SUMNo.52No.12000
成 都 气 象 学 院 学 报
JOURNALOFCHENGDUINSTITUTEOFMETEOROLOGY
Vol.15No.1Mar.2000
文章编号:100125418(2000)0120093207
便携式气压计的电路与系统设计
林琳,(成都气象学院,摘要
:,重点对气,线性很好,完全符合设计要求。
:;双积分A D转换器;大气压力:99:B
1 气压计是利用压敏元件将待测气压直接变换为容易检测、传输的电流或电压。压力传感器
在3个方面有着十分广阔的应用前景:监视压力大小;控制压力变化;物理参量的测量。
图1为气压计的原理框图。
被测气压由压力传感器变换为电压信号,经数据放大器放大到设定电平,由A D转换器转换成数字信号,这样液晶显示器就可以显示
出与气压成线性关系的电压读数。
要设计的气压计具有如下的性能指标:压力范围:0～1个标准大气压(气压为0时,显示为000,气压为1标准大气压时,显示为1013);测量精度:±0.5%FS(20℃);线性
图1 气压计的原理框图
度:≤0.5%;
媒体:空气及非腐蚀气体;显示:
31 2位LCD;电源:±9V干电池。
2 单元电路工作原理
下面将逐一介绍图1各部分单元电路的选择及其工作原理。2.1 压力传感器2.1.1 压力传感器的选择
压力传感器在气压计中占据重要位置,怎样选择一个符合设计要求的压力传感器是设计者要解决的首要问题。依据设计指标,并考虑到性能价格比,我们选择具有如下性能指标的传感器。
收稿日期:1998209222;修订日期:1999209202
94成 都 气 象 学 院 学 报 第15
卷
气压范围:0～1050mb;全量程输出:100±25mv;零失调:±2mV;线性和滞后:±0.1%
～70℃失调):±0.5%FS;电桥电阻:4K8;长期稳定性:±0.1%FS;封装:FS;温度效应(0℃
TO28;激励:1.5mA。
2.1.2 压力传感器的温度补偿
对于压力传感器来说温度效应造成的误差有两个方面:一是失调,因此,用户常采用两种技术来进行温度补偿。
(1)无源补偿
无源补偿电路如图2所示。R10,1a应被短路,当V0>0时,R1b应被短路。R2,R3能够对压力灵敏度有一定的补偿作用,(2)。该技术的特点是根,而不是用传感器的信号来
控制运算放大器。它的优点在于:既能工作于恒流源,又能工作于恒压源。图3为有源补偿的基本调零电路
。
图2 无源补偿 图3 有源补偿的调零电路
2.2 基准源2.2.1 基准源的选定
激励通用型压力传感器的基准源通常有两种可供选择:
恒压源特点:低输出阻抗;在较大的电流变化范围内能提供恒定电压。恒流源特点:高输出阻抗;在较大的电压变化范围内能提供恒定电流。
给传感器提供何种激励主要由它的跨度系数的温度补偿技术决定。传感器的跨度系数定义为:
S=GF×Vb×Psi
S=Span(跨度系数); GF=GageFactor(测量因子);
Vb=BridgeVoltage(电桥电压); Psi=AppliedPressure(承受压力)。
当Vb的TC(TempretureCofficient温度系数)值等于GF的TC值,跨度系数就得到补偿;
第1期 林琳等:便携式气压计的电路与系统设计95
当Vb的TC值大于GF的TC值,传感器的激励就可以任意选择;但当Vb的TC值小于GF的TC值时,传感器的激励就必须选择带有热敏元件的恒压源或恒流源。
对温度较为敏感且需要温度补偿的传感器,采取恒流源激励比用恒压源激励要好。在某些极限温度的测量环境中,提供一个较大的温度梯度,因此,本设计采用恒流源供电。
2.2.2 恒流源电路的设计
,4所示。由电路知,
为保证恒流的稳定性,,再采用精密低温度R1
系数的电阻R1,,R2为限流保护电阻。Ib=
4K的传感器提供一个1.5mA的激励电流,工作电压VS
=VZ=2V,则
=
1.5mA
=
=1.3K8
1.5mA
RLmin>R2>
对于限流保护R2的取值应满足 需求。
2.3
数据放大器
RLmax
RLmin×IZmin+VZRLmax×IZmax+VZ假设VS的变化范围为7.5～10V,可求得0.32K
非电量经传感器转换成电量后,信号微弱,要用数据放大器放大。考虑到性能价格比,在设计中采用双运放组成的数据放大器。
数据放大电路如图5所示。假设电路中R1
=R2=R,R3=R4=R0,A1与A2完全匹配,利用叠加原理,可写出
ΜΜΜ01=I1-I2
R1 RGRG
(1+)ΜΜΜΜ0=I2-01-I1
R3 RGR3RG
图4 恒流源电路 图5 数据放大电路
96成 都 气 象 学 院 学 报 第15卷
=
),增益调节电阻RG接在运放A
1、==2(1+A2的反相端之间,它(ΜΜΜRGI1-I2)IN
不影响电路的对称性(共模抑制特性)但可灵活地调节闭环差模电压增益。假设A1、A2本身的KCMR均为∞,分析计算该电路的KCNR,可列出: A
vf
)==(
ΜΜ[(R4+R3) R3R3]Iceoc ΜΜΜoc=Ic-oc1
KCMR=
R3
R3
Μoc1=
ΜIc
R1
]1R3
(1±∆1),(1+∆2),代入式(1)得=
R2RR3R)M=(1+
R±∆1 ∆2
(∆1+∆2)因∆1、∆2ν1,考虑偏差的最坏组合得KCMR≈Avf
KCMR=[(R4+3[1- (1)
在实际电路中,A1与A2的KCMR并不可能完全匹配,并考虑R1～R4失配时,KCMR会有所
降低,实际应用中可用一略小于R0的精密电阻串上一个较小精密可调电阻RW取代R1,调节RW抵消偏差,达到提高KCMR的目的。
取R2=R3=R4=100k,用41k,57k与一只5k可调电位器取代R1,两个运放都选用高精度,微功耗,低失调电压,低温漂的运算放大器OP220。
对该数据放大器进行定量计算,当RG=11K时
)=2(1+)=20.2 AV=2(1+RG11
(∆1+∆2)]=20.2 (0.1◊+0.1◊)=88db KCMR=AV[1
由于OP220是低失调,低温漂的运放,所以双运放组成的数放电路是一个性能相当好的数放电路,完全符合设计需要。2.4 显示电路
将放大器放大后的模拟信号送入ADC,进行A D转换后变成数字信号可直接送入微机进行处理,也可直接驱动显示装置。
双ADC有以下几种类型:并联比较,计数斜坡,跟踪式,逐次逼近式,单积分式,双积分式。
积分式
ADC在所有类型中,转换速度最低,但具有高灵敏度和高抗串模干扰能力。因此在转换速度低于10次 秒的情况下,双积分ADC被广泛地采用。
本设计将选用转换精度高、抗干扰能力强并能直接驱动31 2位LCD的双积分ADC2ICL7106作为所设计电路的A D转换器。用ICL7106组装的数字式仪表,与传统的指针式仪表相比,具有体积小、重量轻、速度快、精度高、使用方便和直观等优点。
在使用ICL7106组装仪表时,其整机线路可分为两个部分,第一部分将被测的参数转换为适合于ICL7106的电压信号,第二部分将模拟电压信号转换为数字信号,送入31 2LCD显示读数。第一部分的电路设计在前面的单元电路中已经讲过。第二部分电路是ICL7106、液晶显示器和若干无源元件之间的连接电路,其结构是相同的,图6详细地给出了第二部分电路。
第1期 林琳等:便携式气压计的电路与系统设计97
图6 模拟电压信号转换为数字信号电路
该电路元件参数的计算和选取:
R1,C1组成RC振荡器。采样时间为每秒3次,取R1=100K8,C1=100PF,主振频率 fOSC=0.45 R1C1=45KHz
R2、R3为基准电压偏置电阻,调节R2,使VREF=
2
,V0为ICL7106的满量程刻度电压。C2
为基准电容,取C2=0.1ΛF,C4、C5、R5为积分回路外接元件。 V0=200mv时,C4=0.47ΛF,C5=0.22ΛF,R5=47k8 V0=2V时,C4=0.047ΛF,C5=0.22ΛF,R5=470k8
R4、C3为输入滤波回路,取R4=1M8,C3=0.01Λ,这样安排既可以滤去输入的噪声和干
扰,又能在输入过载的情况下保护输入端不被击穿。
3 系统电路设计
为满足整个系统设计要求,达到设计指标
,将前面所设计的单元电路元件加以适当的调整,然后与图5组联起来,就可以实现图1便携式气压计的原理框图。
由于该电路为气压计而设计,所以该系统的显示用毫巴来标定(1atm=1013mb)。调节R9
使得ADC的VREF=1.0V,满刻度输入量程为2V。当1个标准大气压加在压力传感器上时,可以调节调节放大器增益的电阻RG,使得传感器的输出量经放大器后输入ILC7106的电压为1.013V。
×1000(mb)VREF
受ICL7106驱动的LCD的读数=
1mb的气压变量对应于海拔高度变量为8.23米,根据该压力计的显示,可以查表得到海
拔高度。再由海拔高度变量与时间变量比值就可以得到上升速率。
整个系统电路中有3个运算放大器和3个可调电阻。A1(OP207)、Z和R2构成恒流源;A
2
98成 都 气 象 学 院 学 报 第15卷
(OP220),A3(OP220)、2位LCD和若干无R01～R04以及RG组成数据放大器;ICL7106和31
源元件组成显示电路。
又因该电路为便携式仪表而设计,我们选用干电池供电,所以整个系统的激励源为9V
干电池,为双电源器件供给电源。
4 调试
4.1 静态调试—(1)调试恒流源,断开电池,7.5～10V,测量
稳压管及R22,。
(2)5R4使得ICL7106的VREF=1V,保证ICL7106的满刻度,因未加压力的传感器的输出为零,则经放大电路放大送入ICL的输入电压和LCD的读数显示也应为零,若不为零则应调节图4中R1,使之为零,然后锁定R1。
4.2 动态调试——改变在传感器上施加的压力进行调试
(1)将1标准大气压加在传感器上,调节图5中RG,使加在ICL7106输入端的传感器输出电压放大值为1.013V,同时,LCD的读数显示为1013。
(2)、(3)步同静态调试的(
1)、(2)步。
(4)因手中无大气压力传感器,故用可变电阻代替实际的的压力传感器作了模拟试验,改
变桥阻,测出输出电压、ICL7106的输入电压、LCD的读数显示,表1为记录值。根据所记录的桥阻Rb值和LCD的读数,可绘出Rb-LCD曲线,如图7所示。
图7 Rb—LCD曲线
第1期 林琳等:便携式气压计的电路与系统设计99
图7知,该系统具有较高的检测精度。若把江苏雷声电子设备厂研制的大气压力变送器(精度0.2%～0.5%;满程输出0～10v;使用温度范围-25～80℃;气压范围0～1050mb)用于本系统就构成一个可供实用的手提式气压计。
表1 动态调试记录值
项目
Rb(8)Vb(mV)
1491500000
24920.55108109
[1**********]18
44931.[1**********]206.5.761
940869869
.545977978
11496646.910121013
(mV)
读数()
V
IN
[1] Sensor:SelectionandApplication,byDuaneTandeske.[2] 中国集成电路大全CMOS集成电路[M].北京:国防工业出版社,1985.
[3] 世界最新集成运算放大器互换手册——日、美、西德、荷兰、法和中国型号及其互换[Z].
长沙:中南工业大学出版社,1987:7.[4] 许兴在.传感器近代应用技术.上海:同济大学出版社.1985.
[5] 潘思省.单片31 2位A D转换器——CH7106[J].电子技术,1984,(3).[6] 张凤言.电子电路基础[M].北京高等教育出版社,1995:5.
Designofaportablebarometer
LINLin, CHENJin2ling
(ChengduInstituteofMeteorology,Chengdu610041,China)
Abstract:Thetemperature2compensationtechniquesaboutpressuresensor,theprinciplesoftheconstant2currentsourceandthedata2amplifierarebrieflyillustrated.Theselectionoftheconstantsourceandthedata2amplifierissummarized.Thebarometer’ssystemcircuitisdesigned,fixedanddebugged.Andtheresultsshowthatthiscircuitpossessesthegoodenoughlinearityuptothedesignrequirement.
Keywords:pressuresensor;operationalamplifier;dual2slopeA Dconverter;atmospherepressure
SUMNo.52No.12000
成 都 气 象 学 院 学 报
JOURNALOFCHENGDUINSTITUTEOFMETEOROLOGY
Vol.15No.1Mar.2000
文章编号:100125418(2000)0120093207
便携式气压计的电路与系统设计
林琳,(成都气象学院,摘要
:,重点对气,线性很好,完全符合设计要求。
:;双积分A D转换器;大气压力:99:B
1 气压计是利用压敏元件将待测气压直接变换为容易检测、传输的电流或电压。压力传感器
在3个方面有着十分广阔的应用前景:监视压力大小;控制压力变化;物理参量的测量。
图1为气压计的原理框图。
被测气压由压力传感器变换为电压信号,经数据放大器放大到设定电平,由A D转换器转换成数字信号,这样液晶显示器就可以显示
出与气压成线性关系的电压读数。
要设计的气压计具有如下的性能指标:压力范围:0～1个标准大气压(气压为0时,显示为000,气压为1标准大气压时,显示为1013);测量精度:±0.5%FS(20℃);线性
图1 气压计的原理框图
度:≤0.5%;
媒体:空气及非腐蚀气体;显示:
31 2位LCD;电源:±9V干电池。
2 单元电路工作原理
下面将逐一介绍图1各部分单元电路的选择及其工作原理。2.1 压力传感器2.1.1 压力传感器的选择
压力传感器在气压计中占据重要位置,怎样选择一个符合设计要求的压力传感器是设计者要解决的首要问题。依据设计指标,并考虑到性能价格比,我们选择具有如下性能指标的传感器。
收稿日期:1998209222;修订日期:1999209202
94成 都 气 象 学 院 学 报 第15
卷
气压范围:0～1050mb;全量程输出:100±25mv;零失调:±2mV;线性和滞后:±0.1%
～70℃失调):±0.5%FS;电桥电阻:4K8;长期稳定性:±0.1%FS;封装:FS;温度效应(0℃
TO28;激励:1.5mA。
2.1.2 压力传感器的温度补偿
对于压力传感器来说温度效应造成的误差有两个方面:一是失调,因此,用户常采用两种技术来进行温度补偿。
(1)无源补偿
无源补偿电路如图2所示。R10,1a应被短路,当V0>0时,R1b应被短路。R2,R3能够对压力灵敏度有一定的补偿作用,(2)。该技术的特点是根,而不是用传感器的信号来
控制运算放大器。它的优点在于:既能工作于恒流源,又能工作于恒压源。图3为有源补偿的基本调零电路
。
图2 无源补偿 图3 有源补偿的调零电路
2.2 基准源2.2.1 基准源的选定
激励通用型压力传感器的基准源通常有两种可供选择:
恒压源特点:低输出阻抗;在较大的电流变化范围内能提供恒定电压。恒流源特点:高输出阻抗;在较大的电压变化范围内能提供恒定电流。
给传感器提供何种激励主要由它的跨度系数的温度补偿技术决定。传感器的跨度系数定义为:
S=GF×Vb×Psi
S=Span(跨度系数); GF=GageFactor(测量因子);
Vb=BridgeVoltage(电桥电压); Psi=AppliedPressure(承受压力)。
当Vb的TC(TempretureCofficient温度系数)值等于GF的TC值,跨度系数就得到补偿;
第1期 林琳等:便携式气压计的电路与系统设计95
当Vb的TC值大于GF的TC值,传感器的激励就可以任意选择;但当Vb的TC值小于GF的TC值时,传感器的激励就必须选择带有热敏元件的恒压源或恒流源。
对温度较为敏感且需要温度补偿的传感器,采取恒流源激励比用恒压源激励要好。在某些极限温度的测量环境中,提供一个较大的温度梯度,因此,本设计采用恒流源供电。
2.2.2 恒流源电路的设计
,4所示。由电路知,
为保证恒流的稳定性,,再采用精密低温度R1
系数的电阻R1,,R2为限流保护电阻。Ib=
4K的传感器提供一个1.5mA的激励电流,工作电压VS
=VZ=2V,则
=
1.5mA
=
=1.3K8
1.5mA
RLmin>R2>
对于限流保护R2的取值应满足 需求。
2.3
数据放大器
RLmax
RLmin×IZmin+VZRLmax×IZmax+VZ假设VS的变化范围为7.5～10V,可求得0.32K
非电量经传感器转换成电量后,信号微弱,要用数据放大器放大。考虑到性能价格比,在设计中采用双运放组成的数据放大器。
数据放大电路如图5所示。假设电路中R1
=R2=R,R3=R4=R0,A1与A2完全匹配,利用叠加原理,可写出
ΜΜΜ01=I1-I2
R1 RGRG
(1+)ΜΜΜΜ0=I2-01-I1
R3 RGR3RG
图4 恒流源电路 图5 数据放大电路
96成 都 气 象 学 院 学 报 第15卷
=
),增益调节电阻RG接在运放A
1、==2(1+A2的反相端之间,它(ΜΜΜRGI1-I2)IN
不影响电路的对称性(共模抑制特性)但可灵活地调节闭环差模电压增益。假设A1、A2本身的KCMR均为∞,分析计算该电路的KCNR,可列出: A
vf
)==(
ΜΜ[(R4+R3) R3R3]Iceoc ΜΜΜoc=Ic-oc1
KCMR=
R3
R3
Μoc1=
ΜIc
R1
]1R3
(1±∆1),(1+∆2),代入式(1)得=
R2RR3R)M=(1+
R±∆1 ∆2
(∆1+∆2)因∆1、∆2ν1,考虑偏差的最坏组合得KCMR≈Avf
KCMR=[(R4+3[1- (1)
在实际电路中,A1与A2的KCMR并不可能完全匹配,并考虑R1～R4失配时,KCMR会有所
降低,实际应用中可用一略小于R0的精密电阻串上一个较小精密可调电阻RW取代R1,调节RW抵消偏差,达到提高KCMR的目的。
取R2=R3=R4=100k,用41k,57k与一只5k可调电位器取代R1,两个运放都选用高精度,微功耗,低失调电压,低温漂的运算放大器OP220。
对该数据放大器进行定量计算,当RG=11K时
)=2(1+)=20.2 AV=2(1+RG11
(∆1+∆2)]=20.2 (0.1◊+0.1◊)=88db KCMR=AV[1
由于OP220是低失调,低温漂的运放,所以双运放组成的数放电路是一个性能相当好的数放电路,完全符合设计需要。2.4 显示电路
将放大器放大后的模拟信号送入ADC,进行A D转换后变成数字信号可直接送入微机进行处理,也可直接驱动显示装置。
双ADC有以下几种类型:并联比较,计数斜坡,跟踪式,逐次逼近式,单积分式,双积分式。
积分式
ADC在所有类型中,转换速度最低,但具有高灵敏度和高抗串模干扰能力。因此在转换速度低于10次 秒的情况下,双积分ADC被广泛地采用。
本设计将选用转换精度高、抗干扰能力强并能直接驱动31 2位LCD的双积分ADC2ICL7106作为所设计电路的A D转换器。用ICL7106组装的数字式仪表,与传统的指针式仪表相比,具有体积小、重量轻、速度快、精度高、使用方便和直观等优点。
在使用ICL7106组装仪表时,其整机线路可分为两个部分,第一部分将被测的参数转换为适合于ICL7106的电压信号,第二部分将模拟电压信号转换为数字信号,送入31 2LCD显示读数。第一部分的电路设计在前面的单元电路中已经讲过。第二部分电路是ICL7106、液晶显示器和若干无源元件之间的连接电路,其结构是相同的,图6详细地给出了第二部分电路。
第1期 林琳等:便携式气压计的电路与系统设计97
图6 模拟电压信号转换为数字信号电路
该电路元件参数的计算和选取:
R1,C1组成RC振荡器。采样时间为每秒3次,取R1=100K8,C1=100PF,主振频率 fOSC=0.45 R1C1=45KHz
R2、R3为基准电压偏置电阻,调节R2,使VREF=
2
,V0为ICL7106的满量程刻度电压。C2
为基准电容,取C2=0.1ΛF,C4、C5、R5为积分回路外接元件。 V0=200mv时,C4=0.47ΛF,C5=0.22ΛF,R5=47k8 V0=2V时,C4=0.047ΛF,C5=0.22ΛF,R5=470k8
R4、C3为输入滤波回路,取R4=1M8,C3=0.01Λ,这样安排既可以滤去输入的噪声和干
扰,又能在输入过载的情况下保护输入端不被击穿。
3 系统电路设计
为满足整个系统设计要求,达到设计指标
,将前面所设计的单元电路元件加以适当的调整,然后与图5组联起来,就可以实现图1便携式气压计的原理框图。
由于该电路为气压计而设计,所以该系统的显示用毫巴来标定(1atm=1013mb)。调节R9
使得ADC的VREF=1.0V,满刻度输入量程为2V。当1个标准大气压加在压力传感器上时,可以调节调节放大器增益的电阻RG,使得传感器的输出量经放大器后输入ILC7106的电压为1.013V。
×1000(mb)VREF
受ICL7106驱动的LCD的读数=
1mb的气压变量对应于海拔高度变量为8.23米,根据该压力计的显示,可以查表得到海
拔高度。再由海拔高度变量与时间变量比值就可以得到上升速率。
整个系统电路中有3个运算放大器和3个可调电阻。A1(OP207)、Z和R2构成恒流源;A
2
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(OP220),A3(OP220)、2位LCD和若干无R01～R04以及RG组成数据放大器;ICL7106和31
源元件组成显示电路。
又因该电路为便携式仪表而设计,我们选用干电池供电,所以整个系统的激励源为9V
干电池,为双电源器件供给电源。
4 调试
4.1 静态调试—(1)调试恒流源,断开电池,7.5～10V,测量
稳压管及R22,。
(2)5R4使得ICL7106的VREF=1V,保证ICL7106的满刻度,因未加压力的传感器的输出为零,则经放大电路放大送入ICL的输入电压和LCD的读数显示也应为零,若不为零则应调节图4中R1,使之为零,然后锁定R1。
4.2 动态调试——改变在传感器上施加的压力进行调试
(1)将1标准大气压加在传感器上,调节图5中RG,使加在ICL7106输入端的传感器输出电压放大值为1.013V,同时,LCD的读数显示为1013。
(2)、(3)步同静态调试的(
1)、(2)步。
(4)因手中无大气压力传感器,故用可变电阻代替实际的的压力传感器作了模拟试验,改
变桥阻,测出输出电压、ICL7106的输入电压、LCD的读数显示,表1为记录值。根据所记录的桥阻Rb值和LCD的读数,可绘出Rb-LCD曲线,如图7所示。
图7 Rb—LCD曲线
第1期 林琳等:便携式气压计的电路与系统设计99
图7知,该系统具有较高的检测精度。若把江苏雷声电子设备厂研制的大气压力变送器(精度0.2%～0.5%;满程输出0～10v;使用温度范围-25～80℃;气压范围0～1050mb)用于本系统就构成一个可供实用的手提式气压计。
表1 动态调试记录值
项目
Rb(8)Vb(mV)
1491500000
24920.55108109
[1**********]18
44931.[1**********]206.5.761
940869869
.545977978
11496646.910121013
(mV)
读数()
V
IN
[1] Sensor:SelectionandApplication,byDuaneTandeske.[2] 中国集成电路大全CMOS集成电路[M].北京:国防工业出版社,1985.
[3] 世界最新集成运算放大器互换手册——日、美、西德、荷兰、法和中国型号及其互换[Z].
长沙:中南工业大学出版社,1987:7.[4] 许兴在.传感器近代应用技术.上海:同济大学出版社.1985.
[5] 潘思省.单片31 2位A D转换器——CH7106[J].电子技术,1984,(3).[6] 张凤言.电子电路基础[M].北京高等教育出版社,1995:5.
Designofaportablebarometer
LINLin, CHENJin2ling
(ChengduInstituteofMeteorology,Chengdu610041,China)
Abstract:Thetemperature2compensationtechniquesaboutpressuresensor,theprinciplesoftheconstant2currentsourceandthedata2amplifierarebrieflyillustrated.Theselectionoftheconstantsourceandthedata2amplifierissummarized.Thebarometer’ssystemcircuitisdesigned,fixedanddebugged.Andtheresultsshowthatthiscircuitpossessesthegoodenoughlinearityuptothedesignrequirement.
Keywords:pressuresensor;operationalamplifier;dual2slopeA Dconverter;atmospherepressure