1、20142015學年第3學期傳感器課程設計實習報告 專業班級 姓 名 學 號 報告日期 2015年7月20日 傳感器課程設計暑期實習報告第一部分 變送器電路實驗一：實驗儀器和設備DT9208萬用表一只、5/24V直流電源一臺、萬能電路板一塊、鑷子一只、導線若干、XTR106等芯片、常用電子元器件若干。二：實驗步驟2、了解電阻式傳感器原理、測量轉換線路。把壓力、溫度、流量、液位等物理信號轉換成電阻值變化的傳感器，電阻式傳感器具有結構簡單、輸出精度高、線性和穩定性好的特點。主要包括電阻應變 式傳感器、壓阻式傳感器等。測量轉換線路：橋路電阻（以應變片式壓力傳感器為例）圖 1全橋式應變片測量電路當作用

2、在應變片上的壓力發生變化時，其阻值也隨之發生變化，從而引起輸出電壓的變化，其中R1和R3、R2和R4的阻值變化方向一致（變化方向如上圖所示）。 3、閱讀XTR106芯片廠家英文資料，掌握其工作基本原理。XTR106 是高精度、低漂移、自帶兩路激勵電壓源、可驅動電橋的 4 20 mA兩線制集成單片變送器,，它的最大特點是可以對不平衡電橋的固有非線性進行二次項補償,。它可以使橋路傳感器的非線性大大改善,，改善前后非線性比最大可達 20：1。4、分析圖3電路的工作原理。 圖2 XTR外部電路連接示意圖原理：通過改變電阻的阻值，使橋路產生相應的mV級壓差，橋路的輸出分別連到運放的兩個正輸入端，經運放以

3、后產生V級電壓差。運放的輸出再進入到XTR106芯片進行線性化調整（阻值和輸出電流值之間）之后產生420mA電流輸出。其中橋路需要的5V和運放需要的5.1V供電電壓由XTR106芯片提供，而XTR106芯片需要的24V供電電壓由實驗臺提供。5、利用萬能電路板搭建上述電路，要求分部分搭建，分成電阻橋路部分、差動放大部分、XTR本體部分，要求對前兩部分電路線進行測試，確認符合相關要求時方可接入第三部分電路。在本案例中，我們完成橋路和差動放大部分的搭建后，對橋路和差動放大部分進行了測試。當電橋平衡時：橋路部分：，橋路的兩端分別都有電壓，但橋路輸出為零。差動放大部分：輸入分別對應橋路兩端的電壓值且相等

4、，輸出為零。電橋不平衡時：橋路部分：橋路的輸出不為零，最大時壓差為0.6mV。差動放大部分：對壓差進行放大后產生V級壓差，本案例中，我們的放大倍數為30，實測值和理論值相差不大。6、上述電路沒有考慮零點、量程調整電路，請結合上述電路設計零點、量程調整電路，并實現該功能。零點調整：在橋路里邊，和模擬PT100鉑熱電阻相鄰的位置放置一個滑動變阻器以實現零點調整。零攝氏度時PT100電阻值為100歐姆，則將相鄰的滑動變阻器阻值也設為100歐姆，即可實現零點調整。量程調整：在XTR106芯片的3,4管腳處接一個滑動變阻器進去，當橋路輸出為零時，可以調整此電位器，使得輸出4mA電流；當橋路輸出最大時，調

5、整此電位器，使得最終輸出20mA電流。 7、進行變送器性能測試。進行負載實驗，給出負載范圍，思考遠距離信號傳輸中應注意的問題。由XTR106芯片資料可知，它所能承受的負載范圍計算公式為： 由于實驗室操作，不需要傳送導線，所以其實際計算公式如下： 其中V+是管腳10和地之間的電壓差，本案例中可近似用24V電源電壓代替，經理論計算得出R=825歐姆，而實際電路中得到負載范圍為0830歐姆，理論與實際基本吻合。（以下8-10任選其一）8、考慮如何實現應變片壓力變送器的功能，包括非線性補償問題該如何處理，并實現非線性補償，測試補償前后的變送器特性，要求的量程范圍0-100（克）。9、考慮如何實現Pt1

6、00熱電阻溫度變送器的功能，包括非線性補償問題該如何處理，并實現非線性補償，測試補償前后的變送器特性，要求的量程范圍0-200度。功能的實現：由PT100分度表可知，當零攝氏度時，PT100阻值為100歐姆，當200攝氏度時，阻值為175.86歐姆。所以用1K歐姆變位器模擬PT100溫度傳感器時可以用100歐姆作為零點，175.86歐姆作為溫度上限。實現溫度變送器功能，則要XTR106芯片對應零點時輸出為4mA，溫度上限時輸出為20mA。非線性補償問題：A、PT100電阻值和溫度之間存在非線性，且隨著測溫范圍的增大非線性變得越來越嚴重；B、電橋的電壓和阻值之間也存在非線性問題。鉑熱電阻的非線性

7、和不平衡電橋的非線性都給最后的溫度測量帶來一定的非線性誤差。因此需要通過電路設計實現非線性問題的調整。XTR106芯片則是實現該功能的最佳選擇。由參考資料可知，PT100熱電阻存在正的非線性（如下圖4所示），其中連接于1和11管腳的Rlin是線性化電阻，提供正反饋，使橋路激勵電壓隨著輸入電壓Vin的變化而變化，6和12管腳相連，基準電壓Vref隨著Vin的增大而增大，以補償正的非線性。本實習中將負載電阻設定為300歐姆。 補償后的特性曲線：溫度 020406080電壓11.221.461.992.623.12電壓21.171.432.032.583.11電壓31.181.422.022.593

8、.13平均電壓1.191.442.012.63.12擬合1.07411.58412.09412.60413.1141偏差-0.09590.15410.06410.02410.00411001201401601802003.674.194.695.265.726.033.644.224.715.235.715.983.654.224.735.225.735.993.664.214.715.245.7263.62414.13414.64415.15415.66416.1741-0.0159-0.0859-0.0659-0.0759-0.04590.1941 圖 3 補償后的特性曲線由特性曲線可知，

9、經由XTR106芯片處理后的非線性問題得到了很好地改善。10、用XTR106設計溫度變送器（Cu50），要求量程：050度。三：實驗中出現的問題1. 在完成電路的焊接進行調試的時候，我們發現負載的發熱量比較大，在測試并沒有虛焊和短接的情況下，我們進行原理圖的分析，想起之前焊電路時三極管的焊接存在一些瑕疵，于是懷疑三極管壞了，在向老師要了新的三極管后，最后終于順利的進行了下一步。2. 開始沒有搞清出放大倍數和量程調整電位器之間的關系，所以在輸出電流上下限的調整時出現了一些小問題。經過查找資料，后來找出了它們之間的關系。當設定的溫度量程范圍比較大時，可以適當的減小差動運放放大倍數，當量程范圍比較小

10、時，可以適當增大放大倍數。這樣在選好放大倍數時，再調整量程就會有事半功倍的效果。3. 關于負載的問題，開始也不是理解的很透徹，導致開始測試時不知道負載的大致數值，但在后來的不斷地測量中，發現當負載電阻超過大約800歐姆時所測量的數值與預期的相差很大。最終決定負載的最終取值為0800歐姆。四：實驗總結 通過本次實習，使我的焊接技術有了再一次的提高，因為平時很少接觸這些東西，在最后的焊接還是那個還是有一定的生疏，但是經過了一天的適應后逐步掌握了這個技能。經過對材料的學習和同學的討論最終完成了焊接電路的原理圖。經過本次實習，我更加清楚地了解pt100熱電阻溫度傳感器的工作原理。其次通過這次實習，最大

11、的收獲是學會了解決PT100熱電阻阻值（即溫度）和輸出電流之間的非線性關系，同時了解了如何在電路中添加器件以實現零點和量程的調整。除此之外，還對負載這一名詞有了實質性的了解，知道了變送器所帶負載的計算?？傊?，這次實習不僅鍛煉一個人的思維能力，因為要排版和布局，還鍛煉團隊合作能力，考驗兩個人的配合和默契。實習的過程中，不僅鞏固了所學知識，而且收獲了樂趣，一舉多得。第2部分 Protel DXP原理圖與PCB設計一：內容利用Protel DXP設計“實驗二”的電路原理圖與PCB電路板；二：步驟1、掌握Protel DXP 2004 軟件工作原理；2、了解PCB電路板設計的基本原則、電路板布線原則。

12、3、進行上述電路及補充電路原理圖設計；4、理解并進行元器件封裝設計；5、理解并生成網絡表；6、將網絡表導入PCB文件中，最終形成PCB文件。三：注意事項1、 不管建立什么，像PCB工程、原理圖、自己設計的元件庫、PCB板，首先學會對其進行保存，防止未保存對之后操作產生不必要的影響。而且原理圖、元件庫、PCB板必須建立在同一個PCB工程下。2、 在建原理圖之前需要加載需要用到的元件庫，找到文件夾的放置位置，找到Altium Designer Extra，單擊找到Lib，將其解壓縮到當前文件夾即可。當需要搜索系統元件時，具體操作如下圖所示：3、 在對原理圖進行布線時，注意各個器件之間的距離，防止連

13、接交叉線時本不該相連的兩條線產生節點；原理圖中的相同器件必須命名成不同的名字，否則會在編譯的時候報錯。4、 自己設計元件庫時，注意管腳（顯示名字和標識）的對應關系，而且要把具有非電氣特性端與元件邊框相連，防止在編譯時報錯。5、 完成原理圖連線以后，并且電器規則檢查（編譯）無誤，在產生網絡表之前，要對元器件進行封裝。除了系統自帶的元件其他元件都需要進行封裝6、 在PCB板上布局時注意調整各個器件的排列，讓連線簡單明了，盡量水平或豎直，盡可能的避免兩線相交叉。完成布局和連線后，用粉色電器線連接時，注意不要有間隔。7、 對底層、頂層敷銅時，運用多邊形繪制框圖時要把粉線框起來的PCB板全都框起來。四：

14、實習報告1、 了解PCB電路板設計的基本原則、電路板布線原則； 通過移動、旋轉元器件，將元器件移動到電路板內合適的位置，使電路的布局最合理。（同時注意刪除器件盒）在元件布局時應注意以下幾點：1）先布放關鍵元器件（如單片機、DSP、存儲器等） ，然后按照地址線和數據線的走向布放其他元件。2）高頻元器件引腳引出的導線應盡量短些，以減少對其他元件及其電路的影響。3）模擬電路模塊與數字電路模塊應分開布置，不要混合在一起。4）帶強電的元件與其他元件距離盡量要遠，并布放在調試時不易觸碰的地方。5）電位器、可變電容等元件應布放在便于調試的地方。2、 進行上述電路及補充電路原理圖設計；A、新建一個PCB工程

15、B、創建原理圖C、原理圖繪制 XTR106芯片庫設計 D、原理圖電氣規則檢查E、庫原件的查找3、 理解并進行元器件封裝設計（以XTR106芯片為例）；4、 理解并生成網絡表；A、創建PCB B、生成網絡表 、5、 將網絡表導入PCB文件中，最終形成PCB文件。仿真五：實驗中出現的問題1、 生成網絡表之前沒有對運放、二極管、三極管進行封裝，而且也沒有注意封裝的器件的尺寸問題，導致最后生成的PCB文件中三極管的尺寸比滑動變阻器的尺寸還要小（實際中兩個的大小應至少相等）。2、 在PCB板上進行連線時，沒有意識到導線粗細的問題，使得連線之后的導線只有0.245mm，這樣會使生成的板子因為導線太細導致連接不好的問題。3、 在分布各個器件時應注意各個元器件之間的距離和排放順序。因為之前我把各個元器件按位置命名，在排版的過程中比較容易。還要注意兩個相鄰元器件不能距離太近，避免連線的錯誤。六：實驗總結 通過此次實驗，最大的收獲就是學會了Altiun Designer的使用，了解其基本的工作原理和操作步驟，會在軟件里邊搜