高阻運放CA3140在壓電式加速度傳感器信號調理電路中的應用

張青春

（淮陰工學院 電子與電氣工程學院，淮安 223003）

0 引言

隨著科學技術的發展，結構的動態測試和故障診斷已成為人們關注的焦點。動態測試的主要任務包括：激勵被測對象，產生振動信號；借助于各類振動測量傳感器，獲取振動信號；信號調理電路對傳感器輸出信號進行處理；計算機采集和分析動態信號，實現結構內部缺陷的診斷和設備運行狀況的在線監測。

圖1為基于虛擬儀器動態測試系統框圖，由激振源、加速度傳感器、信號調理電路、數據采集器、計算機與LabVIEW圖形化軟件等模塊組成。激振源一般采用激振器或錘激方法，產生激勵信號；加速度傳感器（或振動傳感器）、信號調理電路，將被測的振動信號轉變為0～5V電壓信號；數據采集器將模擬電源信號轉變為數字信號送給計算機，通過Labview圖形化軟件，完成信號的采集與分析。

本文根據工程動態測試的需要，針對動態測試中普遍存在的信噪比低、信號質量差、干擾嚴重等實際問題，通過對常用的壓電式加速度傳感器輸出信號的調理電路進行分析與研究，提出了一種經濟、可行的解決方案，設計一種新型、實用信號調理電路。

圖1 動態測試系統框圖

1 信號調理電路的組成與實現[1,2]

信號調理電路一般由電荷放大器、適調放大器、低通濾波器、高通濾波器、輸出放大器等部分組成，其原理框圖如圖2所示。

圖2 信號調理電路框圖

壓電式加速度傳感器輸出的高阻電荷信號首先經電荷放大器轉變為低內阻電壓信號，再經適調放大器歸一后送入低通濾波器、高通濾波器，經輸出放大器放大后達到0～5V電壓信號，再輸出給數據采集器。

1.1 電荷放大器

電荷放大器是整個信號調理電路的核心部分，這部分的作用是將壓電傳感器的輸出電荷信號Q轉換成電壓信號V。它由運算放大器和反饋網絡組成。

本設計采用的Intersil公司CA3140高阻運算放大器，其輸入阻抗為1.5T，輸入電容為4pF，增益帶寬為4.5MHz，寬帶等效輸入噪聲電壓為48μV，轉換速率為9V/μS，供電電壓為±15V。是一種具有卓越性能的運算放大器，具有廣泛的應用范圍，常用于各類放大器、有源濾波器、比較器等電路設計中。

為了保證精度，反饋電容采用穩定性及絕緣電阻高的精密聚苯乙烯電容。為了保證電路的增益，考慮到壓電加速度傳感器的輸出電荷量，反饋電容Cf一般取100pF～10000pF。

電荷放大器電路圖如圖3所示。在高阻放大器的反向輸入端選用0.22μF電容和一個RC并聯電路串聯，其作用是消除壓電傳感器的零漂；同時為了保護運放CA3140 ,在其反相端串接電阻R1；為避免運放CA3140產生自激振蕩,在R1兩端并聯電容C2 實現相位補償。根據運算放大器本身性能，選擇正向輸入端的可變電阻R2為10kΩ。

圖3 電荷放大器電路圖

圖4 適調放大器電路圖

1.2 適調放大器

為了保證被測量一定時，不同靈敏度的傳感器經過測量電路后有相同的輸出，以便波形及數據的顯示和處理，在電荷放大器后增加一級適調放大器。假定傳感器的電荷靈敏度SQ=Q1/g，電荷放大器的增益為KQ=V1/Q1，適調放大器的增益為K1=VO/V1，則總的傳遞系數為三者的乘積：

當反饋電容Cf一定時,KQ是常數；傳感器的靈敏度不同時,適當調節適調放大器的增益K1，可使總增益K不變。

適調放大器電路圖如圖4所示。電路中R4=2kΩ，R5=10kΩ，可變電阻 R6=100kΩ（計算時取20 kΩ），試驗所采用加速度傳感器SQ=1PC/m·s-2，1g=9.8m·s-2，代入上式可計算電路增益為：

若選用的加速度傳感器SQ為其它值，只需要調節R6，就可以使整個電路的增益K保持不變，適調放大器能得到同的輸出，達到歸一化的目的。

1.3 低通濾波器

壓電加速度傳感器是一個弱阻尼的振動系統，它的幅頻特性高頻段有一個很高的共振峰，此峰值嚴重地引起了高頻噪聲，并對輸入信號產生失真和干擾。為此，采用低通濾波器，以補償傳感器引起的高頻幅頻特性。另外，由于電荷放大器的通頻帶有時遠遠高于實際的需要，而無用的高頻帶將影響低頻信號的測試，因此需要采用低通濾波器，濾除高頻分量。

低通濾波器電路圖如圖5所示。在RC網絡上加上運算放大器等元器件，組成有源RC低通濾波器。有源RC低通濾波器在通帶內不但無衰減，而且有一定的增益。采用快速設計方法，通過查表確定有源巴特沃斯低通濾波電路參數。設低通濾波器的截止頻率為fc，則當fc= 40kHz，取C4 = C5 = 0.5nF，R7 = 1.2kΩ，R8 = 2.4kΩ，R9 =R10 = 6.8kΩ； 當 fc= 60kHz， 取 C4 = C5 = 0.4nF，R7 = 4.7kΩ，R8 = 9.5kΩ，R9 = R10 = 28.4kΩ； 當 fc= 100kHz， 取 C4 = C5 = 0.1nF，R7 = 11.3kΩ，R8 =22.6kΩ，R9 = R10 = 67.5kΩ。

圖5 低通濾波器電路圖

1.4 高通濾波器及輸出放大器

為了減少直流漂移影響，濾掉電源50Hz的干擾信號，在低通濾波器后加一個高通濾波器。本設計的高通濾波器由一階RC電路和運算放大器組成。由于信號通過高通濾波電路后將有一定的衰減，同時為了改變整個信號調理電路的增益，以滿足數據采集器輸入信號的要求。因此，在電路中設計一個輸出放大器。高通濾波及和輸出放大器電路圖如圖6所示。電路具體參數確定如下：

圖6 高通濾波器及輸出放大器電路圖

1）輸出同相放大器增益A，由電阻R13與R12的比值確定。

2）為了濾掉50Hz的電源干擾信號，設計高通濾波器的下限頻率為100Hz，取C6 = 100nF，根據公式：fL= 1/2pRC，可得R11 = 16kΩ。

2 試驗與調試

2.1 加速度信號測量

試驗中采用的BZ1103壓電式式單軸加速度傳感器，靈敏度為1PC/ms-2，諧振頻率為35kHz。將傳感器安放在砼樓板底面上，用錘擊的方法在傳感器附件進行激振產生應力波，加速度傳感器感測聲波輸出電荷信號，將其輸出接電荷放大器輸入端，信號調理電路的輸出端接虛擬示波器信號輸入端。通過如下兩種測試分析，檢驗信號調理電路整體性能。

1）采用DSO-2090數據采集器，在相同的采樣頻率100KHz、相同的2V顯示量程下調節不同的放大倍數得出的兩個波形圖。根據實測的兩個波形比較，信號調理電路增益改變，顯示波形幅值隨之變化，且具有良好的穩定性、同步性和抗干擾能力。

2）采用DSO-2090數據采集器，在相同的采樣頻率100kHz、相同的1V顯示量程下，信號分別通過常規電荷放大器和設計的信號調理電路時輸出波形圖。根據實測的兩個波形比較，本設計電路的性能明顯優于常規的電荷放大器，完全能夠滿足工程動態測試需要。

2.2 測試中干擾信號分析[3]

在調試過程中遇到的最大問題是對噪聲信號的處理。本設計選用高輸入阻抗放大器，被測的信號比較微弱，所以信號對外界噪聲干擾特別敏感，電纜的抖動，輸入端的清潔，屏蔽的接地都能對信號產生影響，所以在試驗時應注意以下兩點：

1）連接導線的固定：連接的導線雖然是低噪音電纜，但若接頭固定不當，也會產生一些噪聲，導線的抖動或彎曲會引起導線間的分布電容和電荷量的變化。因此，試驗時加速度傳感器與信號電荷放大器之間連接導線的接頭必須牢靠，在傳感器近端的導線盡可能平直。

2）接地點的選擇：當信號調理電路與壓電加速度傳感器、數據采集器組成測試系統時，往往由于接地點選擇不當，各點的地電位不相等，會引入嚴重的干擾，使測量無法進行。因此測量系統最好只有一個接地點。

3 結論

針對常用的壓電式加速度傳感器測量電路設計復雜、價格昂貴、信噪比低的現狀，提出采用集成芯片進行測量電路設計，降低電路設計成本、提高電路的信噪比、增強電路的穩定性和可靠性。

通過對信號調理電路的有關理論研究，分析了壓電加速度傳感器的測量電路特點和干擾因素，提出了采用集成運放CA3140實現電荷放大、帶通濾波、輸出放大功能；完成了信號調理電路的硬件設計和測試分析。試驗結果表明：信號調理電路采用了模塊化、集成化的設計方法，功能齊全、性價比較高，完全能夠滿足各類壓電式傳感器信號調理的要求，可用于設備、結構的動態監測和故障、缺陷診斷，具有較高的推廣應用價值。

[1] 李勇, 艾竹君, 劉巧云. 一種新型電荷放大器的設計方法與電路[J]. 合肥工業大學學報(自然科學版), 2006, 29 (12).

[2] 鄧維禮, 秦嵐, 劉俊, 許斌. 基于Multisim 的準靜態電荷放大器仿真分析[J]. 國外電子測量技術, 2009, 28 (4).

[3] 周榮華. 加速度計靈敏度校準方法的研究[J]. 汽車科技,2005, (4).