課程設(shè)計（論文）基于壓電加速度計的速度測量信號調(diào)理電路設(shè)計

1、燕山大學(xué)課 程 設(shè) 計 說 明 書 題目：基于壓電加速度計的速度測量信號調(diào)理電路設(shè)計學(xué) 院：電氣工程學(xué)院年級專業(yè)：學(xué) 號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：教師職稱：燕山大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書院（系）：電氣工程學(xué)院 基層教學(xué)單位： 儀器科學(xué)與工程系 學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)（班級）設(shè)計題目基于壓電加速度計的速度測量信號調(diào)理電路設(shè)計設(shè)計技術(shù)參數(shù)壓電加速度計的輸出信號是加速度信號，將加速度信號積分后，會得到速度信號。設(shè)計一種加速度信號調(diào)理電路，將加速度信號轉(zhuǎn)換為速度信號。用0-2.5v的直流信號表示0-10米/秒的速度信號。設(shè)計要求1：完成題目的理論設(shè)計模型；2：完成電路的multisim仿真；工作量1：完成一份

2、設(shè)計說明書（其中包括理論設(shè)計的相關(guān)參數(shù)以及仿真結(jié)果）；2：提交一份電路原理圖；工作計劃周一，查閱資料；周二到周四，理論設(shè)計及計算機(jī)仿真；周五，撰寫設(shè)計說明書；參考資料1:基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計2：模擬電子技術(shù)；3：電路理論4：數(shù)字電子技術(shù)指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。2011年6月18日目 錄第1章 摘要4第2章 引言4 第3章 電路結(jié)構(gòu)分析 5 3.1 基本原理分析5 3.2 電荷放大電路分析 6 3.3 積分電路分析 8第4章 參數(shù)設(shè)計及運(yùn)算 9第5章 multisim仿真分析 11第6章 誤差分析 12第7章

3、 心得體會13參考文獻(xiàn) 14第1章 摘要 本課程設(shè)計基于壓電加速度計，電荷放大電路和積分電路組成測量系統(tǒng)，模塊化的設(shè)計了速度測量和信號調(diào)理電路，并對調(diào)理電路進(jìn)行了仿真實驗。設(shè)計和仿真結(jié)果表明：壓電加速度計，電荷放大電路和積分電路的正確的配接，能實時、準(zhǔn)確地處理信號，能實現(xiàn)精確測量速度的目的。第2章 引言 壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微小，所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的

4、壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，由于線性集成運(yùn)算放大器的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了一些輸入阻抗很高的器件，因為集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的電荷放大器便有良好的基礎(chǔ)和發(fā)展前景。由于積分電路主要用于波形變換、可以將加速度信號轉(zhuǎn)換為速度信號，所以本課題巧妙的把積分電路加到設(shè)計中。第3章 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計總體設(shè)計框圖如下所示： 3.1 基本原理分析 壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被

5、測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。本文設(shè)計了壓電加速度計的速度測量信號調(diào)理電路。通過壓電加速度計，電荷放大電路和積分電路組成的測量系統(tǒng)進(jìn)行速度測量，由于壓電加速度計的輸出信號是加速度信號，所以需要對加速度信號設(shè)計信號調(diào)理電路，將加速度信號轉(zhuǎn)換為速度信號，下面選擇積分電路作為加速度信號的調(diào)理電路。最后按設(shè)計的要求，用0-2.5v的直流信號表示0-10米/秒的速度信號。 3.2 電荷放大電路分析荷放大器實質(zhì)上是一個負(fù)反饋放大器，它能夠得到與輸入電荷成比例的電壓輸出， 將壓電加速度計產(chǎn)生高內(nèi)阻的電荷信號轉(zhuǎn)換為一個低內(nèi)阻的電壓源。因此，電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作

6、用。理想情況下，這部分電路的輸入阻抗應(yīng)該無窮大.。電荷放大器的輸出電壓基本上不隨輸入連接電纜的分布電容而變化，鑒于它的特點這里選擇電荷電荷放大器。 圖1所示的為傳感器與測量電路連接的等效電路圖，其中是壓電加速度傳感器的固有電容，電容大小一般在1000pf左右，是輸入電纜等效電容，是輸入電纜絕緣電導(dǎo)。是放大器輸入電容，是放大器輸入電導(dǎo)，是反饋回路電容，是反饋回路電導(dǎo)。 圖1. 電荷放大器原理圖 由圖1知，此放大器是電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，從輸入端看反饋回路，相當(dāng)于有的阻抗和輸入端阻抗并聯(lián)，結(jié)果使閉環(huán)的輸入阻抗降低。所以閉環(huán)的輸入阻抗比開環(huán)時低好幾個數(shù)量級，而且隨頻率增加而降低。其中，所以有 反饋電容

7、在輸入端的作用下增加了（1+a）倍，使輸入回路的時間常數(shù)，主要由決定。當(dāng)輸入回路的時間常數(shù)很大時。，和的影響可以忽略不記，電荷q只對充電，傳感器的電壓靈敏度對電纜電容變化的影響大大降低。充電電容增加到（1+a）倍，充電電壓降低了（1+a）倍，但是此降低了電壓還要經(jīng)具有開環(huán)增益a的放大器放大，結(jié)果靈敏度還是沒變，而時間常數(shù)卻增加了（1+a）倍，這就是電荷放大器的實質(zhì)。電荷放大器的等效電路圖，如圖2所示： 圖2 電荷放大器等效電路圖由運(yùn)算放大器知識和電路理論可知，下列關(guān)系式成立。 由此可以可知，當(dāng)頻率高時，各導(dǎo)納大于各個電導(dǎo)，上式可改寫為 只要a足夠大，上式分母中的就遠(yuǎn)小于（1+a）；故可略去，有

8、 3.3積分電路分析 本設(shè)計中由于需要把壓電加速度計輸出的加速度信號轉(zhuǎn)換為速度信號，所以需要對其積分，采用德玻積分器，它使用了一個用一只電容作為負(fù)載的howland電源泵以實現(xiàn)同相積分。正如我們所知道的，這個泵將電流強(qiáng)行“打入”進(jìn)這只電容器。形成同相輸入電壓.然后運(yùn)算放大器將這個電壓放大給出,所以， 積分電路原理圖如圖3所示： 圖3 同相或德玻積分器第4章 參數(shù)設(shè)計及運(yùn)算4.1電荷放大器參數(shù) 因為電荷放大器是高增益的放大器，即k1，因此，一般情況下則有： 又因為電荷靈敏度 其單位是或pc/g。傳感器電壓靈敏度的單位是或者mv/g，s所以可由公式最終得到加速度a等于電壓/電壓靈敏度系數(shù)，單位為。

9、查閱市場產(chǎn)品，有d221/d222型號的電荷放大器，其靈敏度為0.3，頻率范圍為1hz12khz，m5頂端/連體電纜側(cè)端輸出。重量：2克，尺寸：7mm(六角)x1216mm(高)，m3螺釘安裝。選取電荷放大器的積分靈敏度為0.3， 由于的容量為100-10000pf，可選取值電容為111pf。4.2積分電路參數(shù)基本同相有源積分的基本關(guān)系式為： 積分時間常數(shù)為 輸出電壓與速度之間的關(guān)系式為： 根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求：=2.5v, v = 10m/s ，由電荷放大參數(shù)中，靈敏度=0.3，=111pf.所以求得時間常數(shù)=0.0108025 的大小決定了積分速度的快慢，當(dāng)輸入信號為正弦波時，的值不僅受運(yùn)算

10、放大器最大輸出電壓的限制，而且與輸入信號的頻率有關(guān)，對于一定幅度的正弦信號，頻率越低的值應(yīng)該越大。對于正弦波信號，積分電路的輸出電壓為： 因此，當(dāng)輸入信號為正弦波時，的值不僅受運(yùn)算放大器最大輸出電壓的限制，而且與輸入信號的頻率有關(guān)，對于一定幅度的正弦信號，頻率越低的值應(yīng)該越大。由于的最大值為1，設(shè)計中取.所以需要滿足下列關(guān)系： 即： =0.0038 s 所以上述所得的滿足要求。根據(jù)仿真的電路的調(diào)整，最終選擇r=21.605 ,.第5章 multisim仿真分析5.1積分電路部分的仿真電路如圖4所示：圖4： multisim仿真圖5.2仿真波形及分析輸入信號為正弦方波，仿真波圖形如圖5所示： 圖

11、5：積分電路仿真波形第6章 誤差分析 對于壓電加速度計，由于是壓電傳感器，會存在一定的外界環(huán)境因素，以致影響加速度計的靈敏度，例如零漂和溫漂。在電荷放大器中采用的電容負(fù)反饋，對直流工作點相當(dāng)于開路，故零漂較大而產(chǎn)生誤差。連接電荷放大器和后續(xù)電路的電纜如果很長的話，它們會略微影響電荷放大器的高頻特性。 對于有源積分電路，其輸出公式為：uo，為電容器上的初始電容，當(dāng)輸入電壓ui為零時，積分電路的輸出端存在一定數(shù)值的零漂移電壓，這個電壓隨時間變化，稱為積分漂移。運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓uio和輸入失調(diào)電流iio 對積分電路產(chǎn)生的影響將影響電路的輸出結(jié)果。此外，由于實際運(yùn)放的開環(huán)增益auo不是無窮大，而是一

12、個有限值，因此，對積分電路的輸出電壓也將產(chǎn)生影響。由于實際運(yùn)放的輸入電阻rid不是無窮大，因此也將對輸出電壓產(chǎn)生一定的誤差。輸入電阻rid的作用是降低了運(yùn)放的開環(huán)增益，使積分電路輸出電壓的相對誤差增加。當(dāng)時，輸入電阻rid的影響可以忽略。積分電容的泄漏電阻rc對積分電路輸出電壓的影響是比較大的，因此，為了提高積分電路的運(yùn)算精度，應(yīng)選擇漏電小，質(zhì)量好的電容。運(yùn)算放大器的有限帶寬會影響積分電路的傳輸特性，使積分電路的輸出電壓產(chǎn)生一定的時間滯后現(xiàn)象。運(yùn)算放大器的帶寬越窄，時間滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重。為了降低時間滯后現(xiàn)象，應(yīng)選用增益帶寬積比較大的運(yùn)算放大器。第7章 心得體會經(jīng)過為期一周的測控電路課程設(shè)計，讓我

13、受益良多，讓我學(xué)會了multisim仿真軟件、microsoft visio繪圖等軟件的基礎(chǔ)使用方法，在這一周里大部分時間都在思考原理，設(shè)計電路及參數(shù)，調(diào)試波形，以及對以前學(xué)過的傳感器，電路設(shè)計，模擬電路和數(shù)字電路等知識的回顧。在設(shè)計過程中，我們漸漸學(xué)會如何把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，提高自己的實際動手能力和獨(dú)立思考的能力，改正以前在理論學(xué)習(xí)中自己許多錯誤理解，更讓我對電路的知識與設(shè)計產(chǎn)生了濃厚的興趣。 本次測控電路課程設(shè)計，對我來說，學(xué)到的不僅是那些知識，更是讓我們學(xué)會了同學(xué)之間的合作與探討，以及許多資料的共享。不懂尋求同學(xué)，以及指導(dǎo)老師的幫助，而不是在自己的死胡同的無用的掙扎，小組人員的配合相處，以及自身的動腦和努力，對我們自身的成長及以后工作都是至關(guān)重要的。最后忠心感謝老師們一周以來耐心的講解與幫助。參考文獻(xiàn) 1 唐文彥. 傳感器. 機(jī)械工業(yè)出版社.2007年第四版 2