高性能電荷放大器的設(shè)計(jì)與研究

1、湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 學(xué)業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目: 高性能電荷放大器的設(shè)計(jì)與研究作 者 董 招 屆 別 2015屆 院 別 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 指導(dǎo)教師 程望斌 職 稱 副教授 完成時(shí)間 2015年05月 18日 摘 要隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電荷放大器在航空、航天、工業(yè)生產(chǎn)和智能通信等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。而傳統(tǒng)的電荷放大器或多或少存在不足，很難滿足實(shí)際應(yīng)用要求，為此需研發(fā)出一種性價(jià)比較高、實(shí)用性較強(qiáng)的電荷放大器。文中對電荷放大器的各個組成模塊進(jìn)行詳細(xì)闡述，其中系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)模塊主要包含電荷-電壓轉(zhuǎn)換模塊、歸一化模塊、濾波模塊、電源模塊、輸

2、出放大模塊。并對壓電加速傳感器的基本理論、電荷放大器電路的等效電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析說明，選用TL084四集成運(yùn)算放大芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。最后對電荷放大器進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比驗(yàn)證了電荷放大器的性能較好，證明了設(shè)計(jì)的可行性。因此，文中設(shè)計(jì)的電荷放大器具有一定的應(yīng)用價(jià)值和社會價(jià)值。關(guān)鍵詞：電荷放大器；壓電加速傳感器；測量電路；TL084AbstractWith the rapid development of modern science and technology, charge amplifier has been widely used in aviation, aerospa

3、ce industrial production and intelligent communication fields. And traditional charge amplifier has more or less some deficiencies, it is difficult to meet the requirements of practical application, therefore we need to develop a high performance price ratio and practical charge amplifier. This pape

4、r expounded the component module of charge amplifier in details, the module of the system hardware design mainly include charge to voltage conversion module, normalized module, filtering module, power module, the output amplifier module. After the detailed analysis of the basic theory of piezoelectr

5、ic acceleration sensor, charge amplifier circuit of equivalent circuit, choosing the chip TL084, the four integrated operational amplifier chip for the design of circuit. Finally, making simulate experiment for the charge amplifier, the comparison of experimental data validating the charge amplifier

6、 with good performance, proved the feasibility of the design. Therefore, the design of charge amplifier has a certain application value and social value.Key words：Charge amplifier; The piezoelectric acceleration sensor; Measurement circuit;TL084II目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒 論11.1 課題研究背景11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 課

7、題研究重點(diǎn)和思路3第2章 壓電式加速度傳感器的理論介紹52.1 傳感器的測量系統(tǒng)52.2 壓電式加速度傳感器的基本特性和工作原理52.3 壓電加速度傳感器基本測量電路6第3章 電荷放大器的整體硬件設(shè)計(jì)103.1 電荷放大器整體框圖103.2 電荷放大器各個模塊的設(shè)計(jì)103.2.1 電荷-電壓轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)103.2.2 歸一化電路的設(shè)計(jì)153.2.3 高通、低通濾波器的設(shè)計(jì)173.2.4 過載報(bào)警保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)203.2.5 電源模塊的設(shè)計(jì)213.2.6 輸出放大模塊的設(shè)計(jì)22第4章 電荷放大器的實(shí)驗(yàn)測試234.1 實(shí)驗(yàn)原理234.2 實(shí)驗(yàn)方法244.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果28第5章 總 結(jié)305.1

8、本文研究重點(diǎn)305.2 所做主要工作305.3 不足與展望305.3.1 不足305.3.2 展望31參考文獻(xiàn)32致 謝34第1章 緒 論1.1 課題研究背景隨著測量、控制和自動化等技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器技術(shù)逐漸地受到人們的重視。特別是近些年來，由于在科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及日常生活等多方面的需求，傳感器在各個領(lǐng)域中的起到的作用也日益顯著。在工廠生產(chǎn)自動化、能源的開發(fā)、災(zāi)害預(yù)警、醫(yī)療衛(wèi)生安全防范、生態(tài)保護(hù)等，這方面所開發(fā)的各種傳感器，不僅能代替人的感官方面的功能，并且還能檢測到人體感官不可以感受到的參數(shù)，給人們的生活提供了非常有利的條件。傳感器的迅速的發(fā)展是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的重要標(biāo)志之一，它在工業(yè)生產(chǎn)

9、上的應(yīng)用的已經(jīng)非常廣泛，它的使用程度的高低已經(jīng)被國際社會提名為衡量一個國家的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化等重要標(biāo)準(zhǔn)。傳感器的發(fā)展已被國際社會公認(rèn)為是很具發(fā)展前途的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。壓電加速傳感器1作為一種向自然界獲取信息的工具，它是將各種非電量按一定的轉(zhuǎn)化規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理、傳輸?shù)牧硪环N物理量的裝置，以滿足信息的傳送、處理、接收、記錄、存儲和控制的要求，它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和后續(xù)自動控制的第一環(huán)節(jié)。目前傳感器技術(shù)已經(jīng)成為了一種新型的科學(xué)技術(shù)。在傳感器領(lǐng)域中，有兩個概念是必不可少。一是信息的拾?。欢沁M(jìn)行拾取信息的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成一種更方便于傳輸處理的物理量，一般都是電量。它一般是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成。敏感元件是指在

10、傳感器系統(tǒng)中能構(gòu)直接感受或者響應(yīng)輸入量的部分,轉(zhuǎn)換元件是指傳感器系統(tǒng)中能將敏感元件感受到的被測量轉(zhuǎn)換成適于接收測量的電信號部分。理想的傳感器應(yīng)該能夠?qū)⒏鞣N被檢測量轉(zhuǎn)變成高輸出電平的電量，能輸出零輸出阻抗和噪聲，并且具有良好的線性與重現(xiàn)性控制。電荷放大器2作為組成壓電傳感器測試系統(tǒng)中的重要部分得到了越來越廣泛的應(yīng)用，目前市場上的測量電路價(jià)格比較昂貴，因此研制一種成本低、電路簡單、集成度高的電荷放大器是很有必要的。當(dāng)今世界各國越來越重視對電荷放大器的研究，并將其作為一個國家高速發(fā)展的重要標(biāo)志之一，所以研制出一種高精度的電荷放大器3具有非常高的實(shí)際意義和使用價(jià)值。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀壓電式傳感器是

11、以一些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，由外部力量的作用下，電介質(zhì)表面會產(chǎn)生一定量的電荷，從而達(dá)到非電量的檢測等目的。其種類有很多，可以分為壓力傳感器、壓電加速度傳感器、聲表面波傳感器、壓電水聲傳感器和電聲傳感器件等。其中的壓電加速度傳感器，又可稱之為加速度計(jì)或者是加速度表，是壓電式傳感器家族里的一個分支，世界各國以量值傳遞為標(biāo)準(zhǔn)的高頻、中頻振動基準(zhǔn)的、傳感器都是壓電式的。過去的三十年來，不論是國際還是國內(nèi)，噪聲工程、振動、沖擊等一些領(lǐng)域都獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。動態(tài)測試的技術(shù)也是日新月異，其中以沖擊振動的精確測量技術(shù)最為突出，壓電加速度傳感器作為振動與沖擊測量的核心部件，最早的是于1938 年，電阻應(yīng)變

12、片的發(fā)明之后研制成功的，并于1940 年開始應(yīng)用于航空和土木工程等各方面，由于它的問世，使振動與沖擊測量技術(shù)開始在工業(yè)界獲得廣泛的應(yīng)用。目前它的應(yīng)用范圍十分廣泛，大約占據(jù)目前所用的加速度傳感器總數(shù)的八成，其主要應(yīng)用在工業(yè)、汽車、航空這三大產(chǎn)業(yè)中，特別是在航空和宇航領(lǐng)域中它占據(jù)著特殊地位，而且也正在逐步走向人們的日常生活中?？梢赃@樣說，測試技術(shù)的水平與自動控制水平的高低是衡量現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)高低的重要標(biāo)志。隨著各個領(lǐng)域的不斷發(fā)展，壓電加速度傳感器慢慢的開始向多功能化、簡約化、系統(tǒng)化、智能化等方面發(fā)展。其具有高靈敏度、量程大、精度高、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗、溫度穩(wěn)定性好、適用于各種惡劣環(huán)境的優(yōu)

13、點(diǎn)，沖擊加速度的值也可以從幾分之一克變換到2x105克，在一定寬的溫度范圍內(nèi)其具有很好的特性。國際上，許多研究機(jī)構(gòu)和知名公司都開展了壓電加速度傳感器的研究。例如，美國的ENDEVCO公司一直致力與傳感器的研究。丹麥的B&K公司早在1942年就進(jìn)行了傳感器的開發(fā)，兩公司于1999 年合并，使合并后的公司成為當(dāng)今世界上傳感器及沖擊和振動測量設(shè)備的最大制造商；瑞士的Kistler是最早的生產(chǎn)廠商；成立于1967年的美國PCB 公司，以壓電技術(shù)而著稱，公司在研發(fā)制造沖擊、振動、測量儀器、力傳感器的技術(shù)在當(dāng)今的動態(tài)測試領(lǐng)域中起著領(lǐng)頭羊的作用，目前已成為國際上著名的動態(tài)測試儀器及傳感器的生產(chǎn)廠家。

14、我國研究傳感器起步比較晚些，國內(nèi)比較早的公司有：北京測振儀器廠，建于1966 年，是信息產(chǎn)業(yè)部下的專業(yè)制造力學(xué)、應(yīng)變、振動、聲學(xué)傳感器級測試儀器的骨干企業(yè)，也是國內(nèi)外本行業(yè)的知名企業(yè)；江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司始建于1965 年，可生產(chǎn)大量用途廣泛的振動傳感器和測試分析的儀器。振動測量就是檢測出振動的變化量，并將其轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的、便于分析、顯示和處理的電信號，振動信號的測量部分有兩個，一是由獲取振動信號的傳感器；二是將傳感器輸出的電信號進(jìn)行分析處理的放大器或變換器。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，這種技術(shù)現(xiàn)已成為研究和解決許多動力學(xué)中的問題不可或缺的手段。隨著電子信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在它不僅

15、可以精確測量出振動量的大小，而且還能精確地分析出其是何種信息與其參數(shù)，解決了長久以來只靠理論所無法解決的各種實(shí)際上的問題。測量信號和動態(tài)數(shù)據(jù)的分析與處理，是設(shè)備故障的診斷和問題分析的前提基礎(chǔ)。振動信號是一種頻率成分很豐富, 實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的信號，振動信號代表了系統(tǒng)的狀態(tài)和特征，利用振動信號對故障進(jìn)行診斷與分析，是故障診斷方法中最有效，最常用的方法。振動測量技術(shù)主要應(yīng)用在以下這幾個方面：振動疲勞測試；結(jié)構(gòu)動力特性測試；機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷；動力強(qiáng)度試驗(yàn)；重大工程設(shè)施的強(qiáng)震安全監(jiān)測；抗地震性能試驗(yàn)等。隨著振動測試技術(shù)理論的快速發(fā)展和生產(chǎn)中對測試技術(shù)需求的日益增長，高精度的測試儀器與現(xiàn)代化的測量方

16、法不斷的出現(xiàn)。從當(dāng)初的機(jī)械式測振儀，到今天各種由應(yīng)用物理學(xué)原理制成的傳感器，結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析軟件、FFT 分析儀、高精度與高速率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已在多個領(lǐng)域得到廣泛的發(fā)展。在震動測試領(lǐng)域中，電測法是當(dāng)中用的比較多的一種方法，其各個組成部分流程可劃分為：信息獲得、信息處理、信息轉(zhuǎn)換、信息顯示幾個部分。振動沖擊是作用在壓電加速度傳感器上4，壓電加速度傳感器就會產(chǎn)生相應(yīng)量的電荷，所以我們可以把壓電加速度傳感器看作是一個可以產(chǎn)生電荷的高內(nèi)阻元器件，但是此產(chǎn)生的電量很微弱，很難進(jìn)行直接測量或記錄，需要采用專用電路來抑制混入的干擾信號與噪聲，提取其中有用的電荷信號，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉奖阄覀冇涗浐蜏y量的信號。壓電加

17、速度傳感器輸出阻抗一般可以達(dá)到上千歐，如果輸入阻抗沒達(dá)到要求將會導(dǎo)致電荷泄漏，從而引起一定量的測量誤差，對測量效果造成影響。所以我們需要設(shè)計(jì)一個相應(yīng)的電路與壓電加速度傳感器共同使用。目前，電荷放大器這方面的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，可以實(shí)現(xiàn)多多檔位測量、通道輸入、多檔位增益可調(diào)等一些功能，向微型化、高精度方向發(fā)展。國內(nèi)電荷放大器的生產(chǎn)商有揚(yáng)州泰司電子有限公司，旗下產(chǎn)品TS5865，輸入靈敏度為0.11V/pC（1-3 檔），輸入電荷量為0105pC，其最大輸出電壓為10V，精確度 0.5，頻率范圍為 0.3Hz100kHz，噪聲輸入端折合小于5V，歸一化可連續(xù)調(diào)節(jié)，可數(shù)字顯示；還有天工精儀的ICA10

18、3，電荷輸入范圍為500pC50,000pC，輸出范圍是+10-10V，頻響為（誤差<0.1%）1Hz10kHz，將電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號時(shí)的輸出溫度的頻響誤差小、頻響誤差小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，電荷放大模塊則是采用金屬密封屏蔽，具有頻響誤差小、防潮和防震的優(yōu)點(diǎn)，而且還帶有校正電位器，并能外接電阻調(diào)節(jié)其增益大小，增益調(diào)節(jié)范圍為1100 倍，抗干擾能力非常強(qiáng)。國外，許多著名的大公司和企業(yè)以及許多的研究機(jī)構(gòu)都對壓電加速度傳感器進(jìn)行了研究。早在1943年，丹麥的B&K公司就開始了對它的開發(fā)和研究，美國也有一家公司叫“ENDEVCO”它也一直致力于對它的研制，兩公司于1999 年實(shí)現(xiàn)了合并，

19、之后便成了世界上最大的傳感器的制造廠商。瑞士也有一家公司，名為 Kistler ，它是全球最早的生產(chǎn)廠商；美還有一家PCB 公司，在1967年正式誕生，它以壓電制作的技術(shù)而聞名于世界，公司在研發(fā)和制造測量儀器的技術(shù)這方面處于世界領(lǐng)導(dǎo)地位，目前該公司已經(jīng)成為全球知道名的傳感器生產(chǎn)廠家。所有這些電荷放大器性能已經(jīng)做得很完善，完全能適用于沖擊和振動的測量。1.3 課題研究重點(diǎn)和思路本文先對電荷放大器電路作了理論分析和研究，在參閱大量文獻(xiàn)和資料的基礎(chǔ)上采用高精度的測量放大集成芯片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文研究的主要內(nèi)容包括壓電加速度傳感器的介紹、電荷放大器的電路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)總結(jié)及課題研究結(jié)論。電荷放大器的電路設(shè)

20、計(jì)具體包括下面幾部分：（1）研究重點(diǎn) 電荷放大電路 歸一化電路 高通、低通濾波器的設(shè)計(jì) 輸出放大模塊的設(shè)計(jì) 電源模塊的設(shè)計(jì) 過載報(bào)警保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)（2）研究思路先從壓電加速度傳感器的原理、靈敏度、頻率響應(yīng)、等效電路等多方面進(jìn)行詳細(xì)分析，確定壓電加速度傳感器對其后續(xù)測量電路的要求，探討實(shí)現(xiàn)該測量電路的兩種方案，對比優(yōu)缺點(diǎn)之后，確定電荷放大器的設(shè)計(jì)方案。再根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作電荷放大器，最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其功能。4第2章 壓電式加速度傳感器的理論介紹2.1 傳感器的測量系統(tǒng)傳感器的作用就是將振動量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。為了能準(zhǔn)確地進(jìn)行振動量測量，對傳感器提出的基本要求包括：（1）具有較寬的動態(tài)范圍和頻率響

21、應(yīng)范圍，即對非常低和非常高的振動能做出精確的響應(yīng)；（2）在其頻率響應(yīng)范圍內(nèi)有著很好的線性度；（3）對噪聲干擾具有最低的靈敏度5；（4）工作可靠、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、能夠長時(shí)間保持穩(wěn)定的特性。壓電加速度傳感器的所以預(yù)處理理論就是基于以上四點(diǎn)的。測量系統(tǒng)中各個組成部分的組成和關(guān)系如圖2.1所示。圖2.1 測試系統(tǒng)的組成2.2 壓電式加速度傳感器的基本特性和工作原理在圖2.1中，傳感器是一個把被測的非電物理量轉(zhuǎn)換成電量的儀器6，因此它是一種獲取信息的方法，它在傳感器測量系統(tǒng)中起著非常重要的作用，系統(tǒng)的好與壞是由它獲取有用信號能力的高低決定的，作用就是把經(jīng)過傳感器后電信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉奖惴治龅碾妷夯蛘唠娏餍盘?，從而?/p>

22、的信號可以被記錄和顯示出來，傳感器類型的選擇決定了測量時(shí)所用的電路的種類。壓電加速度傳感器是一種最為常見的傳感器。某些電介質(zhì)在某一方向施加作用力時(shí)，其表面會產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象就稱之為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是材料受到壓力作用時(shí)所產(chǎn)生的電極化的現(xiàn)象，它是一種可逆效應(yīng)。利用此壓電效應(yīng)而制成的傳感器稱之為壓電式傳感器。壓電式傳感器由質(zhì)量塊、支座、壓電元件三部分組成。支座與待測物剛性固定在，它們是以同一加速度運(yùn)動，壓電元件受振動和加速度作用后產(chǎn)生一個與加速度成正比的力，在此力作用下沿其表面會形成與這一力成正比的電荷信號，若振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷與作用力成正比，電荷信號經(jīng)前置放大器

23、放大后，就能由一般的測量儀器測試出電荷的大小，從而得出物體實(shí)際加速度的大小。2.3 壓電加速度傳感器基本測量電路壓電加速度傳感器有著高內(nèi)阻、輸出信號較弱的特點(diǎn)，它除自身帶有極高的絕緣電阻外，同時(shí)還要求負(fù)載電阻的阻抗足夠高，以防止由于電荷的迅速泄漏而引入的測量誤差，因此測量電路的前置放大電路的作用主要有兩個：其一傳感器的高阻抗輸入量轉(zhuǎn)換為低阻抗的輸出量；其二是將傳感器的輸出信號放大。（1）電壓放大器電壓放大器又被稱為阻抗變換器，它的輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。其電路圖如圖2.2所示。其中，由圖2.2可以得出：(2.1)(2.2)假設(shè)由交變力Q/U 作用而產(chǎn)生的電荷量是按正弦規(guī)

24、律而變化的，則電荷量Q可以表示為，Q =dF =dFmsint，帶入（2.2）式可得：(2.3)通過式（2.3）的分析，再結(jié)合實(shí)際電路，可以得出輸入電壓為：(2.4)則輸入電壓和作用力的相位差分別為，(2.5)(2.6)其中，是時(shí)間常數(shù)，=R (Ca+Cc+Ci )。當(dāng)2R2 (Ca+Cc+Ci)2 »1 ,可計(jì)算出放大器的輸入電壓幅值 Ui ： (2.7)由式（2.7）分析可以知道，當(dāng)電路條件得到一定的滿足時(shí)，此時(shí)的輸入電壓不會因?yàn)楸粶y頻率的變動而變化，因此提高回路的時(shí)間常數(shù)，可以使得低頻段帶寬變寬，而靈敏度的計(jì)算公式為：(2.8)當(dāng)2R2 (Ca+Cc+Ci)2 »1時(shí)

25、，(2.9)若回路的時(shí)間常數(shù)變化時(shí)將會傳感器靈敏度造成不同程度的影響，所以一般用輸入阻抗非常大的前置放大器來克服這個缺點(diǎn)。由式（2.7）和（2.9）我們可以得出，當(dāng)放大器跟傳感器的連接電纜長度被改變時(shí)，會造成分布電容Cc的改變，從而給輸出電壓的靈敏度帶來一定的影響，并影響輸出結(jié)果。這正是電壓放大器的不足之處，而電荷放大器不會出現(xiàn)這方面的問題。（2）電荷放大器電荷放大器是一種能將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出的放大器，通常被用作傳感器的轉(zhuǎn)換電路，被廣泛地應(yīng)用于自動控制等領(lǐng)域。電荷放大器7在測量系統(tǒng)中最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是電纜分布電容的變化不會影響其測量結(jié)果，也就是說，在測量和定度時(shí)，若更換不同長短、不同型

26、號的電纜都不會改變儀器的靈敏度，所以電荷放大器適用于那些需要改變輸入連接電纜長度的場所。壓電加速度傳感器與電荷放大器連接的示意圖如圖2.3所示。圖2.3 壓電加速度傳感器和電荷放大器的等效電路電路中采用的反饋是負(fù)反饋，該電路對電纜噪聲非常敏感，一旦混入噪聲很容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，引入測量誤差，為了消除零點(diǎn)漂移，讓放大器工作在穩(wěn)定區(qū)域，改進(jìn)的辦法通常是給反饋電容的前后兩端并聯(lián)一個大電阻Rf（約101014 10），讓這個電阻來產(chǎn)生直流反饋。由放大器8的“虛地”可以計(jì)算出折合后有效容值Cf為：(2.10)反饋電阻Rf等效到放大器的輸入端的有效電阻 為：(2.11)為角頻率，再根據(jù)圖2.3，通過電路理論

27、得出放大器的輸出電壓為：(2.12)通過化簡得出其輸出電壓為：(2.13)由于實(shí)際電路中采用的運(yùn)算放大器開環(huán)增益9A的數(shù)量級為104106，因此，（1+A）>> Ca+Cc+Ci，所以，Ca、Cc 和 Ci都可以忽略不計(jì)，由（2.13）式可知，當(dāng)Ra、Ri與 Rf足夠大時(shí)，該式可改寫為： (2.14)由式（2.14）可知，在頻率較低時(shí)，(1+A)/Rf的比值與jCf的值相當(dāng)，那么就不可以忽略（1+A）/Rf的作用了，根據(jù)復(fù)變函數(shù)理論，輸出電壓的幅頻響應(yīng)函數(shù)為：(2.15)由式（2.15）可知，當(dāng)信號頻率越小，1/Rf作用越來明顯，Rf 與Cf一樣重要，可以推導(dǎo)得出電荷放大器的下限頻

28、率是由反饋電阻和反饋電容決定的。聯(lián)合（2.14）式可以得出，電荷放大器的輸出電壓 Uo 與電荷Q 是成正比的，與信號的頻率并無關(guān)系，與電纜電容Cc也無關(guān)系，可以對傳感器的導(dǎo)線長度沒有要求。（3）內(nèi)置集成電路的壓電傳感器隨著集成科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷地將阻抗變換器直接與后面的測量電路器件集成，縮短了引線，避免了電纜電容帶來的不良影響影響。ICP(Integrated Circuits Piezoelectric)傳感器就是指內(nèi)置集成電路的壓電傳感器，整個系統(tǒng)包括ICP 傳感器，一個不間斷電源普通的雙芯電纜，所有的ICP 系統(tǒng)都需要不間斷恒流電源為ICP 傳感器提供恒定的電流。相比于外置前置放大器的

29、壓電傳感器，它能克服多種缺點(diǎn)，而且供電電纜也是作為信號輸出線。有兩個因素來決定它的低頻響應(yīng)：時(shí)間常數(shù)和信號適調(diào)器的藕合電容。如果信號的輸出方式是直流藕合輸出，這樣其低頻響應(yīng)只有一個因素決定，那就是時(shí)間常數(shù)，不過直流耦合會帶來零點(diǎn)漂移問題，因此大多信號適調(diào)器都采用交流藕合。綜合以上的分析，電壓放大器測量精度受電纜長度影響較大，基于這個缺點(diǎn)，不利于儀器推廣。而電荷放大器在保證電路簡單、精度高的前提下，能夠克服電壓放大器的缺點(diǎn)，在電纜長度改變時(shí)不再需要對測量系統(tǒng)進(jìn)行重新標(biāo)定或計(jì)算8，這在遠(yuǎn)距離測量、經(jīng)常要換用不同長度輸入電纜時(shí)非常方便，對實(shí)際測量來說具有重要的實(shí)用意義。對微弱信號的處理上來說，保證精

30、度很重要，而且對于在實(shí)際工程測量來說，方便又很實(shí)用很。電荷放大器在接收壓電傳感器的信號這方面的能力要強(qiáng)于電壓放大器，而且壓電加速度傳感器本身就是電荷式的，所以電荷放大器得到了更廣泛的應(yīng)用。隨著小電容、配套儀表、高絕緣、低噪聲、電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。隨著集成技術(shù)的發(fā)展以及實(shí)際工程的需要，現(xiàn)在的壓電加速度傳感器的測量電路一般都用電荷放大器10，本設(shè)計(jì)中采用的就是該方案。第3章 電荷放大器的整體硬件設(shè)計(jì)3.1 電荷放大器整體框圖壓電傳感器輸出的電荷量很小，一般的測量電路輸入的阻抗比較低，而壓電傳感器的內(nèi)阻很高，為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，這就要求后續(xù)測量的電路的輸入阻抗也必須要高，如果不

31、能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗匹配，就會導(dǎo)致傳感器所測量的電荷經(jīng)過測量電路之后會泄漏掉，造成測量的誤差。電荷放大器的輸出電壓跟加速度a的關(guān)系可用式（3.1）來表示。（3.1）本次設(shè)計(jì)的電荷放大器模塊流程如圖3.1所示。圖3.1 電荷放大器框圖該部分電路由電荷轉(zhuǎn)換電路、歸一化電路、高低通濾波電路、輸出放大電路、過載指示電路、穩(wěn)壓電源電路等幾部分組成。由于是對微弱信號進(jìn)行放大，所以信號很容易被噪聲等淹沒。因此一般將放大增益最大的轉(zhuǎn)換級放在第一級。3.2 電荷放大器各個模塊的設(shè)計(jì)3.2.1 電荷-電壓轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)本模塊是用在放大電路的第一級，起著將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的作用，同時(shí)它也是引入噪聲的主要電路，該部分電

32、路的關(guān)鍵在于低噪聲器件的選擇和電子線路及其工作狀態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該電路主要是運(yùn)用利用積分器來實(shí)現(xiàn)電荷到電壓的轉(zhuǎn)換，再加上負(fù)反饋電容Cf共同構(gòu)成此部分電路模塊，電路圖如圖3.2所示。圖3.2 電荷轉(zhuǎn)換電路圖由圖3.2可得：（3.2）由式（3.1）和（3.2）可得：（3.3）由最后得出的式（3.3）可以看出，輸入電荷量的大小正比于積分電路的輸出電壓，積分電路的輸出電壓又與反饋電容Cf成反比的關(guān)系，負(fù)號則是表示與輸入信號的相位相反，要想控制電荷放大器的靈敏度可調(diào)我們只需要控制反饋電容11的大小即可。（1）運(yùn)放的選取本設(shè)計(jì)選用的是TI公司的TL084 這款芯片，該芯片是寬帶結(jié)型場效應(yīng)高輸入阻抗運(yùn)算放大器

33、，其以結(jié)型場效應(yīng)管作為輸入級，具有極高的輸入阻抗，低偏置電流和低輸入失調(diào)電流。除此之外，該芯片的失調(diào)電壓比較小、失調(diào)電壓溫漂小而且噪聲電流也比較小。該芯片還被譽(yù)為Hi-Fi四大運(yùn)放名品之一，價(jià)格也比較低廉，被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，典型應(yīng)用有精密高速積分器、高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣保持電路和光電放大器等。TL084的典型參數(shù)有：輸入阻抗1012 ，開環(huán)增益100 dB，輸入失調(diào)電壓3 mV，輸入偏置電流3 pA，共模抑制比為100 dB，符合設(shè)計(jì)的參數(shù)要求。芯片的引腳如圖3.3 所示。圖3.3 TL084 芯片引腳圖該芯片在使用過程中，要注意下面幾個問題： 所有的電壓值，除差分電壓，是相對于零參考電

34、平的電源電壓（地）其中零參考電平中點(diǎn)之間的VCC +和VCC -。且絕對值要相等。電源兩端都需要加反饋電容來濾除干擾。 差分電壓是在相對于反相輸入端非反相輸入端。 輸入電壓的幅度絕不能超過電源電壓或15 V的大小，以較少者為準(zhǔn)。 輸出可能短路到地或任一電源。溫度和電源電壓必須限制，以確保不超過額定功耗。（2）反饋電容的選擇反饋電容 Cf的精度決定了放大器的精度。過小的 Cf自身易受分布電容影響, 很難保證測試精度的要求, 也不利于改善電路的低頻響應(yīng)特性。同時(shí)為保證一定的增益, Cf不能取太大, 它的選擇范圍一般在100 10000 pF之間。所以在經(jīng)過對電容性能進(jìn)行比較之后，選擇使用CB10型

35、聚苯乙烯薄膜電容器件做反饋電容，具有負(fù)溫度系數(shù)、絕緣電阻高及損耗小、電容量穩(wěn)定性好、內(nèi)阻高、介質(zhì)損耗極低、低漏電、標(biāo)稱容量誤差小等特點(diǎn)，適用于儀器儀表及家用電器上，符合本設(shè)計(jì)需要。反饋電容取值的選擇與閉環(huán)增益、干擾噪音以及對電路的要求、截止頻率等均有關(guān)系，下面我們分析反饋電容的取值問題?，F(xiàn)在假設(shè)干擾信號的交流干擾源為eN ，將其等效到輸入端的電路圖如圖3.4 所示。圖3.4 干擾源的電路等效圖在圖3.4中，G 是電纜的電導(dǎo)與輸入電導(dǎo)的疊加，計(jì)算公式為： （3.4）C是電纜電容跟輸入電容的疊加，計(jì)算公式為： C=Ci+Cc （3.5）令輸入值U i =0，若此時(shí)在輸出端的干擾為eoN，可推倒eN

36、和eoN之間的關(guān)系為：（3.6）當(dāng)電導(dǎo)的作用遠(yuǎn)小于電容時(shí)：（3.7）下限截止頻率有公式f L=1/ 2pRf Cf計(jì)算求得，從對截止頻率的要求考慮，一般選取Rf和Cf的值要使時(shí)間常數(shù)=Rf Cf較大，所以需要 Cf值大些。綜合以上分析可得，反饋電容過大，則噪聲就會偏大12；過小則反饋深度就會偏小，從而輸出幅度穩(wěn)定性變壞，這兩者都會影響電路的實(shí)際表現(xiàn)。綜合考慮干擾和增益這兩方面的要求，Cf選擇范圍一般在100pF10000pF 之間。（3）反饋電阻的選擇反饋電阻Rf可提供直流負(fù)反饋, 使電荷放大器穩(wěn)定工作。Rf值通常由低頻下限f L = 1/2PRfCf求出。對于測試系統(tǒng)而言, 希望fL盡量低,

37、因此Rf值都很大。令式（3.7）中的0，可得：（3.8）從式（3.8）中我們可以知道，要減小直流漂移，就得增加Ri和Rc的值。同時(shí)還要保證電阻 Rf盡量的小，這樣可以防止直流便宜，穩(wěn)定電路的直流工作點(diǎn)。下限頻率的計(jì)算式f L=1/ 2pRf Cf ，它的值的大小由兩個反饋原件決定，在C f 保持不變的情況下，要使得下線截止頻率盡可能的偏低，反饋電阻Rf就要做得很大。由此我們可以得出：如果Rf過大，將會給電路帶來干擾，影響電路的正常的工作，對測試結(jié)果造成誤差；如果Rf過小，則會增加低頻截止頻率。所以這兩者之間是相矛盾的。該部分電路采用的是低阻值電阻組成T型網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)電路功能，這樣能使得誤差極大地

38、下降。 （4）電荷-電壓轉(zhuǎn)換部分電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)如圖3.5所示，為了防止TL084 過載損壞，電路中在TL084的反相端串接上電阻R2；為了對相位進(jìn)行補(bǔ)償，在R2兩端并聯(lián)上電容C5，避免R2與運(yùn)放TL084 的輸入電容構(gòu)成另一個極點(diǎn)，從而在電路內(nèi)部形成自激振蕩；電容 C4是為了隔離傳感器的直流漂移；R3、R4、R5 為調(diào)零電阻，是為了實(shí)現(xiàn)差分放大電路的對稱性，由此來減少失調(diào)電壓和失調(diào)電流；C2和C3，C6和C7是為了濾除電源對 TL084 的干擾；壓電加速度傳感器13的輸出信號很微弱，為了使電荷轉(zhuǎn)換級能夠正常驅(qū)動后級電路，在電荷-電壓轉(zhuǎn)換之后設(shè)計(jì)成功率型輸出，以提高輸出級的帶負(fù)載能力，同時(shí)又能

39、減小輸出信號的交越失真。圖3.5 本設(shè)計(jì)實(shí)際示意圖該部分電路選用的芯片是TDA2030，是TDA2030的典型功率放大電路應(yīng)用，二極管D1和D2是為了保護(hù)芯片過載受損而設(shè)計(jì)的，C8 和C9，C12和C13 分別濾除電源對TDA2030 的干擾影響；多數(shù)放大器在各級之間加隔離電容來減小直流漂移的影響，電容C16起到了隔離直流零漂的作用。3.2.2 歸一化電路的設(shè)計(jì)歸一化電路在電荷放大器中起到的作用可以這樣描寫敘，使用不同靈敏度的壓電加速度傳感器去對同一被測量進(jìn)行測量時(shí)，得到一致的輸出值。歸一化電路使電荷放大器14的使用不再受制于傳感器的限制，因此歸一化電路在實(shí)際中得到了更廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)假如有2個

40、加速度傳感器，一個電荷靈敏度為 另一個為，電荷放大器15的電荷轉(zhuǎn)換部分靈敏度可以表示為假設(shè)歸一化的靈敏度表示為 ，當(dāng)有一個加速度值加在壓電加速度傳感器上時(shí)，兩只傳感器經(jīng)過歸一化電路后對應(yīng)的輸出分別為（這里假設(shè)反饋電容Cf=1000pF）： 所以，輸出值是否相同，取決于K'1和K'2的值。若K'1=8, K'2=5，則兩個輸出分別為：從上面的理論分析可以得出，當(dāng)被測量一定時(shí)，使用歸一化電路對不同靈敏度的壓電加速傳感器能夠得出同樣的輸出，所以歸一化電路在實(shí)際的測量中起著非常重要的作用。通常實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)的歸一化電路都采用了比例運(yùn)算電路。常用的此類電路有反相比例運(yùn)算電路

41、、T 形反饋網(wǎng)絡(luò)電路和同相比例運(yùn)算電路。（1）反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路如圖3.6所示。圖3.6 基本反相比例運(yùn)算電路由圖可知，輸出電壓uo和ui相位是相反的，該反饋類型是電壓并聯(lián)負(fù)反饋，R'為平衡補(bǔ)償電阻，R'=R/Rf 。運(yùn)用基本電路知識分析可以知道，該運(yùn)放是理想集成反向比例運(yùn)放，輸入與輸出的關(guān)系可用式（3.9）表示：（3.9）（2）T形反饋網(wǎng)絡(luò)電路基本的T形反饋網(wǎng)絡(luò)電路如圖3.7所示。圖3.7 T形反饋網(wǎng)絡(luò)電路圖根據(jù)電路列節(jié)點(diǎn)方程：（3.10）則節(jié)點(diǎn)M 的電位和R3 、R4 的電流可表示為： （3.11）（3.12）（3.13）輸出電壓U0可表示為：（3.14）將節(jié)

42、點(diǎn)電流方程帶入式（3.14），整理可得：（3.15）當(dāng)R3 =¥時(shí)，式（3.15）就成了反相比例表達(dá)式。R3的使用減少了反饋系數(shù)，為了使反饋深度能達(dá)到要求和獲得較大的集成運(yùn)放應(yīng)采用開環(huán)增益16。（3）同相比例運(yùn)算放大電路同相比例運(yùn)算放大電路如圖3.8所示。圖3.8 同相比例運(yùn)算放大電路同相比例運(yùn)算電路輸入量與輸出相位同相，并且輸出量要比輸入量大。同相比例運(yùn)算放大電路的特點(diǎn)為輸出電阻低，輸入電阻高的特點(diǎn)，由于集成運(yùn)放同時(shí)又帶有共模輸入，所以要選用共模抑制比較高的集成運(yùn)放電路。由放大器的“虛短”和“虛斷”的理論可推導(dǎo)出:（3.16）綜合以上理論的分析，文中選用反相比例放大電路來對歸一化放

43、大電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，其電路圖如圖3.9所示。圖3.9 歸一化放大電路3.2.3 高通、低通濾波器的設(shè)計(jì)在某些振動測試中，電荷放大器17的通頻帶會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際的需要，無用的高頻頻帶對低頻測試只會帶來不利的影響，所以在系統(tǒng)中需采用低通濾波器，使得無用的高頻分量得到較大的衰減，以方便提取有效信號。系統(tǒng)在測試測量過程中會混入多種干擾。信號在采集、傳輸和處理與生成等若干環(huán)節(jié)中都可能遭受到不同程度的污染，而產(chǎn)生誤差。為此就要用濾波器濾掉不需要的成分，保留其中有用信號。在電荷-電壓轉(zhuǎn)換的時(shí)候，當(dāng)輸入電阻一定時(shí)，在切換增益檔時(shí)，電路直流放大倍數(shù)變化很大，輸出零點(diǎn)跳動很大，以及其他多種原因?qū)е轮绷髌疲杂斜匾?/p>

44、低通濾波器后面加一個高通濾波器，將直流部分濾除。（1）高通濾波器的設(shè)計(jì)高通濾波電路如圖3.10所示。 圖3.10 Butterworth 二階高通濾波電路根據(jù)電路原理圖，可以得出電路的品質(zhì)因數(shù)Q,通帶放大倍數(shù)和電路傳遞函數(shù)分別為：（3.17）（3.18）（3.19）令w0=2pf0=1/RC, 選擇低頻截止頻率等于1Hz，C =20uF，則由fL=1/2pRC,計(jì)算可得，R1=R2=8.06 kW。品質(zhì)因數(shù)Q=0.707，即：（3.20）最后得出：（3.21）由于要使集成運(yùn)放的正相輸入端和反相輸入端的電阻達(dá)到平衡，要求RA / RB =R+R =16.12kW , 可求得R A =24.9kW

45、，R B =43kW。（2）低通濾波器的設(shè)計(jì)通常來說，特定的截止陡峭度隨濾波器級數(shù)的增加而趨于理想，為了保證信號質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)采用Butterworth 二階低通濾波器濾波，如圖3.11 所示。 圖3.11 Butterworth 二階低通濾波電路由圖可列式子：（3.22）（3.23）（3.24）根據(jù)節(jié)點(diǎn)M可以列節(jié)點(diǎn)方程：i1=i2+i3，將各量帶入節(jié)點(diǎn)方程可得：（3.25）聯(lián)立式（3.22）、（3.23）、（3.24）并求解，可得電路傳遞函數(shù)為：（3.26）則有：（3.27）當(dāng)電路的截止頻率為1kHz，電容的容量C =10 nF時(shí)，根據(jù)fH =1/2pRC計(jì)算公式,計(jì)算得出R =16k。濾波

46、器通帶的狀態(tài)是用品質(zhì)因素來表明的，本設(shè)計(jì)采用巴特沃斯濾波，通常取Q=0.707，相移1/4p可得：（3.28）要使集成運(yùn)放正相輸入端和反相輸入端電阻要達(dá)到平衡，所以RA / RB =R+R =32kW ,可求得R A =86.6kW，R B =51kW。濾波器的特性和穩(wěn)定性與每個元件的精度有關(guān)，故需選擇精度高的元件。根據(jù)濾波器的快速設(shè)計(jì)理論，再結(jié)合該設(shè)計(jì)中信號的頻率變化范圍大的要求，選用TL084 作為濾波器的運(yùn)算放大器19，在這個電路中，可以通過改變電阻R1、R2的阻值來改變上限截止頻率的大小，只要滿足R1= R2= R即可。由式（3.21）可以看出，該濾波器的通帶增益要小于3才能使電路穩(wěn)定

47、工作，本設(shè)計(jì)選擇帶內(nèi)增益為2。3.2.4 過載報(bào)警保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)過載保護(hù)電路有著即使在電路中過流及輸出短路時(shí)，也能保護(hù)系統(tǒng)中元器件不受損壞的作用，同時(shí)又具備警示的功能。本設(shè)計(jì)采用的是窗口比較器電路，此時(shí)集成運(yùn)放設(shè)為開環(huán)狀態(tài)，工作在飽和區(qū)內(nèi)，根據(jù)同相端與反相端電位高低的不同，而輸出高、低電平兩種狀態(tài)。采用雙比較器芯片LM393，該芯片偏置電流小、差分輸入電壓范圍大(±30V)、失調(diào)電流小，并可驅(qū)動LED 指示燈和繼電器，而且即可以單電源供電，又可以雙電源供電。本模塊設(shè)計(jì)如圖3.12所示。圖3.12 本設(shè)計(jì)過載指示報(bào)警電路圖中LM393 設(shè)計(jì)為OC 門輸出，所以電路分別加了兩個10KW

48、的上拉電阻。圖中+10V 和 -10V 均為參考電壓，在正常情況下，電荷放大器20的輸出值介于這兩者之間； D1 、D2是為了保護(hù)電路的安全而設(shè)計(jì)的，當(dāng)參考電壓接法正確時(shí)電路正常工作或者是接反時(shí)，這兩個發(fā)光二極管就可以保護(hù)電路中芯片不被燒壞；選擇芯片的供電電壓為+15V。當(dāng)輸入電壓值處在正負(fù)10V 之間時(shí)，兩只發(fā)光二極管都不會發(fā)光；當(dāng)輸入電壓低于-10V時(shí)，黃色發(fā)光二極管會導(dǎo)通燃亮；當(dāng)輸入電壓高于正10V 時(shí)，紅色發(fā)光二極管會導(dǎo)通燃亮；可以達(dá)到高限報(bào)警與低限報(bào)警的目的。從而能夠根據(jù)發(fā)光二極管的發(fā)光情況來降低或提高輸出放大級的放大倍數(shù)。3.2.5 電源模塊的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，需要±15V

49、和±12V 的供電電壓，設(shè)計(jì)電源如圖3.13、3.14所示。交流電先經(jīng)過變壓器，再經(jīng)過整流濾波后得到的直流輸入電壓為Ui，并將其接在輸入端和公共端之間，在輸出端即可得到穩(wěn)定的輸出電壓Uo。為了抵消輸入線較長帶來的電感效應(yīng)，防止自激現(xiàn)象的產(chǎn)生，常在輸入端接入電容Ci（一般其容量值為0.33uF）。同時(shí)，在輸出端接上電容Co ，以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)和消除輸出電壓中的高頻噪聲， Co的容量一般為0.1uF至幾十微法。兩個電容應(yīng)直接接在集成穩(wěn)壓器的引腳處。若輸出電壓比較高，應(yīng)在輸出端和輸入端跨接一個保護(hù)二極管VD，作用是在輸入端短路時(shí)，使Co 通過二極管放電，來保護(hù)集成穩(wěn)壓器內(nèi)部的調(diào)整管。輸

50、入直流電壓Ui的值至少比輸出電壓Uo高2V左右。圖3.13 ±15V 電壓電路圖圖3.14 ±12V 電源電路圖3.2.6 輸出放大模塊的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)放大級電路采用同相比例運(yùn)算放大來對電路進(jìn)行放大，這樣能保證電荷放大器的輸出信號與輸入信號一致。高通濾波電路中包含了此輸出放大電路，如圖3.15所示。圖3.15 輸出放大模塊電路圖同相比例放大電路由電阻R20、R21與芯片TL084組成。整個電路的增益可以通過改變同相放大器的增益來改變，此做法也使得壓電加速度傳感器的輸出信號與電路的輸出信號保持相位一致。第4章 電荷放大器的實(shí)驗(yàn)測試4.1 實(shí)驗(yàn)原理本次實(shí)驗(yàn)要用到的裝置設(shè)備有信號拾取

51、設(shè)備、激振設(shè)備、顯示分析儀器以及信號處理裝置。主要使用的儀器有：D10A 電動式振動臺，最大可以產(chǎn)生100N 的振動源，最高頻率5kHz；勵磁電源，主要給振動臺供直流電以激發(fā)磁場，從而激勵振動臺振動；FG10 功率放大器，最大輸出電壓為15V；一臺標(biāo)準(zhǔn)電荷放大器TS5865；兩只壓電加速度傳感器，屬于通用振動沖擊類，電荷靈敏度為5.14pC/g，頻率范圍為0.5 5 kHz；本設(shè)計(jì)的電荷放大器；用于觀察信號波形的Agilent 54622D 示波器；還有屏蔽盒。裝置連接如圖4.1所示。圖4.1 實(shí)驗(yàn)裝置連接示意圖實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物連接如圖4.2 所示，實(shí)驗(yàn)通常選用160Hz 或者100Hz 的信號

52、作為實(shí)驗(yàn)信號19。其中，兩路相同壓電加速度傳感器輸出信號分別經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)電荷放大器和本設(shè)計(jì)的電荷放大器輸出到示波器顯示，在示波器上觀察比較兩路信號，以檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)電荷放大器的性能。圖4.2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖4.2 實(shí)驗(yàn)方法（1）反饋電阻放大器中的作用通過對第3章的理論分析可知電荷放大級的反饋電阻對電荷放大器低頻頻響的影響比較大14，本實(shí)驗(yàn)的反饋電容選定為1000pF，再選擇不同阻值的反饋電阻（5G 、5TW、50T）來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證對其輸出的影響。調(diào)整信號分別輸出100Hz 的正弦信號作輸入信號對本設(shè)計(jì)電荷放大器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。圖4.3、圖4.4、圖4.5分別是不同情況下電荷放大器的輸出波形。圖4.3

53、反饋電阻為5G時(shí)本設(shè)計(jì)的輸出波形圖4.4 反饋電阻為5T時(shí)本設(shè)計(jì)的輸出波形圖4.5 反饋電阻為50T時(shí)本設(shè)計(jì)的輸出波形比較以上三幅圖可得，反饋電阻對信號處理有很大的影響。在反饋電容不變的情況下，反饋電阻越大，信號的頻率特性就越好，與前面的理論分析一致。（2）低通濾波器在放大器中的作用該實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)信號依然選用160Hz 的正弦信號，首先給振動臺一個力，讓其產(chǎn)生一個大小為5g 的加速度，加速度產(chǎn)生之后，壓電加速度傳感器就會在這個力的激勵之下產(chǎn)生一個測量信號，該實(shí)驗(yàn)信號經(jīng)過屏蔽電纜輸入到未加低通濾波的電荷放大器中，最后由示波器顯示出來。未加低通濾波時(shí)本設(shè)計(jì)電荷放大器的信號頻譜如圖4.6所示。圖4.6

54、 未加低通濾波時(shí)本設(shè)計(jì)電荷放大器的信號頻譜在圖4.6中，示波器正中間頻率為1.00kHz，整個示波器顯示頻率范圍為2.00kHz，所以橫向每一格為200Hz。從圖4.6中可以看出，干擾信號主要集中分布在頻率為160Hz左右。為了使衰減小于0.1dB，通常我們要設(shè)置濾波器的上限頻率高于信號頻率的3倍以上。本實(shí)驗(yàn)輸入信號的頻率為160Hz，所以選用低通濾波器的上限截止頻率為1kHz。經(jīng)過低通濾波后，輸出信號頻譜如圖4.7所示。與圖4.6相比較可以看出，高頻干擾信號得到了有效的衰減。圖4.7 設(shè)置1kHz 低通濾波器后本設(shè)計(jì)的信號頻譜為檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)的濾波效果的好壞，用標(biāo)準(zhǔn)電荷放大器進(jìn)行相同的處理，低通上限同樣選取為1kHz，所得信號頻譜分析如圖4.8所示。圖4.8 設(shè)置1kHz 上限截止頻率時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電荷放大器的信號頻譜比較圖4.7和圖4.8可以得出，本設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)電荷放大器效果基本吻合。（3）高通濾波對電荷放大器性能的影響實(shí)驗(yàn)仍然采用160Hz 的測試信號來推動振動臺產(chǎn)生相同的加速度值。將該信號輸入到未加高通濾波的本設(shè)計(jì)電荷放大器中。通過示波器來觀察輸出波形圖，其輸出波形圖如圖4.9所示。信號的峰峰值為1.44V，最大值為1.0V，最小值為-440mV，所以直