基于Multisim的汽車進(jìn)氣壓力傳感器的仿真實(shí)現(xiàn)

張淼 李紀(jì)紅 陳影

摘要：本文介紹了汽車進(jìn)氣壓力傳感器的組成，主要包括壓力轉(zhuǎn)換元件、集成電路兩個(gè)部分，并對電路利用Multisim軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，從而幫助我們更加直觀的理解汽車進(jìn)氣壓力傳感器的組成和功能。

Abstract： This paper introduces the composition of automobile inlet pressure sensor. It mainly comprises the pressure conversion components and integrated circuit. With Multisim software simulating and debugging， it help us more directly to understand the composition and function of automobile inlet pressure sensor.

關(guān)鍵詞：Multisim 壓力轉(zhuǎn)換元件;集成電路;仿真

Key words： Multisim pressure conversion components;integrated circuit;simulation

中圖分類號：S951.4+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）36-0158-03

0? 引言

目前進(jìn)氣壓力傳感器在汽車上應(yīng)用比較廣泛，它的作用是檢測發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量大小，并將進(jìn)氣量信息轉(zhuǎn)換成電信號輸入給電控單元（ECU），從而計(jì)算并確定噴油量。精確測量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量大小至關(guān)重要，它直接關(guān)系到是否能精確計(jì)算出電控單元噴油量。

壓力傳感器按照敏感元件的測量原理可分為電阻應(yīng)變式、壓阻式、電感式和電容式等，目前應(yīng)用較為廣泛的是半導(dǎo)體壓阻式和電容式。本文主要介紹壓敏電阻式進(jìn)氣壓力傳感器的電路，并對該電路利用Multisim軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。

1? 壓敏電阻式進(jìn)氣壓力傳感器

壓阻效應(yīng)是指在應(yīng)力作用后，單晶硅材料的電阻率發(fā)現(xiàn)明顯變化的現(xiàn)象。壓敏電阻式壓力傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的[1]，其優(yōu)勢是檢測精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間快、靈敏度高、易于微型化和集成化且安裝靈活等，在D型電控燃油噴射系統(tǒng)的進(jìn)氣壓力傳感器中具有廣泛的應(yīng)用空間和前景。市場上各類車型的壓敏電阻式進(jìn)氣壓力傳感器繁多，但其結(jié)構(gòu)均大同小異，其組成部分主要包括壓力轉(zhuǎn)換元件和把轉(zhuǎn)換元件輸出信號進(jìn)行放大的混合集成電路，電路如圖1所示。

2? 壓力轉(zhuǎn)換元件

壓力轉(zhuǎn)換元件[1]是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)制成的硅膜片。運(yùn)用集成電路加工技術(shù)和臺面擴(kuò)散技術(shù)在薄膜片表面的圓周上制作4只阻值相等的壓敏電阻，將4只電阻連接成惠斯頓電橋電路，如圖2a、圖2b所示，然后再與信號放大電路等集成電路連接。

硅膜片的一側(cè)導(dǎo)入進(jìn)氣歧管壓力，另一側(cè)是真空室，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，封裝在真空室內(nèi)的硅膜片，由于一側(cè)受進(jìn)氣壓力的作用，另一側(cè)是真空，所以在進(jìn)氣歧管壓力發(fā)生變化時(shí)，硅膜片產(chǎn)生應(yīng)力變形，進(jìn)氣歧管內(nèi)絕對壓力越高，硅膜片的變形越大，其變形量與壓力成正比，附著在薄膜上的應(yīng)變電阻的阻值則產(chǎn)生與其變形量成正比的變化。從而導(dǎo)致惠斯頓電橋上電阻值的平衡被打破，當(dāng)電橋的輸入端輸入一定的電壓時(shí)，在電橋的輸出端就可得到變化的信號電壓。集成電路IC將這一電壓放大處理，作為進(jìn)氣歧管壓力信號送給ECU。ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、進(jìn)氣歧管絕對壓力與進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的空氣流量的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出進(jìn)氣量，從而計(jì)算出基本噴油量。

3? 集成電路

3.1 集成運(yùn)算放大器的組成[2]

集成運(yùn)放內(nèi)部電路一般由四部分組成。

①偏置電路。偏置電路的作用是為上述各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點(diǎn)，一般由各種恒流源電路構(gòu)成。

②中間級。要求電壓放大倍數(shù)高，常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。

③輸出級。輸出級與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。

④輸入級。要求輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號，都采用帶恒流源的差分放大器。

3.2 集成運(yùn)算放大器的圖形符號與特性

3.2.1 集成運(yùn)算放大器的符號

集成運(yùn)放的符號如圖3所示。它有三個(gè)端子，其中兩個(gè)輸入端、一個(gè)輸出端。圖中輸入端的“+”、“-”號表示輸入間的相位關(guān)系。標(biāo)“-”（或用N）的一端為反相輸入端，當(dāng)輸入信號從該端輸入時(shí)，輸出信號與輸入信號的相位相反;標(biāo)“+”（或用P）的一端為同相輸入端，表示以該端輸入信號時(shí)，輸出信號的相位與輸入信號的相位相同;輸出端用uo表示;符號表示傳輸方向，Auo符號表示運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)。

3.2.2 理想運(yùn)放

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，我們在實(shí)際生活中使用的集成運(yùn)算放大器已經(jīng)十分接近理想放大器。因此，在分析集成運(yùn)算放大器時(shí)，一般都是假定其是理想狀態(tài)下的，其理想狀態(tài)下表現(xiàn)出以下特性：

①開環(huán)輸出電阻ro趨于零，即ro→0;②開環(huán)輸入電阻ri趨于無窮大，即ri→∞;③開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo趨于無窮大，即Auo→∞;④共模抑制比KCMRR趨于無窮大，即KCMRR→∞。

雖然集成運(yùn)算放大器不可能具備上述理想特性，但在低頻工作時(shí)它的特性是十分接近理想的。理想集成運(yùn)放的符號如圖4所示。

3.2.3 理想運(yùn)放的電壓傳輸特性

理想的集成運(yùn)放有兩個(gè)工作區(qū)，線性區(qū)和非線性區(qū)，如圖5所示。理想的集成運(yùn)放工作在線性區(qū)得到的兩個(gè)重要結(jié)論，開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo趨于無窮大，可以得到u+≈u-，稱為虛短，開環(huán)輸入電阻ri趨于無窮大，可以得到i+=i-≈0，稱為虛斷。壓敏電阻式進(jìn)氣壓力傳感器就是線性區(qū)的應(yīng)用，利用虛短和虛斷。

3.2.4 減法運(yùn)算電路[3]

5? 結(jié)論

本文主要介紹了汽車進(jìn)氣壓力傳感器的組成，主要包括壓力轉(zhuǎn)換元件、集成電路兩個(gè)部分，并對電路利用Multisim軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，可以幫助大家更加直觀的理解汽車進(jìn)氣壓力傳感器的組成以及功能。

參考文獻(xiàn)：

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