1、精選優質文檔-傾情為你奉上 壓電傳感器前置放大電路的設計姓名：陳賢波學號：SX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，是一個具有電容負反饋的，輸入阻抗極高的高增益運算放大器。它與壓電式傳感器及其電纜構成的等效電路如圖-1所示。圖-1壓電式傳感器及其電纜構成的等效電路其中：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，是等效輸入失調電壓。如將折算到輸入端，其等效電容為（1+K），K為運放的開環增益。由于反饋電容、傳感器電容、電纜電容及放大器電容并聯，不計算噪聲和失調電壓的影

2、響，電荷放大器的輸出電壓為 （1.1）運算放大器的開環增益K很大（約為104106），故遠大于+，遠大于，此時， ， ， 和都可以忽略不計，即壓電傳感器本身的電容大小和電纜長短對電荷放大器輸出的影響可以忽略。 （1.2） 式中C=+因為放大器是高增益的，K >>1,所以一般情況下（1+K）>>C,則有 （1.3）上式表明，當反饋電容一定時，電荷放大器的輸出電壓與傳感器產生電荷成正比，在實際電路中，考慮到電壓靈敏度和量程的問題，一般的值在10010000pF范圍內選擇。,本設計選定10000pF，即10nF。當開環增益A很大，遠大于+，遠大于不能忽略，（2.19）式可表示

3、為： （1.4） 當頻率夠低時，就不能忽略。因此式（2.20）是表示電荷放大器的低頻響應。F越低，時，其輸出電壓幅值為： (1.5) 可以看出，這是截止頻率點電壓值電壓輸出值，即相對應的下限截止頻率為 (1.6) 若忽略運放的輸入電容和輸入電導，同時忽，則上限頻率為： （1.7）其中為輸入電纜直流電阻，本設計設為30。本設計選用為1000MEG,經計算。傳感器參數：壓電傳感器PZT壓電常數 d33=450PC/N, d31=-265PC/N, 相對介電常數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，設有100m，則。3.87×。要測的信號頻率范圍：1H

4、z5KHz，故滿足要求。壓電傳感器PZT壓電常數 d33=450PC/N, d31=-265PC/N, 傳感器配重10克，加速度范圍010g，本設計選用，電荷G公式為: (1.9)故所測量的電荷范圍為0441pC。本設計電荷放大器仿真電路如下圖-2所示，仿真結果如圖-3所示，結果分析如表-1所示。 圖-2 電荷放大器電路 圖-3 電壓輸出仿真 表-1 電荷放大器仿真結果 仿真結果峰值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：濾波電路在實際檢測過程中，由于外部干擾信號、外部環境的變化等因素的影響，噪聲信號會疊加在有用的低

5、頻信號中在輸出端輸出。為此，電荷放大器的設計中必須選用一種合適的濾波器對輸出信號進行必要的處理。巴特沃斯型濾波器具有最好的的平坦效應，在通帶內和阻帶內沒有波紋。由于傳感器輸出的信號很小，本文選用巴特沃斯濾波器。查表得，增益為2時，圖-4低通濾波器 圖-5 低通濾波器截止頻率為5kHz時幅頻特性曲線由于前面仿真結果有很大的偏置，故本設計需要濾除低頻信號，本設計選用最簡單的高通濾波器，即一介無源高通濾波器。設計要求信號頻率范圍是：1Hz5KHz，根據 （2.1）選用100uF的電容，1.59k的電阻。三：反相放大保護輸出此級電路主要作用是實現輸出電壓信號與電荷信號相位同步和二級放大，由于電荷轉換級本身是一個積分器電路，輸入輸出端的電壓相位會反向，保持電荷放大器輸出電壓和輸入電荷成比例放大。因為電路電阻的不完全匹配等問題，電路放大倍數并不十分準確，通過調節該電路對電壓進行兩級放大和補償校準，如圖-6電路所示，調節電位器，可以使輸出電壓在增益010倍之間任意變化。同時通過輸出端的雙限穩壓管，防止輸出電壓超出后續接入的PXI系統輸入電壓上下限。起到保護數據采集卡的作用。圖-6 反相放大電路總仿真電路圖如圖-7所示，仿真結果如圖-8所示，結果分析如圖-9所示。圖-7總仿真電路圖圖-8 最終仿真結果表-2 最終仿真數據分析 仿真結果峰值437.244mV理想值441mV偏置89.325uV谷