差分放大光电检测电路的设计

模拟电子线路

课程论文

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  课题名称:差分放大光电检测电路的设计

目录

一、课题背景3

二、设计结果3

三、系统方案设计3

四、电路仿真5

验证设计结果(1)5

验证设计结果(2)12

验证设计结果(3)17

五、系统调试、现象分析与故障诊断21

六、经济性分析21

七、心得体会22

六、参考文献22

摘要:设计一个可调的能够稳定放大光电微小电压的装置。以LM324四运算放大器为核心。通过搭建差分式放大电路,达到了抑制干扰,稳定运行,精准放大的功能。系统在工作中,在模拟光源靠近传感器远近,产生微小电流变化,该电路均能有较好的放大性能,具有丰富的实际应用意义。

关键词:差分放大;光电检测;可调式;运放电路

注释:本次仿真实验基于Proteus
ISIS仿真软件,用运算放大器设计出差分运算放大器,并实现模拟调节光电距离观察电压示数的变化的方式验证了可行性。

  1. 课题背景

在我们的工业生产中,我们常用光电检测装置来在线检测如零件尺寸,产品缺陷,装配定位。其内部所应用到的一个重要元件就是放大器,它是以光电器件为基础,通过对被检测物体的光辐射,经光电检测器接收光辐射并转换为电信号,由输入电路,放大滤波等检测电路提取有用信号,再经模数转换接口输入到计算机进行运行处理。放大电路的精度和线性化的程度以及可测量的范围大大的决定了工业生产的广度和深度,对于实际生产具有至关重要的意义。

二、 设计结果

(1) 输出端可以精准放大输入端微小电压信号1000倍,误差不超过1%

(2)
通过改变滑动变阻器RV2,可以根据后续检测电路的需要小范围改变输出电压,从而达到处理器可以读取的电压范围

(3) 通过改变滑动变阻器RV3,可以调节信号的放大倍数,精度在0.1%

三、系统方案设计

本实验采用LM324手册上推荐的典型高阻抗差动放大电路,该电路的基本关系如下:

原理图电路.png

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该电路的基本关系如下:

设输入电压: Vi=Vi+ - Vi-

则 Vi=[R1/(R1+R2+R3)](Vo1-Vo2)

故第一级差模电压放大倍数(即U1A,U1C总的电压放大倍数)为:

A1=(Vo1-Vo2)/Vi=1+(R2+R3)/R1

第二级的输出电压和放大倍数为:

Vo=(1+R6/R4)[R7/(R5+R7)/Vo2-(R6/R4)Vo1

当R6=R7,R4=R5时,

Vo=R6/R4(Vo2-Vo1)=-R6/R4(Vo1-Vo2)

故第二级的电压倍数为:

A2=-R6/R4

故在R6=R7,R4=R5,R2=R3时,第一级和前后两级总的放大倍数为:

A1=1+2R2/R1

A=A1\*A2=-R6/R3(1+2R2/R1)

电路中R1采用电位器,改变其电阻值可方便地调整放大电路的电压放大倍数。

电路图

原理图电路.png

四、电路仿真

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I、验证设计结果(1)[放大1000倍,精度1%]

下面(1)-(4)图对应光电距离从远到近:

(1):总览及局部细节:

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(2):总览及局部细节:

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(3):总览及局部细节:

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(4):总览及局部细节:

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Ⅱ、验证设计结果(2)[可小范围改变输出电压范围]

下面(1)-(3)图对应光电RV2为0Ω,1KΩ,2KΩ时的输出电压:

  1. 总览及局部细节

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  1. 总览及局部细节

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  1. 总览及局部细节

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Ⅲ、验证设计结果(3)[可以调节放大倍数]

下面(1)-(2)图对应光电RV3为0Ω,1KΩ时的放大倍数:

  1. 总览及细节图

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注:放大倍数约为Av=11.5095/0.00093552=12302.8倍

  1. 总览及细节图

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注:放大倍数约为Av=0.562932/0.000935817=601.5倍

总结:放大倍数的可调范围非常大

五、系统调试、现象分析与故障诊断

实验运行稳定,实验结果正确,实验结果即为理论值结果,因实际应用当中所使用的电阻与理论值结果之间存在一定范围内较小的误差,以及可能在焊接后的实验设备也会给实验造成一定的误差。但此仿真结果正确且能够稳定运行,因此此次实验成功。

六、经济性分析

支出项目 支出(元)
SOP14封装 LM324 0.56*3=1.68
8个0603封装的贴片电阻 约1(电阻无法单独购买,这里估1块钱)
光敏电阻1个 2
PCB板 50(这里采用嘉利创打样)

总计(元):54.68元

(注:我经济性分析全部采购的是淘宝店铺优信电子作为参考,实际购买应该有部分盈余)

七、心得体会

此次实验难度不算很大,但设计以及仿真过程并不容易甚至坎坷。因为是开放性的课题选择设计,因此一开始没有头绪也没有方向。在仔细阅读要求和复习课本后,终于制定出比例运算放大器的实验计划。而在实际仿真过程中也不是一帆风顺,最开始设计出的电路并不能稳定运行,仿真结果和波形图等也出不来,最终还是在网上查阅资料之后更改多次才最终做出并完成报告。此次的大作业也算是对自己的磨练,从不会到做出但失败,再从实验失败到最后成功,告诉自己要踏实做好知识并且不断探求疑惑才能取得成就。

八、参考文献

[1]康华光.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,2004 年 4 月

[2]杨龙麟.电子测量技术.北京:人民邮电出版社 2007 年 7 月

[3] [日] 铃木雅臣.晶体管电路设计.上海:科学出版社 2004年6月

九、资源下载

链接:https://pan.baidu.com/s/1CUykke2Vy7MoBJQLcHjsZA
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