设计压电传感器的电荷放大、滤波、电压放大电路的

压电传感器前置放大电路的设计姓名：陈贤波学生编号：SX1201139一、电荷放大器电路电荷放大器原理：电荷转换是电荷放大器的核心部分。它是一款高增益运算放大器，具有电容负反馈和极高的输入阻抗。它与压电传感器及其电缆的等效电路如图1所示。图1压电传感器及其电缆的等效电路其中包括压电传感器的等效电容、压电传感器的等效绝缘泄漏电阻、电缆的等效电容、放大器的输入电容、放大器的输入阻抗、反馈电容、等效输入噪声电压和等效输入失调电压。如果转换为输入，其等效电容为(1 K)，K为运算放大器的开环增益。由于反馈电容、传感器电容、电缆电容和放大器电容并联，因此不计算噪声和失调电压的影响，电荷放大器的输出电压为(1.1)运算放大器的开环增益k非常大(约为104106)，因此它远大于，远大于，此时，和可以忽略，即压电传感器本身的电容和电缆长度对电荷放大器输出的影响可以忽略。(1.2)式中，C=因为放大器具有高增益，K 1，在正常情况下(1 K)C为(1.3)上述公式表明，当反馈电容恒定时，电荷放大器的输出电压与传感器产生的电荷成正比。在实际电路中，考虑到电压灵敏度和量程的问题，一般取10010000pF。在本设计中，选择10000pF，即10nF。当开环增益A很大时，远大于，远大于，并且不能忽略，(2.19)可以表示为：(1.4)当频率足够低时，不能忽略。因此，等式(2.20)代表电荷放大器的低频响应。当f较低时，输出电压幅度为：(1.5)可以看出，这是截止频率点电压值的电压输出值，也就是说，对应的较低截止频率是(1.6)如果忽略运算放大器的输入电容和输入电导，突然，上限频率为：(1.7)其中，输入电缆的DC电阻，此设计设为30。在本设计中，选择并计算了1000MEG。传感器参数：压电传感器PZT的压电常数d33=450 PC/n，d31=-265 PC/n，相对介电常数2100，因此压电传感器的固有电容为：(1.8)如果传感器输入电缆的分布电容为100米，则。3.87 .待测信号的频率范围为1Hz 5KHz，满足要求。压电传感器PZT压电常数d33=450PC/N，d31=-265PC/N，传感器重量10g，加速度范围010g，本设计选用，电荷g公式为：(1.9)因此，测量的电荷范围为0441pC。这种设计的电荷放大器模拟电路如下图2所示。模拟结果如图3所示。分析结果如表1所示。图2电荷放大器电路图3电压输出模拟表1电荷放大器的模拟结果模拟结果山峰49.451毫伏理想值44.1毫伏抵消5.4547毫伏山谷49.451毫伏理想值-49.1毫伏抵消5.4547毫伏第二，滤波电路在实际检测过程中，由于外部干扰信号、外部环境变化等因素，噪声信号会叠加在有用的低频信号上，在输出端输出。因此，在电荷放大器的设计中必须选择合适的滤波器来处理输出信号。巴特沃斯滤波器具有最佳的平坦度效果，通带和阻带没有纹波。由于传感器的输出信号很小，本文选择了巴特沃斯滤波器。看看表，当增益为2时，图4低通滤波器图5低通滤波器截止频率为5千赫兹时的幅频特性曲线由于先前仿真结果的较大偏差，该设计需要滤除低频信号。本设计选择最简单的高通滤波器，即介质无源高通滤波器。设计要求的信号频率范围为：1Hz 5KHz，根据(2.1)选择100uF的电容和1.59k的电阻3.反向放大保护输出该级电路的主要功能是实现输出电压信号和充电信号的相位同步和二次放大。由于电荷转换级本身是一个积分电路，输入和输出端的电压相位将被反转，以保持电荷放大器的输出电压与输入电荷成比例放大。由于电路电阻匹配不完全等问题，电路的放大系数不太准确。通过调整电路对电压进行两级放大和补偿校准，如图6的电路所示，调整电位计可以使输出电压在增益的0到10倍之间任意变化。同时，防止输出电压超过PXI系统的输入电压的上限和下限，该输入电压随后通过输出端的双限制电压调节器被访问。它可以保护数据采集卡。图6反相放大器电路总体仿真电路图如图7所示，仿真结果如图8所示，结果分析如图9所示。图7通用模拟电路图图8最终模拟结果表2最终模拟数据的分析模拟结果山峰437.244毫伏理想值441毫伏抵消89.3