理的元件選擇和電路設(shè)計，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，在針對此類浮地測量信號的雙路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計中，采用雙運放放大電路方案無疑是一個值得考慮和推薦的優(yōu)秀選擇。

圖 1 雙運放放大電路

方案二采用LM328運算放大器、電阻及二極管等元件構(gòu)建的差分放大電路，在針對10~100mV 和 4~20mA的 2 路（至少各 1 路，可擴展為更多路）浮地測量信號的雙路數(shù)據(jù)采集系中，展現(xiàn)出低成本、高精度測量（達1mV和0.1mA）、強抗干擾能力（有效抑制共模擾）及良好穩(wěn)定性等顯著優(yōu)勢。該電路通過精確的元件選擇與電路設(shè)計，確保了信號的精確放大與測量，同時，LM328的低功耗與高增益特性使其非常適合此類應(yīng)用。然而，該電路也有一些缺點，如為了實現(xiàn)高精度的信號放大和測量，需要對元件的精度進行嚴格控制；電雖然差分放大電路的設(shè)計相對簡單，但調(diào)試過程可能需要一定的專業(yè)知識和經(jīng)驗；LM328運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10~100mV 和 4~20mA 的 2 路（至少各 1 路，可擴展為更多路）浮地測量信號，設(shè)計一個采用三運放放大電路的信號調(diào)理系統(tǒng)以實現(xiàn)1mV和0.1mA的高精度雙路數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)在成本上相對較高但提供了高精度測量、強抗干擾能力和良好的穩(wěn)定性，同時展現(xiàn)出易于擴展至多路信號處理的靈活性。通過精心選擇運算放大器型號和輔助元件，并優(yōu)化電路設(shè)計，該系統(tǒng)能夠確保信號的精確放大與傳輸，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，三運放放大電路也帶來了較高的成本、相對復(fù)雜的電路設(shè)計和調(diào)試過程，以及相對較大的功耗的缺點。

圖 3 三運放放大電路

方案選擇最終經(jīng)過我們小組內(nèi)的討論后選擇了雙運放放大電路，理由在于：雙運放放大電路在提供足夠放大倍數(shù)和穩(wěn)定性的同時，保持了適中的成本和相對較低的復(fù)雜度，其性能足以滿足高精度測量需求，且無需像差分放大電路那樣可能需要額外的隔離措施，也不像三運放放大電路那樣因高成本和復(fù)雜性而可能過于昂貴或不適用于所有場景。雙運放放大電路能夠處理浮地信號，提供較低的噪聲和失真，且易于實現(xiàn)和擴展，因此在成本效益、技術(shù)實現(xiàn)難度和實際應(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放放大電路，但通常足夠滿足大多數(shù)高精度測量應(yīng)用的要求，使得雙運放放大電路成為這一特定應(yīng)用場景下的優(yōu)選方案。通過精心設(shè)計和調(diào)試，雙運放放大電路能夠確保信號的精確放大與傳輸，實現(xiàn)所需的高精度數(shù)據(jù)采集，同時保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2、設(shè)計步驟（需針對被測目標，圖文說明如何設(shè)計實驗及實驗步驟）（支撐目標2）
（1）根據(jù)設(shè)計的總體目標，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）在仿真驗證通過的基礎(chǔ)上，將設(shè)計好的原理圖轉(zhuǎn)化為AD原理圖，并進一步進行PCB的布局與布線設(shè)計。

圖 6 原理圖

圖 7 PCB繪制

（3）SMT 工藝流程學習；完成系統(tǒng)焊接與測試。

圖 8 焊接實物圖

（4）完成系統(tǒng)程序設(shè)計，在現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)上，實現(xiàn)模塊化程序編制，驗證和仿真調(diào)試系統(tǒng)硬件工作狀態(tài)。主程序為：

#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光標位置4
LCD_WriteString("Cur: ");
//LCD1602_Write_Com(0xC0+3);
//LCD_WriteFloat(current); // 假設(shè)已經(jīng)實現(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（包括仿真實驗結(jié)果和實測實驗結(jié)果，并從仿真軟件的局限性角度說明仿真結(jié)果與實測結(jié)果的差別，其中實測實驗結(jié)果需給出照片）（支撐目標2、4）（1）實測結(jié)果

圖 10 實測結(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)果分析通過分析仿真與實物結(jié)果，得到的最終結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)計要求相一致，且該信號調(diào)理電路很好的實現(xiàn)了測量精度為1mV和0.1mA的設(shè)計要求；PCB圖的繪制也達到了原理圖的設(shè)計要求，實測結(jié)果得到了成功的實驗結(jié)果。

四、 解釋技能訓練中，電子儀器加工過程的工藝流程與工藝參數(shù)，對環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量的影響。（考察目標1、5，對產(chǎn)品質(zhì)量的影響支撐目標1、對環(huán)境的影響支撐目標5）在電子儀器加工過程中，嚴格控制從原理圖設(shè)計到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，還對環(huán)境產(chǎn)生重要影響，因此需確保設(shè)計準確性、版圖規(guī)范性、參數(shù)精準控制及調(diào)試充分性，并妥善處理制版殘液和焊接煙塵等環(huán)境問題，以實現(xiàn)高質(zhì)量生產(chǎn)和環(huán)境友好型制造。具體而言，該過程首先始于原理圖設(shè)計，利用專業(yè)軟件如Altium Designer進行電路布局與邏輯驗證，確保電路設(shè)計的正確性和可行性，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，進行精密的布局和布線設(shè)計，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，任何偏差都可能導致電路板質(zhì)量下降。進入PCB制版階段，需將設(shè)計數(shù)據(jù)發(fā)送給制版廠家，廠家在制版過程中需嚴格控制蝕刻深度、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，并通過精確控制的焊接溫度、時間和壓力等參數(shù)進行焊接，這一過程對焊接質(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，也不能忽視對環(huán)境的影響。制版過程中產(chǎn)生的化學廢液和SMT焊接過程中釋放的煙塵都含有有害物質(zhì)，若處理不當，將對環(huán)境和操作人員構(gòu)成威脅。因此，必須采取嚴格的環(huán)保措施，如控制化學藥品使用量、妥善處理廢液和煙塵收集處理等，以減少對環(huán)境的污染。最后，系統(tǒng)調(diào)試階段是對整個加工過程質(zhì)量的全面檢驗。通過硬件和軟件調(diào)試，測試電路的性能指標，確保系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。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，電子儀器加工過程是一個復(fù)雜而精細的系統(tǒng)工程，需要嚴格控制每一個環(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，也要注重環(huán)保，采取必要的措施減少對環(huán)境的影響，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。只有這樣，才能生產(chǎn)出既滿足市場需求又符合環(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個文件下載:

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

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