1、 壓電傳感器前置放大電路的設(shè)計(jì)姓名：陳賢波學(xué)號(hào)：SX1201139一：電荷放大電路電荷放大器原理：電荷變換是該電荷放大器的核心部分，是一個(gè)具有電容負(fù)反饋的，輸入阻抗極高的高增益運(yùn)算放大器。它與壓電式傳感器及其電纜構(gòu)成的等效電路如圖-1所示。圖-1壓電式傳感器及其電纜構(gòu)成的等效電路其中：為壓電傳感器的等效電容，為壓電式傳感器的等效絕緣漏電阻，為電纜等效電容，為放大器的輸入電容，為放大器的輸入阻抗，為反饋電容，是等效輸入噪聲電壓，是等效輸入失調(diào)電壓。如將折算到輸入端，其等效電容為（1+K），K為運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益。由于反饋電容、傳感器電容、電纜電容及放大器電容并聯(lián)，不計(jì)算噪聲和失調(diào)電壓的影響，電荷放大

2、器的輸出電壓為 （1.1）運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益K很大（約為104106），故遠(yuǎn)大于+，遠(yuǎn)大于，此時(shí)， ， ， 和都可以忽略不計(jì)，即壓電傳感器本身的電容大小和電纜長(zhǎng)短對(duì)電荷放大器輸出的影響可以忽略。 （1.2） 式中C=+因?yàn)榉糯笃魇歉咴鲆娴模琄 >>1,所以一般情況下（1+K）>>C,則有 （1.3）上式表明，當(dāng)反饋電容一定時(shí)，電荷放大器的輸出電壓與傳感器產(chǎn)生電荷成正比，在實(shí)際電路中，考慮到電壓靈敏度和量程的問(wèn)題，一般的值在10010000pF范圍內(nèi)選擇。,本設(shè)計(jì)選定10000pF，即10nF。當(dāng)開(kāi)環(huán)增益A很大，遠(yuǎn)大于+，遠(yuǎn)大于不能忽略，（2.19）式可表示為： （1.

3、4） 當(dāng)頻率夠低時(shí)，就不能忽略。因此式（2.20）是表示電荷放大器的低頻響應(yīng)。F越低，時(shí)，其輸出電壓幅值為： (1.5) 可以看出，這是截止頻率點(diǎn)電壓值電壓輸出值，即相對(duì)應(yīng)的下限截止頻率為 (1.6) 若忽略運(yùn)放的輸入電容和輸入電導(dǎo)，同時(shí)忽，則上限頻率為： （1.7）其中為輸入電纜直流電阻，本設(shè)計(jì)設(shè)為30。本設(shè)計(jì)選用為1000MEG,經(jīng)計(jì)算。傳感器參數(shù)：壓電傳感器PZT壓電常數(shù) d33=450PC/N, d31=-265PC/N, 相對(duì)介電常數(shù)2100 ，故壓電傳感器固有電容為： (1.8)若傳感器輸入電纜分布電容為，設(shè)有100m，則。3.87×。要測(cè)的信號(hào)頻率范圍：1Hz5KHz，

4、故滿(mǎn)足要求。壓電傳感器PZT壓電常數(shù) d33=450PC/N, d31=-265PC/N, 傳感器配重10克，加速度范圍010g，本設(shè)計(jì)選用，電荷G公式為: (1.9)故所測(cè)量的電荷范圍為0441pC。本設(shè)計(jì)電荷放大器仿真電路如下圖-2所示，仿真結(jié)果如圖-3所示，結(jié)果分析如表-1所示。 圖-2 電荷放大器電路 圖-3 電壓輸出仿真 表-1 電荷放大器仿真結(jié)果 仿真結(jié)果峰值49.451mV理想值44.1mV偏置5.4547mV谷值49.451mV理想值-49.1mV偏置5.4547mV二：濾波電路在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，由于外部干擾信號(hào)、外部環(huán)境的變化等因素的影響，噪聲信號(hào)會(huì)疊加在有用的低頻信號(hào)中在輸

5、出端輸出。為此，電荷放大器的設(shè)計(jì)中必須選用一種合適的濾波器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行必要的處理。巴特沃斯型濾波器具有最好的的平坦效應(yīng)，在通帶內(nèi)和阻帶內(nèi)沒(méi)有波紋。由于傳感器輸出的信號(hào)很小，本文選用巴特沃斯濾波器。查表得，增益為2時(shí)，圖-4低通濾波器 圖-5 低通濾波器截止頻率為5kHz時(shí)幅頻特性曲線由于前面仿真結(jié)果有很大的偏置，故本設(shè)計(jì)需要濾除低頻信號(hào)，本設(shè)計(jì)選用最簡(jiǎn)單的高通濾波器，即一介無(wú)源高通濾波器。設(shè)計(jì)要求信號(hào)頻率范圍是：1Hz5KHz，根據(jù) （2.1）選用100uF的電容，1.59k的電阻。三：反相放大保護(hù)輸出此級(jí)電路主要作用是實(shí)現(xiàn)輸出電壓信號(hào)與電荷信號(hào)相位同步和二級(jí)放大，由于電荷轉(zhuǎn)換級(jí)本身是一個(gè)積分器電路，輸入輸出端的電壓相位會(huì)反向，保持電荷放大器輸出電壓和輸入電荷成比例放大。因?yàn)殡娐冯娮璧牟煌耆ヅ涞葐?wèn)題，電路放大倍數(shù)并不十分準(zhǔn)確，通過(guò)調(diào)節(jié)該電路對(duì)電壓進(jìn)行兩級(jí)放大和補(bǔ)償校準(zhǔn)，如圖-6電路所示，調(diào)節(jié)電位器，可以使輸出電壓在增益010倍之間任意變化。同時(shí)通過(guò)輸出端的雙限穩(wěn)壓管，防止輸出電壓超出后續(xù)接入的PXI系統(tǒng)輸入電壓上下限。起到保護(hù)數(shù)據(jù)采集卡的作用。圖-6 反相放大電路總仿真電路圖如圖-7所示，仿真結(jié)果如圖-8所示，結(jié)果分析如圖-9所示。圖-7總仿真電路圖圖-8 最終仿真結(jié)果表-2 最終仿真數(shù)據(jù)分析 仿真結(jié)果峰值437.244mV理想值441mV偏置89