【導(dǎo)讀】立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含。對(duì)本文的研究作出重要貢。獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人。后遵守此規(guī)定）。體積小、可靠性高、靈敏度高等優(yōu)異性能，因而它在動(dòng)態(tài)測(cè)試中有著廣泛的應(yīng)用。荷放大器就是壓電傳感器后續(xù)測(cè)量電路中必不可少的一環(huán)，電荷放大級(jí)是其核心部件，正比于該電荷量的電壓量。其中一些模塊的傳遞函數(shù)。片OPA340與OPA301組成的電荷放大級(jí)的不同高頻響應(yīng)表現(xiàn)。在，并在數(shù)學(xué)軟件Mathcad下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。5）初步分析研究了電荷放大級(jí)的低頻響應(yīng)。的相應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析進(jìn)行了對(duì)比分析與討論。

　　

【正文】 器的工作原理，從多個(gè)角度對(duì)他們進(jìn)行比較 ， 首先來(lái) 介紹 分析 下 二階RC 無(wú)源低通濾波器 。其 電路如圖 所示。 圖 二階 RC 無(wú)源低通濾波器的電路原理圖 我們依據(jù)電路定律對(duì)該電路進(jìn)行分析 ， 各支路的電流分別為 1i ， 2i ， 3i ， 4i ，根據(jù)電路 KCL、 KVL原理可得到下列方程組： 0 2 2 1 1 iV i R i R V? ? ? 1 2 3i i i?? 24ii? 4 2 0i sCV? 3111 iiiR VsC?? () 根據(jù)上面的方程組，可得出電路的傳遞函數(shù)為 02 1 2 1 2 1 1 2 2 1 2() 1() ( ) ( ) 1iVsAs V s s R R C C s R C R C R C?? ? ? ? ? () 式中 s jw? ，從 上 式可看出二階 RC 無(wú)源低通濾波電路的傳遞函數(shù)是 會(huì)受到電路參數(shù)和信號(hào)頻率影響決定的 [34]。為了更精確地說(shuō)明傳遞函數(shù)和這兩個(gè)影響因素的具體關(guān)系， 本文特地令傳遞函數(shù)的表達(dá)式與機(jī)械二階系統(tǒng)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)他們二者的共同之處在于其表達(dá)式 中包括的頻率特征方程與我們常用到的描述二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)方程22 2 1 0T s Ts?? ? ?是恰好吻合的。并且 經(jīng)過(guò)比對(duì)分析可以得出該電路的固有角頻率 T 和中北大學(xué)學(xué)位論文 24 阻尼系數(shù) ? 的表達(dá)式如下： 0 1 2 1 211w T R R C C?? 1 1 2 2 1 21 2 1 22R C R C R CR R C C? ??? () 從上述表達(dá)式可得出，二階 RC 無(wú)源低通濾波電路的阻尼系數(shù)是大于 1 的，因此電路只能工作在過(guò)阻尼狀態(tài)。因此鑒于這種情況，我們?cè)诒驹O(shè)計(jì)中沒(méi)有選用這種電路。 下面我們來(lái)分析二階 RC 有源低通濾波器，如圖 220 所示。 圖 二階 RC 有源低通濾波器 根據(jù)電路基本分析原理列出各回路方程： 30 1 11iiV V i R sC? ? ? 2 2 1 1iPV V i R i R? ? ? 1 2 3i i i?? 2 4 2Pi i sCV?? 0 PV KV? () 通過(guò)上述 聯(lián)立 方程組 ， 可 得 出二階 RC 有源低通濾波器 的傳遞函數(shù) 的表達(dá)式如下 ： 02 1 2 1 2 1 1 2 2 1 2 1 1()() ( ) ( ) 1iVs KAs V s s R R C C s R C R C R C K R C?? ? ? ? ? ? () 特別地令 K=1 時(shí)，傳遞函數(shù)為： 0 21 2 1 2 2 2 1 2() 1() ( ) ( ) 1iVsAs V s s R R C C s R C R C?? ? ? ? () 中北大學(xué)學(xué)位論文 25 由 上述 特征方程 也 可 推導(dǎo)出 電路 的 固有角頻率和阻尼因數(shù) 如下： 0 1 2 1 211w T R R C C?? 2 2 1 21 2 1 22R C R CR R C C? ?? () 由上式可知，與 普通的 二階 無(wú)源濾波電路比較，當(dāng)取相等大小的參數(shù)時(shí)，阻尼系數(shù)變小了。所以可以應(yīng)用改變參數(shù)值的手段達(dá)到電路工作在臨阻尼狀態(tài)的目的。當(dāng)系統(tǒng)處在這種臨界狀態(tài)時(shí)， 12??，并且 二階有源濾波電路 的 傳遞函數(shù)為 0 21 2 1 2 2 2 1 2() 1() ( ) ( ) ( ) 1iV jwA jw V jw jw R R C C jw R C R C?? ? ? ? () 由以上三式可 得出 0 12iVVj?? () 當(dāng) 12??時(shí)， 0 12iVV ?，而相移相差 90 度， 并且將這個(gè)情況下的 固有頻率 0w 第一位 為截止頻率， 這是濾波器非常重要的一個(gè)性能參數(shù) [35]。 另外，我們還借助 Mathcad 軟件 分析了二階有源濾波器在不同 Q 值下的幅頻、相頻特性曲線，分別 如圖 和 所示。 圖 二階 RC 有源濾波器的幅頻曲線圖 中北大學(xué)學(xué)位論文 26 圖 二階 RC 有源濾波器的相頻 曲線圖 高通濾波電路設(shè)計(jì) 在電荷轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng) Ri 的阻值 不變 ，在調(diào)節(jié)不同的放大倍數(shù)時(shí)，電路中會(huì)短暫出現(xiàn)較大的直流分量。為了避免這種低頻的直流分量，同時(shí)降低直流漂移給電路整體帶來(lái)的影響，可以選擇在低通濾波器之后再加上一個(gè)恰當(dāng)合適的高通濾波器。 本 文 選用一階 RC 有源 高通濾波器作為高通濾波電路，如圖 所示。 圖 一階 RC 有源高通濾波電路 由圖可知 ，通帶電壓增益等于同相比例放大電路的電壓增益 [36]，即 0 11 fVF RAA R? ? ? () 1PisV s VsRC? ? () 由以上公式 ，可 得出一階 RC 有源 高通 濾波 電路的傳遞函數(shù)為 01()( ) (1 )( ) 1fiRVs sR CAs V s R sR C? ? ? ? () 對(duì)實(shí)際頻率來(lái)說(shuō)， 將 s 用 jw 帶入 ， 可 得 其 頻率響應(yīng) 為 中北大學(xué)學(xué)位論文 27 01()( ) (1 )( ) 1fiRV jw jw R CA jw V jw R jw R C? ? ? ? () 綜上所述， 該電路具有便于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)只要設(shè)置合理恰當(dāng)?shù)碾娐穮?shù) ，該濾波電路可以很好地滿足實(shí)際要求 。 圖 是 本文設(shè)計(jì)的有源濾波電路 圖 。 圖 有源濾波電路原理圖 輸出放大電路 前面已經(jīng)提及，同相比例運(yùn)算放大電路 具有輸入電阻高、輸入電阻低的優(yōu)點(diǎn)，因此用 它來(lái)做輸出放大電路是一種非常適合的理想的阻抗變換器。它幾乎不會(huì)吸取信號(hào)源中的電流信號(hào)，對(duì)輸出信號(hào)的影響微乎其微。所以本文采用同相放大電路來(lái)作為放大級(jí)電路，如圖 中所示，它接在高通濾波電路的后面，由集成運(yùn)放和電阻 R1 R16 構(gòu)成同相比例放大電路。 在實(shí)際操作過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)同相放大器的放大倍數(shù)來(lái)調(diào)適整個(gè)電路系統(tǒng)的放大倍數(shù) 。 同時(shí)確保輸出信號(hào)和來(lái)自傳感器的輸出信號(hào)是同相位的。 過(guò)載指示電路 過(guò)載指示電路的 功能 過(guò)載指示電路 可以有效 防止電荷放大器的輸出值超過(guò)設(shè)定的額定值，確保 放大器工中北大學(xué)學(xué)位論文 28 作在線性工作范圍內(nèi)。 即如果電荷放大器的輸出電壓值超過(guò)我們?cè)O(shè)定的合適的安全閥值，則電路中的發(fā)光二極管導(dǎo)通會(huì)發(fā)亮，提示此時(shí)電路處在過(guò)載狀態(tài)，應(yīng)采取合適手段使電路回到正常工作狀態(tài)。 過(guò)載指示電路設(shè)計(jì) 本文中設(shè)計(jì)的過(guò)載指示電路采用了由集成運(yùn)放組成的雙限比較器。雙限比較器也叫做窗孔比較器 (Window Comparator)，它具有兩個(gè)門(mén)限電平，在實(shí)際工作過(guò)程中，可以有效檢測(cè)輸入模擬信號(hào)的電平是否處在設(shè)定的兩個(gè)門(mén)限電平之間。 比較器 的輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平，分別對(duì)應(yīng)發(fā)光二極管發(fā)亮 或者不發(fā)亮 。 具體電路設(shè)計(jì)如圖 所示。 圖 過(guò)載指示電路原理圖 電路主要由一個(gè)集成運(yùn)放組成，參考電壓 Va、 Vb 分別通過(guò)電阻 R R2 加在運(yùn)放的反相輸入端和同相輸入端，集成運(yùn)放的輸出端 通過(guò)電阻 R3 連接發(fā)光二極管。 其中 Va、Vb 為兩個(gè)大小相等極性相反的參考電壓。 當(dāng)輸入電壓高于 Va(當(dāng)然更高于 Vb)，此時(shí)二極管 D1 截止， D2 導(dǎo)通。則輸入的正電壓加到運(yùn)放的同相輸入端，根據(jù)電壓比較器的原理，運(yùn)放輸出為高電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通會(huì)發(fā)亮，表明此時(shí)輸入電壓過(guò)載。 當(dāng)輸入電壓低于 Vb(當(dāng)然更低于 Va)，此時(shí)二極管 D1 導(dǎo)通， D2 截止。則輸入的負(fù)電壓加到運(yùn)放的反相輸入端，運(yùn)放輸出為高電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)亮，指示此時(shí)輸入電壓工作在過(guò)載狀態(tài)。 只有當(dāng) iVb V Va?? 時(shí)，二極管 D D2 均導(dǎo)通。此時(shí)運(yùn)放的同相輸入端電壓低于反中北大學(xué)學(xué)位論文 29 相輸入端的電壓，則運(yùn)放輸出為低電平。發(fā)光二極管截止不亮，表明此時(shí)電路沒(méi)有過(guò)載，工作在正常狀態(tài)。 中北大學(xué)學(xué)位論文 30 3 高頻響電荷放大級(jí)的關(guān)鍵 技術(shù) 研究 引言 我們 在總結(jié)以往電荷放大器的原理分析與實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)過(guò)去對(duì)電荷放大 級(jí) 的高頻響應(yīng)研究的很少。作為一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的重要組 成部 分，測(cè)試系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)性能是一個(gè)很重要的參數(shù)。因此電荷放大級(jí) 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究就十分必要和重要。本文創(chuàng)新 之處 在于 重點(diǎn)研究其高頻響應(yīng)， 并且分析其工作頻帶 ， 最后 還 分析了低頻響應(yīng)。這樣， 才能 較完整地 探討 了電荷放大 級(jí) 的頻率響應(yīng) 。 高頻響電荷放大級(jí)的原理詳細(xì)分析 壓電傳感器的高阻抗輸出微弱電荷信號(hào)接到運(yùn)算放大器的輸入上，電荷放大器的高阻抗輸入特性能很好的拾取這種微小電荷信號(hào)，通過(guò)積分電容產(chǎn)生相應(yīng)比例的電壓信號(hào)，而且電荷放大器的輸出阻抗很小，積分得到的電壓信號(hào)能夠很方便的被后續(xù)電路處理。 電荷放大級(jí)的電路原理圖如 圖 所示 ： 圖 電荷放大級(jí)的電路原理圖 如 圖 所示， 壓電傳感器產(chǎn)生的電荷量 Q，依次對(duì)壓電傳感器內(nèi)部電容 senC 、傳輸電纜電容 disC 以及運(yùn)算放大器的反饋電容 fC 進(jìn)行放電。 我們?cè)谶@里忽略流經(jīng)反饋電阻的電荷量，因?yàn)榱鹘?jīng)反饋電阻的電流為 中北大學(xué)學(xué)位論文 31 991 1010f OOR ffV d V VIARR ??? ? ? ? () 則反饋電阻的電容量為： ffRRQ I dt?? () 其中 dt 在低頻時(shí)按照電容充電時(shí)間常數(shù)來(lái)確定，在高頻時(shí)暫按 1us 計(jì)算 9 6 31 1 0 1 1 0 1 1 0ffRRQ I d t p C? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? () 所以 通常情況下 ，反饋電阻 上的電荷量可以忽略不計(jì)。 因此 依據(jù)電荷守恒定律，可得 Q Q Q Qsen cdis cf? ? ? () 運(yùn)算放大器同相輸入端電壓為： 0V?? 運(yùn)算放大器反相輸入端電壓為： V V dV dV? ? ??? 根據(jù)運(yùn)算放大器的電壓放大原理，可得出運(yùn)放的輸出電壓為： ()o d o dV A V V A d Vo ? ? ? ? ??? () 又根據(jù)電容兩端電壓與其電荷量的關(guān)系 Q UC? ，可得出 ()( (1 ) )( (1 ) )se n dis fse n dis od fose n dis od fodQ dV C dV C dV V CodV C C A CV C C A CA? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? () 所以電荷放大級(jí)的輸出電壓為： (1 )odo sen d is o d fAQV C C A C?? ? ? ? () 在低中頻段 ， odA 一般為 104~106數(shù)量級(jí)， (1 )od f sen disA C C C? ?? ?， 所以 o fQV C?? () 中北大學(xué)學(xué)位論文 32 2) 精度分析 在實(shí)際情況下， 傳感器自身電容 senC 是固定的，而且比較小。不可忽略的是電纜的分布電容 disC ，它隨著傳輸距離的 增加而增大。因此在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，需要考慮 disC 對(duì)其測(cè)量精度的影響 [37]。由此而 產(chǎn)生的測(cè)量誤差 ? 可以用下式求得 ( 1 ) [ ( 1 ) ]( 1 )( 1 )od odf s e n dis od fodod fs e n diss e n dis od fA Q A QA C C C A CAQACCCC C A C????? ? ? ??????? ?