【正文】 路的放電時(shí)間常數(shù)盡量大，一般是采取令負(fù)載電阻具有相當(dāng)高的阻值。壓電傳感器與后續(xù)測(cè)量電路匹配連接時(shí)，其等效電路如圖 所示。 圖 壓電傳感器測(cè)試系統(tǒng)的等效電路 該測(cè)試系統(tǒng)的等效電路中引入許多參數(shù)如：傳輸電纜的電容、放大器的輸入阻抗、傳感器自身的絕緣電阻等 [31]。它們是該電路的最重要、最基本的參數(shù)。為了較好解決這個(gè)問(wèn)題，需要前置放大器也具有極高的輸入阻抗，以確保電荷可以完整地、不泄露地輸入給后接電路 中。本章先重點(diǎn)分析電壓放大器，電荷放大器的部分將在下一章中做詳細(xì)闡述。電壓放大器的 等效電路如圖 所示。其中壓電晶體材料選為常見(jiàn)的壓電陶瓷，其壓電系數(shù) d。 為了分析的方便，將圖 中電壓放大器輸入端的電壓為 iU 寫(xiě)成復(fù)數(shù)的形式，則得到 在不同角頻率時(shí)輸出電壓可以用下式表示 ： 中北大學(xué)學(xué)位論文 15 .. 1 ( )i ajRU d F j R C C??? ?? () 通過(guò)上式可分別計(jì)算出輸出電壓的幅值大小 以 及 輸出電壓和被測(cè)量之間的相位差，表示如下： 2 2 21 ( )a r c t a n ( )2mima c ia c idF RUR C C CC C C R??????? ? ? ?? ? ? ? () 通過(guò)上式可以看出，角頻率 ? 較大時(shí)滿足 2 2 2( ) 1a c iR C C C? ? ? ? ??， 在這種情況下放大器輸入端的電壓幅值大小可近似看 作 與被測(cè)頻率沒(méi)有關(guān)系。在實(shí)際測(cè)量中使用電壓放大器時(shí)， 由于這些因素的影響，其靈敏度會(huì)受到較大波動(dòng)，即使用不同長(zhǎng)度的傳輸電纜，電壓放大器的靈敏度就會(huì)不同，這在實(shí)際應(yīng)用中給操作帶來(lái)了諸多的麻煩且引入了不 必要的測(cè)試誤差。 電荷放大器的 各個(gè) 電路 模塊設(shè)計(jì) 典型電荷放大器的組成如圖 所示。 中北大學(xué)學(xué)位論文 16 圖 本文設(shè)計(jì)的 電荷放大器的電路組成框圖 壓電晶體在收到?jīng)_擊、振動(dòng)時(shí)，其表面產(chǎn)生微弱電荷信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)電荷轉(zhuǎn)換級(jí)電路由高內(nèi)阻電荷量 轉(zhuǎn)化為低內(nèi)阻電壓信號(hào) ，方便后續(xù)電路的進(jìn)一步調(diào)理；再經(jīng)過(guò)歸一化電路根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)試放大，送入有源濾波電路進(jìn)行高低通的濾波，提高信噪比，最后通過(guò)輸出放大電路輸出合適的電壓值。 電荷轉(zhuǎn)換級(jí)是整個(gè)電荷放大器的最關(guān)鍵部件，它負(fù)責(zé)進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換并將拾取的電荷信號(hào)積分為相應(yīng) 比例 的電壓信號(hào)。 有源濾波電路由高低通有源濾波器組成，通過(guò)設(shè)定 合適的截止頻率濾除掉有用信號(hào)中混雜的高低頻干擾信號(hào)。 過(guò)載指示電路的作用是防止電荷放大器的輸出值超過(guò)設(shè)定的額定值，確保放大器工作在線性工作范圍內(nèi)。因?yàn)樗P(guān)系著被測(cè)信號(hào)的獲取是否準(zhǔn)確、精確，通過(guò)它才能夠?qū)鞲衅鬏敵龅奈⑷蹼姾尚盘?hào)獲取到。它一般有運(yùn)算放大器和反饋壓電傳感器 電荷轉(zhuǎn)換 電路 歸一化 電路 有源濾波 電路 輸出放大 電路 過(guò)載指示 電路 電荷放大器 電壓輸出 中北大學(xué)學(xué)位論文 17 網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。它的主要模塊一般由集成運(yùn)放構(gòu)成，所以集成運(yùn)放的技術(shù)參數(shù)與性能表現(xiàn)會(huì)直接影響到運(yùn)算放大器的表現(xiàn)優(yōu)劣。在過(guò)往的運(yùn)算放大器中人們使用較多的是場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ Field Effect Transistor），它屬于電壓控制 型半導(dǎo)體器件，并具有輸入電阻高（ 108～ 109Ω）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。它不僅具有高阻抗、低功耗的特點(diǎn)，還在原來(lái)基礎(chǔ)上顯著提高了電路的集成度和性能，降低了設(shè)計(jì)成本。以 OPA301 為例，其引腳如圖 所示。 圖 是 OPA301 芯片的內(nèi)部原理圖。所以以此來(lái)分析，也可以推斷出其反饋電容的選擇要求。例如，為了擁有較好的精確性和可靠度，實(shí)際工程應(yīng)用中往往選用精密聚苯乙烯電容。 一般輸出電壓在1~10V范圍內(nèi)變化為宜，為保證電路的增益和避免因寄生電容得影響給電路調(diào)試和使用造成困難， 反饋電容 不宜取得過(guò)大或過(guò)小 。 圖 電荷轉(zhuǎn)換級(jí)電路圖 中北大學(xué)學(xué)位論文 19 歸一化級(jí) 電路設(shè)計(jì) 歸一化電路 屬于 電荷放大級(jí)的前端放大級(jí)，它可以將 電壓信號(hào)進(jìn)行放大，并且還有根據(jù)需要進(jìn)行歸一化處理的功能。這樣可以提高對(duì)不 同范圍內(nèi)的被測(cè)量的測(cè)試精度，加大電荷放大器的使用范圍和可靠程度。 譬如現(xiàn)在有兩只靈敏度不同的壓電加速 度傳感器去測(cè)量同一加速度物理量。 中北大學(xué)學(xué)位論文 20 歸一化 電路設(shè)計(jì) 比例放大電路 的 對(duì)比分析 本文設(shè)計(jì)的歸一化電路模塊主要由比例放大電路組成，主要負(fù)責(zé)對(duì)電路信號(hào)根據(jù) 實(shí)際需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪m調(diào)放大處理，傳統(tǒng)的比例放大器有同相放大器和反相放大器兩種。 （ 1） 反 比例 運(yùn)算放大器 反相比例運(yùn)算放大電路在實(shí)際工程實(shí)踐中應(yīng)用的非常多，是一種非常優(yōu)異、實(shí)用的運(yùn)算放大器。我們已經(jīng)知道，集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端其實(shí)就是 運(yùn)放內(nèi)部輸入級(jí)的兩個(gè)差分對(duì)管的基極。這樣可以有效避免在靜態(tài)時(shí)，電流流過(guò)這兩個(gè)電阻在運(yùn)放輸入端產(chǎn)生附加的偏差電壓。經(jīng)過(guò)模擬電路的分析可以得出該電路的電壓放大倍數(shù)可由下式表示 01fVFiRVA VR? ? ? () 根據(jù)模擬電路的知識(shí)可以分析出反相比例運(yùn)算電路的 輸入電阻 1iRR? ，輸出電阻為零。 圖 反 相 比例 運(yùn)算電路 中北大學(xué)學(xué)位論文 21 （ 2） 同相 比例 運(yùn)算放大 電路 圖 所示為同相比例運(yùn)算電路的原理圖。并且為了保證引入的是負(fù)反饋，輸出電壓通過(guò)反饋電阻 Rf 仍接到反相輸入端，同時(shí)反相輸入端通過(guò)電阻 R1 接地。由以上分析可知同相放大電路中引入的是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，仍然可以利用理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的 “虛短 ”和“虛斷 ”特點(diǎn)來(lái)分析其電壓增益的大小值。 電路原理圖 圖 為本文設(shè)計(jì)的歸一化電路圖 。電路中還引入了濾波電容 使得由紋波電壓引起的電源干擾得到較大程度上的避免。 中北大學(xué)學(xué)位論文 22 圖 歸一化電路原理 示意 圖 有源 濾波電路 模塊設(shè)計(jì) 有源濾波電路模塊分為低頻濾波電路和高頻濾波電路， 下面我們將依次介紹著兩種濾波電路的特性 與作用。所以為了避免由壓電傳感器自身引起的高頻幅頻特性的失真，我們需要在濾波電路中先采用低通濾波器來(lái)濾波這些高頻干擾。 濾波器的種類很多， 根據(jù)不同用途與要求，常見(jiàn)的濾波器一般有 RLC 無(wú)源濾波器，以及由 RC 網(wǎng)絡(luò) 和集成運(yùn)放構(gòu)成的有源濾波器。但是這種無(wú)源 RC 低通濾波器的主要缺點(diǎn)是電壓放大倍數(shù)低，同時(shí)帶負(fù)載能力差，若在輸出端并聯(lián)一個(gè)負(fù)載電阻，除了使電壓放大倍數(shù)降低以外，還將影響通帶截止頻率的值 。 有源濾波器的電路體積較小，并且其集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益和輸入阻抗較高，輸出阻抗較小，在電路系統(tǒng)中可以起到較好的電壓放大與緩沖作用 [33]。 在本文中，我們選用 了使用簡(jiǎn)單、方便調(diào)節(jié)的 二階 RC 有源濾波器。其 電路如圖 所示。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。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。 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。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]。 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。 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 是 本文設(shè)計(jì)的有源濾波電路 圖 。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。 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) 。 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)。 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。 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 。 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。 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。 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。 只有當(dāng) iVb V Va?? 時(shí)，二極管 D D2 均導(dǎo)通。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)。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)。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)。 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。 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)。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。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????? ? ? ??????? ? ?