压电信号采集中放大电路前置级的设计

摘要：压电传感器输出的压电信号较弱，输出阻抗高且叠加有共模干扰；现有的几种利用仪用放大器的压电信号前置放大电路解决方案有一些不足。在理论分析的基础上，时压电信号前置放大电路做了重要改进，提出了具有共模电压并联负反馈电路的压电信号放大电路前置级方案。实验显示，该方案能有效抑制共模干扰、提高电路的信噪比。
关键词：超声；压电信号；仪用放大器；共模干扰

0 引言
压电式传感器利用材料的压电效应，将被测力、加速度、超声等物理量转换为电信号进行输出。压电式传感器的输出阻抗很高，输出信号较弱、又常常叠加着强的50 Hz共模干扰，因此，它的采集系统放大调理电路需要一个高输入阻抗的前置放大器，特别是该前置放大器还需要一个很高的共模抑制比。
基于仪用放大器来实现压电信号的前置放大电路是一类常见的方法。因为仪用放大器本身具有很高的共模抑制比(通常在100 dB以上)和极高的输入阻抗(通常在109Ω以上)，低的线性误差和充裕的带宽。本文将对现有的常见的基于仪用放大器的压电信号前置放大电路具体做法进行分析，提出改进方案，并进行实验验证。

1 现有基于仪用放大器前置电路的分析
常用的压电传感器一般为浮地信号源，采用仪用放大器来测量浮地压电信号源，一般容易想到的接法有3种，如图1所示：(a)为直接将信号源连至仪放两同相端作为差分输入；(b)为信号源一端接至仪放的参考地；(c)为通过2个等值电阻引出信号源的共模信号，并联至仪放的参考地。

对图1(a)所示接法，可以想象，存在这样的问题。当压电信号源相对于仪放参考地的共模信号很大时，将导致前置放大电路饱和或截止，不能正常工作。而实际中，特别是有强电磁场的工业现场环境，共模电压信号可能达到二、三十伏甚至更高。因此，这种接法是不可行、不实用的。
对图1(b)所示接法，压电信号源的负端和仪放参考地连在了一起。与图1(a)相比，这种接法，压电信号源不再浮地，输入信号相对于仪放参考地的共模成分被始终箝制为输入电压的1／2，得到了一定的控制；但是，共模成分还是存在的，还有使仪放易于饱和、有效输入范围被减小的弊病。另外，这种接法对仪放而言是一种不平衡的接法，压电信号源高输出阻抗意味着这种不平衡将带来一些问题，如造成外界对正负端的共模干扰转化为差模输入，进而使仪用放大器的抗干扰能力下降。
对图1(c)所示接法，从2个同阻值的电阻中间引出导线连接到仪放参考地。两个同阻值电阻中间引出的信号电位为VR=(Vi1+Vi2)／2，刚好是输入信号的共模成分。因此，这种接法将输入共模成分牵制在了参考地，即：如果不考虑电路动态过渡过程的话，这种接法的共模输入成分始终为0。这也是一种输入平衡的接法。这种接法的不足是：输入阻抗较前两种减小；特别是，未考虑共模成分抑制的动态过程。实际中，由于高的电路阻抗等原因，这种接法对外来的共模干扰的抑制衰减可能要花一些时间，因此，其抑制共模能力还应想办法进一步提高。