基于Multisim的汽車進氣壓力傳感器的仿真實現(xiàn)

張淼 李紀紅 陳影

摘要：本文介紹了汽車進氣壓力傳感器的組成，主要包括壓力轉換元件、集成電路兩個部分，并對電路利用Multisim軟件進行仿真調試，從而幫助我們更加直觀的理解汽車進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.

關鍵詞：Multisim 壓力轉換元件;集成電路;仿真

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

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

0? 引言

目前進氣壓力傳感器在汽車上應用比較廣泛，它的作用是檢測發(fā)動機進氣量大小，并將進氣量信息轉換成電信號輸入給電控單元（ECU），從而計算并確定噴油量。精確測量進入發(fā)動機的空氣量大小至關重要，它直接關系到是否能精確計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變式、壓阻式、電感式和電容式等，目前應用較為廣泛的是半導體壓阻式和電容式。本文主要介紹壓敏電阻式進氣壓力傳感器的電路，并對該電路利用Multisim軟件進行仿真調試。

1? 壓敏電阻式進氣壓力傳感器

壓阻效應是指在應力作用后，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和微電子技術制成的[1]，其優(yōu)勢是檢測精度高、動態(tài)響應時間快、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)的進氣壓力傳感器中具有廣泛的應用空間和前景。市場上各類車型的壓敏電阻式進氣壓力傳感器繁多，但其結構均大同小異，其組成部分主要包括壓力轉換元件和把轉換元件輸出信號進行放大的混合集成電路，電路如圖1所示。

2? 壓力轉換元件

壓力轉換元件[1]是利用半導體的壓阻效應制成的硅膜片。運用集成電路加工技術和臺面擴散技術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。

硅膜片的一側導入進氣歧管壓力，另一側是真空室，當發(fā)動機工作時，封裝在真空室內的硅膜片，由于一側受進氣壓力的作用，另一側是真空，所以在進氣歧管壓力發(fā)生變化時，硅膜片產生應力變形，進氣歧管內絕對壓力越高，硅膜片的變形越大，其變形量與壓力成正比，附著在薄膜上的應變電阻的阻值則產生與其變形量成正比的變化。從而導致惠斯頓電橋上電阻值的平衡被打破，當電橋的輸入端輸入一定的電壓時，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，作為進氣歧管壓力信號送給ECU。ECU根據發(fā)動機轉速、節(jié)氣門開度、進氣歧管絕對壓力與進入發(fā)動機氣缸的空氣流量的對應關系，計算出進氣量，從而計算出基本噴油量。

3? 集成電路

3.1 集成運算放大器的組成[2]

集成運放內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，一般由各種恒流源電路構成。

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)射極放大電路構成。

③輸出級。輸出級與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構成。

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

3.2 集成運算放大器的圖形符號與特性

3.2.1 集成運算放大器的符號

集成運放的符號如圖3所示。它有三個端子，其中兩個輸入端、一個輸出端。圖中輸入端的“+”、“-”號表示輸入間的相位關系。標“-”（或用N）的一端為反相輸入端，當輸入信號從該端輸入時，輸出信號與輸入信號的相位相反;標“+”（或用P）的一端為同相輸入端，表示以該端輸入信號時，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符號表示運算放大器的放大倍數(shù)。

3.2.2 理想運放

隨著電子技術的高速發(fā)展，我們在實際生活中使用的集成運算放大器已經十分接近理想放大器。因此，在分析集成運算放大器時，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→∞。

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

3.2.3 理想運放的電壓傳輸特性

理想的集成運放有兩個工作區(qū)，線性區(qū)和非線性區(qū)，如圖5所示。理想的集成運放工作在線性區(qū)得到的兩個重要結論，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。壓敏電阻式進氣壓力傳感器就是線性區(qū)的應用，利用虛短和虛斷。

3.2.4 減法運算電路[3]

5? 結論

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

參考文獻：

[1]姜楠.車用進氣壓力傳感器的原理及應用[J].輕型汽車技術，2013（10）.

[2]康華光.電子技術基礎模擬部分[M].北京：高等教育出版社，2014.

[3]閻石.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2008.

[4]秦曾煌.電工學（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5]周愛華.Multisim10在電工電子設計性實驗中的應用[J].重慶電子工程職業(yè)學院學報，2010，3（19）.