课程设计基于压电加速度计速度测量信号调理电路设计

1、 课 程 设 计 说 明 书题目:基于压电加速度计的速度测量信号调理电路设计学院（系）：电气工程学院 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 温江涛 教师职称： 讲师 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）： 电气工程学院 基层教学单位： 学 号学生姓名专业（班级）设计题目基于压电加速度计的速度测量信号调理电路设计设计技术参数压电加速度计的输出信号是加速度信号,将加速度信号积分后,会得到速度信号.设计一种加速度信号调理电路,将加速度信号转换为转换为速度信号.用0-2.5v的直流信号表示1-10米秒的速度信号.设计要求1：完成题目的理论设计模型；2：完成电路的multisim仿真；工作量1

2、：完成一份设计说明书（其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果）；2：提交一份电路设计原理图；工作计划周一,查阅资料;周二到周四,;理论设计及计算机仿真;周五,撰写设计说明书;参考资料1：基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计；2：模拟电子技术；3：电路理论；4：数字电子技术；指导教师签字温江涛基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2011年6月20日 目录摘要-2正文-3一、电路原理与理论分析-31电荷转换部分-32适调放大部分-43低通滤波部分-54高通滤波和同相放大部分-75积分器部分-76整体电路-9二、multisim仿真分析-111仿真电路

3、图-112.仿真波形及分析-11三、误差分析-121.连接电缆的固定-122.接地点选择-13四、心得体会-14参考文献-15摘要 压电加速度传感器是一种典型的自发式传感器，它是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的电压效应为转换原理的传感器。压电加速度计的输出信号是加速度信号,将加速度信号积分后,会得到速度信号.本课程设计的任务是设计一种加速度信号调理电路,将加速度信号转换为速度信号。其主要电路由五部分组成，分别为电荷转换部分，适调放大部分，低通滤波部分，高通滤波和同相放大部分与积分器部分。关键字：压电加速度计，调理电路，速度测量信号，积分器。基于压电加速度计的速度测量信号调理电路设计一、电路原

4、理理论分析(1)电荷转换部分:电荷转换部分是整个电荷放大器的核心部分，这部分的作用是将压电传感器的输出电荷信号q转换成电压信号v。它是由运算放大器和反馈网络组成.理想情况下这部分电路的输入阻抗应该无穷大。本设计中,我们采用的运算放大器是集成了高阻抗输入级的高阻运算放大器。ti公司的t1081芯片,其输入阻抗为1012,带宽为3mhz,开环增益为105,而且还有内部调零电路。为了保证精度,反馈电容采用采用稳定性及绝缘电阻高的精密聚苯乙烯电容,精度保证0.5%以下.同时为了保证电路的增益,反馈电容不能太大,考虑到压电加速度传感器的输出电荷量,反馈电容cf一般不超过10000pf,但是反馈电容也不可

5、以选的太小,以免因寄生电容的影响给电路调试和使用造成困难.一般cf不小于100pf.下限频率由反馈电容cf和反馈电阻rf决定,在cf一定的情况下,要保证低的下限截止频率,反馈电阻rf就必须大,本部分电路如图1.图1：电荷转换部分电路原理图 参数确定：c1=220nf，c2=20pf,c3=1nf,r1=2k,r2=2k.放大器供电电源为：15v。这部分电路在调试中可能出现的问题有:接通电源后,有0.2:1.8v的直流输出,这多由于运放输入失调大,可以调节调零端的可调电阻降低输出.若是有13v以上的直流输出,一般是由于与电源没有接好,或者是接地没接好.在不加输入信号的情况下,输入端若有较大的50

6、hz的信号输出,这主要是因为50hz交流通过杂散电容耦合到输入端而引起的,对输入端进行屏蔽,改进接地点,清洁输入端钮可以减小干扰。(2)适调放大部分这部分的作用是当被测非电量(加速度或速度)一定时,用不同灵敏度的传感器去测量时,有相同的输出,以便处理记录下来的图形和数据.假定传感器的电荷灵敏度sq=qi/g,电荷转换部分的增益为kq=vi/qi,适调部分的增益为ki=vo/vi,则总的传递系数为三者的乘积: 当增益开关选好后,即反馈电容cf一定,kq是参数,传感器的灵敏度不同时即每个g所产生的q不一样,这是我们适当调节适调放大部分的增益k1,就能是总增益k不变.电路原理如图2:图2：适调放大部

7、分电路原理图参数确定：r4=5.14k,r5=2k，r6=10k.放大器供电电源为：15v。(3)低通滤波部分:压电加速度传感器是一个弱阻尼的振动系统,因此它的幅频特性的高频段有一个很高的共振峰,此峰值严重地引起了高频噪声,并对输入信号产生失真和干扰。为此,需在放大器中采用低通滤波器,以补偿传感器引起的高频幅频特性.另外,在某些振动测试中,电荷放大器的通频带有时远远高于实际的需要,而无用的高频带的存在对低频测试只会带来坏的影响,所以在系统中就非常有必要采用低通滤波器,他只能让低频交流分量通过,使无用的高频分量受到较大的衰减.滤波器种类很多,有lc的,也有rc的,又分为有源和无源的.无源的rc低

8、通滤波器具有线路简单,抗干扰性强,有较好的低频范围工作性能等优点,并且体积较小,成本较低,所以在系统中被广泛采用.但是,由于他的阻抗频率特性没有随频率而极具改编的谐振性能,故选择欠佳,为了克服这个缺点,在rc网络上加上运算放大器等有源元件,组成有源rc低通滤波器.有源rc低通滤波器在通带内不仅可以没有衰减,还可以有一定的增益.因为我们测量的信号频率不是很高,所以我们采用的是二阶rc有源滤波器,其特点是简单,易调节,其电路原理图如下:图3：低通滤波部分电路原理图参数确定：c4=50nf，c5=100nf,r7=10k,r8=10k.放大器供电电源为：15v。令r1=r7,r2=r8,c2=c4,

9、c1=c5,流过r7的电流为i1(自右向左),流过r8的电流为i2(自右向左),流过c5的电流为i3（自右向左）流过c4的电流为i4(自下而上),可列出回路方程为:联立解以上五个方程可得电路的传递函数：当k=1时，传递函数为：由特征方程同样可得线路固有角频率和阻尼系数：适当选择参数，可以使电路工作在临界阻尼状态。在临界时，=0.707，此时传递函数为：在此电路中，我们选择了三个限截止频率，分别为1khz，10khz和100khz，为了保证在切换上限截止频率时值不变，我们选择了c1=2c2=100nf,r1=r2=r,代入前面公式：本设计环节调试较为简单，只要参数准确，一般就能满足技术指标要求。

10、(4)输出放大部分： 这部分电路包括两个部分：高通滤波和同相电压放大，因为在电荷转换部分，当rf一定时，在切换增益档位时，电流直流放大倍数变化很大，输出零点跳动较大，并且为了减少直流漂移影响，所以在低通滤波器后面又加了一个高通滤波器，将滞留部分去掉。本设计的高通滤波器由一阶rc电路和运算放大器组成，如下图所示： 图4：输出放大部分电路原理图参数确定：c6=100pf，r9=1m,r10=10k，r11=100k.放大器供电电源为：15v。同相电压放大的作用有二：一是前面加了高通滤波电路，信号有衰减，后面要加放大电路放大，二是利用改变同相放大的增益来改变整体的增益，因为比cf=100nf再灵敏的

11、档位，就得采用更小的反馈电容，此时不但分布电容影响大，精度也不容易保证，而且为了保证时间常数不变，rf也得再相应提高，要减小漂移，ri也得相应再提高，输入绝缘要求也提高了，所以我们此档位cf还用100nf，而利用改变同相放大器的增益来改变电路的增益，并保证输出信号和压电加速度的输出信号同相位。 为了降低同相放大器对滤波器时间常数的影响，我们还是采用高输入阻抗运算放大器。(5)积分器部分： 压电加速度计的输出信号是代表加速度信号电压信号,将加速度电压信号积分后,会得到速度电压信号.我们用积分器实现这一功能，无源rc积分电路衰减大，频率范围较窄，积分误差大，一般采用运算放大器组成的有源积分电路。主

12、要电路如图5所示：图5：积分器部分电路原理图参数确定：c7=100nf， r13=1k1，r12=102k，r14=10k,r15=10k(参数确定过程见整体电路部分)放大器供电电源为：15v。不同的输入对应输出信号的波形比较如图6所示： 方波输入输出波形对比 正弦波输入输出波形对比图6:理论积分器仿真波形（6）整体电路：图7：整体电路原理图积分器具体参数计算(参照电路图5):前四部分电荷转换部分，适调放大部分，低通滤波部分，高通滤波和同相放大部分输出电压灵敏度为0.2v/g。(g为加速度，测量加速度范围范围是g10g，对应输出电压为02v)。如电路图5所示,则有以下:令r13=r2,r14=

13、r1,r12=r4,r15=r3,c7=c,且ua,vn,uv.取压电加速度计测量频率f=100hz,反馈电容c=0.1uf;r1=10k,r3=10k,由积分电路图得:(ua-vn)/r2=(vn-uv)/(zc/r4)由上面式子推出:uv/ua=-(zc/r4)/r2由于积分器中输出电压uv与输入电压ua为线性关系,则,ua(02v)到uv(02.5v)时,a=1.25,则由5%标准阻值表(表格一)可选取,r2=11k,r4=102k此时可满足速度信号的电压范围为02.5v,代表速度为110m/s.二、multisim仿真分析1仿真电路图仿真电路图如图8所示：图8:仿真电路原理图2.仿真波

14、形及分析输入信号为方波，仿真波图形如图9所示：图9：仿真波形图仿真结果显示，输出波形为三角波，即输出输入满足积分运算关系。当输入信号为正弦信号，波形图如图10所示：图10：仿真波形图仿真结果显示，输出波形也为正弦波，相位超前输入90度，即输出输入满足积分运算关系。三、误差分析现在电路设计部分已经基本完成，下面进行误差分析。（1） 连接电缆的固定连接的电缆虽然是低噪音电缆，但若固定不当，也会产生一些噪音，电缆的机械运动会引起电缆电容和电荷的变化，主要是低频噪音，所以在实验室时应在传感器近端，把电缆固定，使电缆在传感器近端尽可能平直。（2） 接地点选择当电荷放大器与压电加速度传感器，记录仪器组成测试系统时，往往由于接地点选择不当，引入很大的干扰，严重时使测量无法进行。其原因是各点地电位不相等，如果在不同接触点与连接电缆间形成对地的回路电流，此电流就形成了一个干扰源。因此测量系统最好只有一个接地点。接地点位置的选择往往需要用实测方法决定，但一般来说最好选在记录和读出装置上。四，心得体会一个星期的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学相互探讨，相互学习，相互监督，学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的