加速度信号调理电路设计及仿真
1．1 电荷放大器
由于压电式传感器的输出信号为微弱的电压信号或电荷信号，若要对它进行后续处理则必须将电压信号放大或把电荷信号变成电压信号再进行适调放大，这就需要电压放大器或电荷放大器这两种形式的高输入阻抗仪器与之配套，且必须要保证放大器本身的输入阻抗足够高，一般最低也要在1011Ω以上，因为压电式传感器的绝缘电阻在1010Ω以上，前置放大器输入电阻的减小将加剧由于漏电造成的电压或电荷的损失，从而可能导致大的测量误差。由于电压放大器的灵敏度随连接电缆的分布电容、传感器自身电容而变化，因此更多的采用电荷放大器。
理想条件下，工作频率足够高，放大器增益A足够大，电荷放大器输出V2为
其中，Q是电荷量，k是传感器灵敏度，g为传感器量程。
在设计中选用了中国兵器工业第204所研制的988型压电加速度传感器，其量程为100 000 g，频率响应25 kHz，传感器灵敏度系数大约为0．5 pc／g。放大器选择贴片式MAX4249，它是双运放可将电荷放大器和增益放大器集中在一起。MAX4249是低噪声、低形变运算放大器，单电源供电电压可低至2．4V，仅需400μA的静态供电电流，且具有超低的变形(0．0002％THD)，同时具有极低的输入电压噪声密度和极低的输入电流噪声密度，具有省电模式，此模式下电源供电电流降至0．5μA，这些特性使它成为要求低变形低噪声的电池供电的仪器的理想选择。
为降低系统功耗，芯片工作电源选3．3 V，通过信号调理电路后需要将电压信号调理成0～3．3 V的信号再输入给A／D转换器，所以在放大器正端加上+1．65 V电平，将电荷放大器输出的±1．66 V信号V2调理成近0～3．3 V的电压信号。由式(1)可推算出C1应设为30nf。由于系统要求电路体积小，所以全部使用贴片器件，为此选20 MΩ贴片电阻R3，从而通过式(2)估算出电荷放大器的下限截止频率为0．26Hz。
1．2 增益放大器
为实现通道量程的程控设置，系统增益放大部分将分母R4电阻固定为5 kΩ，分子R7电阻值由数字电位器提供，通过SOC片上系统C8051F 340对可程控数字电位器的初始电阻值编程，实现软件灵活控制放大倍数。
数字电位器选择MAX5497双组非易失性可编程线性可变电阻，双通道采集可共用一个数字电位器，减小了电路体积。其具有10位分辨率，可调电阻50 kΩ，所以信号调理电路放大倍数可达10倍；具有上电复位电路，当上电后可从非易失性电擦写可编程只读EEPROM存储器，恢复滑动端位置，50年滑动端位置保存时间；其SPI兼容串行接口，允许速度可达7 MHz的数据通讯；35 ppm／℃的端到端电阻温度系数，温度工作范围为-40～+85℃；可用+2．7～+5．25 V单电源供电或±2．5 V双电源供电，当将数据写入非易失性存储器时最大仅400μA电流，且不编程时最大待机电源电流仅1．5μA(典型)。其是低漂移可编程增益放大器这类要求低温度系数的仪器的理想选择。
评论