壓電式傳感器頻率補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

摘 要：文章介紹了一種壓電傳感器頻率補(bǔ)償電路，本電路主要由模擬壓電傳感器電路與其頻率補(bǔ)償電路組成。模擬壓電傳感器電路以雙運(yùn)放OPA2134PA芯片為核心，主要模擬壓電傳感器的頻率特性；頻率補(bǔ)償電路以單運(yùn)放THS4001芯片為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)模擬壓電傳感器電路的頻率補(bǔ)償。本電路為低噪聲設(shè)計(jì)，噪聲均方根電壓Vn為8mV，保證了電路基本無噪聲的干擾，該電路-3dB高頻截止頻率為100kHz，頻率0-70kHz范圍內(nèi)的電壓增益A（f）的波動(dòng)在±10%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：壓電傳感器；頻率補(bǔ)償；自激震蕩

目前，傳感器技術(shù)是全球研究的熱點(diǎn)問題，人們希望通過傳感器檢測(cè)到形形色色的有用信息，作為電子計(jì)算機(jī)的“感覺器官”。其中壓電式傳感器由于高靈敏度、寬頻帶響應(yīng)、寬測(cè)量范圍、抗高過載等特點(diǎn)使其在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但壓電傳感器低頻響應(yīng)特性較差，其上限響應(yīng)頻率取決于機(jī)械部分的固有頻率，下限響應(yīng)頻率取決于壓電晶片本身以及所使用的放大器，提高壓電傳感器的低頻響應(yīng)特性是提高其測(cè)量精度的關(guān)鍵技術(shù)。

本設(shè)計(jì)旨在通過模擬電路，使壓電傳感器獲得較為理想的頻率補(bǔ)償，使其在？3dB高頻截止頻率為100kHz，頻率0～70kHz范圍內(nèi)的電壓增益A（f）的波動(dòng)在±10%以內(nèi)。

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.1 模擬壓電傳感器電路

輸入信號(hào)為200Hz、峰值為10V時(shí)，模擬壓電傳感器輸出信號(hào)沒有明顯失真；以200Hz為基準(zhǔn)輸入信號(hào)的-3dB高頻截止頻率為4.5 kHz±0.5kHz。

1.2 壓電傳感器頻率補(bǔ)償電路

頻率為200Hz時(shí)的電壓增益A（200Hz）=|Vo/Vs|=1±0.05；以電壓增益A（200Hz）為基準(zhǔn)，將A（f）=|Vo/Vs|的-3dB高頻截止頻率擴(kuò)展到大于100kHz；以電壓增益A（200Hz）為基準(zhǔn)，頻率0～70kHz范圍內(nèi)的電壓增益A（f）的波動(dòng)在±5%以內(nèi)；將輸入信號(hào)接地，輸出信號(hào)的噪聲均方根電壓Vn≤10mV。

2 設(shè)計(jì)方案

電路主要由模擬模塊和補(bǔ)償模塊組成。模擬模塊主要是指信號(hào)發(fā)生器/接地產(chǎn)生的信號(hào)作為被測(cè)量的信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)模擬電路后的輸出信號(hào)與壓電傳感器具有一樣頻率特性。

模擬電路單指在實(shí)際調(diào)試和測(cè)試時(shí)信號(hào)經(jīng)過的某一電路，輸出信號(hào)與經(jīng)過壓電傳感器有相同頻率響應(yīng)特性，這一電路就是本文中的模擬電路。

補(bǔ)償模塊主要由放大電路和濾波電路組成，就是一個(gè)針對(duì)模擬電路的校正網(wǎng)絡(luò)電路。這個(gè)電路是根據(jù)模擬電路的傳遞函數(shù)計(jì)算而得到的，對(duì)信號(hào)具有校正作用。本文中的頻率補(bǔ)償電路實(shí)際上就是對(duì)信號(hào)的頻率展寬。其中放大電路的增益，就是模擬電路的衰減倍數(shù)，主要是放大被衰減的信號(hào)；濾波電路主要根據(jù)設(shè)計(jì)要求中的-3dB高頻截止頻率得到上限截止頻率，主要是為了防止信號(hào)經(jīng)過放大電路后在高頻率時(shí)產(chǎn)生自激震蕩。電路總框圖如見圖1所示。

2.1 模擬電路設(shè)計(jì)

壓電加速度傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，從而產(chǎn)生的有用信號(hào)也十分微弱，因此一般在其測(cè)量電路前需要接入1個(gè)高輸入阻抗的前置放大器。加速度計(jì)使用的上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率。壓電加速度傳感器的-3dB高頻截止頻率大概在4-5kHz之間，可以把壓電加速度傳感器看作一個(gè)特殊的低通濾波器。同時(shí)由于壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，因此模擬的壓電傳感器的輸入阻抗要很大。由此設(shè)計(jì)了如圖2所示的模擬壓電加速度傳感器特性的電路模塊中的運(yùn)放電路，具體電路圖如下所示：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用TI的OPA2134PA芯片作為模擬電路的運(yùn)放芯片。

2.2 補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)

采用有源濾波低通運(yùn)放串聯(lián)構(gòu)成頻率補(bǔ)償電路，實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償電路的功能。通過在每一級(jí)運(yùn)放前加一個(gè)衰減網(wǎng)絡(luò)，避免輸出產(chǎn)生自激震蕩。在理論計(jì)算電路具體參數(shù)時(shí)，計(jì)算公式簡(jiǎn)單，電路板的制作簡(jiǎn)單，頻率補(bǔ)償較為理想。

濾波電路主要是指低通濾波器，其主要作用是為了防止信號(hào)經(jīng)過放大電路后，在高頻段產(chǎn)生自激震蕩。為使濾波器在通頻帶內(nèi)具有最大平坦的幅頻特性，選用二階擇巴特沃斯濾波器，設(shè)置其增益為1，具體電路圖如圖4所示。

2.3 防止高頻自激和去噪聲

2.3.1 防止自激的方法

通過對(duì)負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定性的分析可知，電路產(chǎn)生了自激振蕩時(shí)，如果采取某種方法能夠改變AF的頻率特性，使之根本不存在f0，或者即使存在f0，但f0>fc，那么自激振蕩必然被消除。消除自激震蕩采用超前補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑢⒊把a(bǔ)償電容加在反饋回路，若RC取值得當(dāng)，這樣不僅可以消除自激振蕩，而且頻帶大大變寬，符合要求。

2.3.2 PCB設(shè)計(jì)時(shí)降低噪聲方法

在印制板制作模擬電路的印刷板時(shí)，由于使用的電容只有4.7pf，因此盡量使用大于90°的折線布線以減小導(dǎo)線與地、導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的電容。印制板按有源和無源特性分區(qū)，有源元件之間的距離要遠(yuǎn)一些。同時(shí)印刷板的接地線和電源線應(yīng)該粗一些。有用信號(hào)傳輸?shù)木€不要與接電源的線平行。信號(hào)線盡量不要形成環(huán)路，最好是由左到右的一條直線。每個(gè)集成運(yùn)放芯片的電源都要有去耦電容。元器件與導(dǎo)線的焊點(diǎn)盡量不要有尖銳的突起，要圓滑。

3 電路調(diào)試與測(cè)試

簡(jiǎn)單來講，本電路就是由一個(gè)運(yùn)算放大器組成的模擬電路和四個(gè)運(yùn)算放大器組成的補(bǔ)償電路串聯(lián)構(gòu)成。由于本電路使用模擬電路代替了壓電傳感器，在實(shí)際信號(hào)傳輸過程時(shí)，它們的幅頻特性并非完全一致，所以有必要測(cè)試模擬電路的幅頻特性。

制作的模擬電路在200Hz時(shí)，輸出電壓Vb無失真，增益為1。模擬電路輸出電壓Vb的-3dB高頻截止頻率在4.1kHz～4.3kHz之間，滿足設(shè)計(jì)要求。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，信號(hào)在200Hz之后就開始衰減，-3dB高頻截止頻率約為4.2kHz。電壓增益A（200Hz）為1時(shí)，A（f）的-3dB高頻截止頻率在97k-98KHz之間；同時(shí)電路在頻率0～70KHz范圍內(nèi)輸出電壓的最大誤差是在20k時(shí)，誤差為0.3V，電壓增益A（f）的相對(duì)誤差為3%，滿足設(shè)計(jì)要求。

補(bǔ)償電路的-3dB高頻截止頻率約為100kHz，具有很好的穩(wěn)定性和頻率特性。將輸入端接地，測(cè)得輸出信號(hào)Vo的噪聲峰峰值為50mV，經(jīng)計(jì)算可得噪聲均方根Vn為8.3mV，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文簡(jiǎn)單論述了壓電傳感器的工作原理，并根據(jù)其頻率特性設(shè)計(jì)了模擬電路和與之相對(duì)應(yīng)的頻率補(bǔ)償電路。該電路主要由模擬電路和補(bǔ)償電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓電傳感器的頻率特性模擬和頻率補(bǔ)償。它將模擬電路的3dB高頻截止頻率由4.5kHz擴(kuò)展為97KHz，并且保證其在頻率0～70kHz范圍內(nèi)的電壓增益A（f）的波動(dòng)為10%之內(nèi)，說明電路有很好的穩(wěn)定性。除此以外，電路為低噪聲設(shè)計(jì)，輸出信號(hào)的噪聲均方根電壓僅為8.3mV。

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