【優(yōu)秀碩士博士論文】基于壓電加速度計速度測量信號調(diào)理電路設(shè)計

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（系）電氣工程學(xué)院年級專業(yè)學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師溫江濤教師職稱講師燕山大學(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)換為轉(zhuǎn)換為速度信號用025V的直流信號表示110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提交一份電路設(shè)計原理圖；工作計劃周一,查閱資料周二到周四,理論設(shè)計及計算機仿真周五,撰寫設(shè)計說明書參考資料1基于運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)教師簽字溫江濤基層教學(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20日目錄摘要2正文3一、電路原理與理論分析31電荷轉(zhuǎn)換部分32適調(diào)放大部分43低通濾波部分54高通濾波和同相放大部分75積分器部分76整體電路9二、MULTISIM仿真分析111仿真電路圖112仿真波形及分析11三、誤差分析121連接電纜的固定122接地點選擇13四、心得體會14參考文獻15摘要壓電加速度傳感器是一種典型的自發(fā)式傳感器，它是以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的電壓效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。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,會得到速度信號本課程設(shè)計的任務(wù)是設(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。其主要電路由五部分組成，分別為電荷轉(zhuǎn)換部分，適調(diào)放大部分，低通濾波部分，高通濾波和同相放大部分與積分器部分。關(guān)鍵字壓電加速度計，調(diào)理電路，速度測量信號，積分器?；趬弘娂铀俣扔嫷乃俣葴y量信號調(diào)理電路設(shè)計一、電路原理理論分析1電荷轉(zhuǎn)換部分電荷轉(zhuǎn)換部分是整個電荷放大器的核心部分，這部分的作用是將壓電傳感器的輸出電荷信號Q轉(zhuǎn)換成電壓信號V。它是由運算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成理想情況下這部分電路的輸入阻抗應(yīng)該無窮大。本設(shè)計中,我們采用的運算放大器是集成了高阻抗輸入級的高阻運算放大器。TI公司的T1081芯片,其輸入阻抗為1012,帶寬為3MHZ,開環(huán)增益為105,而且還有內(nèi)部調(diào)零電路。為了保證精度,反饋電容采用采用穩(wěn)定性及絕緣電阻高的精密聚苯乙烯電容,精度保證05以下同時為了保證電路的增益,反饋電容不能太大,考慮到壓電加速度傳感器的輸出電荷量,反饋電容CF一般不超過10000PF,但是反饋電容也不可以選的太小,以免因寄生電容的影響給電路調(diào)試和使用造成困難一般CF不小于100PF下限頻率由反饋電容CF和反饋電阻RF決定,在CF一定的情況下,要保證低的下限截止頻率,反饋電阻RF就必須大,本部分電路如圖1圖1電荷轉(zhuǎn)換部分電路原理圖參數(shù)確定C1220NF，C220PF,C31NF,R12K,R22K放大器供電電源為15V。這部分電路在調(diào)試中可能出現(xiàn)的問題有接通電源后,有0218V的直流輸出,這多由于運放輸入失調(diào)大,可以調(diào)節(jié)調(diào)零端的可調(diào)電阻降低輸出若是有13V以上的直流輸出,一般是由于與電源沒有接好,或者是接地沒接好在不加輸入信號的情況下,輸入端若有較大的50HZ的信號輸出,這主要是因為50HZ交流通過雜散電容耦合到輸入端而引起的,對輸入端進行屏蔽,改進接地點,清潔輸入端鈕可以減小干擾。2適調(diào)放大部分這部分的作用是當(dāng)被測非電量加速度或速度一定時,用不同靈敏度的傳感器去測量時,有相同的輸出,以便處理記錄下來的圖形和數(shù)據(jù)假定傳感器的電荷靈敏度SQQI/G,電荷轉(zhuǎn)換部分的增益為KQVI/QI,適調(diào)部分的增益為KIVO/VI,則總的傳遞系數(shù)為三者的乘積1IIOQFIVQKSGCAA當(dāng)增益開關(guān)選好后,即反饋電容CF一定,KQ是參數(shù),傳感器的靈敏度不同時即每個G所產(chǎn)生的Q不一樣,這是我們適當(dāng)調(diào)節(jié)適調(diào)放大部分的增益K1,就能是總增益K不變電路原理如圖2圖2適調(diào)放大部分電路原理圖參數(shù)確定R4514K,R52K，R610K放大器供電電源為15V。3低通濾波部分壓電加速度傳感器是一個弱阻尼的振動系統(tǒng),因此它的幅頻特性的高頻段有一個很高的共振峰,此峰值嚴重地引起了高頻噪聲,并對輸入信號產(chǎn)生失真和干擾。為此,需在放大器中采用低通濾波器,以補償傳感器引起的高頻幅頻特性另外,在某些振動測試中,電荷放大器的通頻帶有時遠遠高于實際的需要,而無用的高頻帶的存在對低頻測試只會帶來壞的影響,所以在系統(tǒng)中就非常有必要采用低通濾波器,他只能讓低頻交流分量通過,使無用的高頻分量受到較大的衰減濾波器種類很多,有LC的,也有RC的,又分為有源和無源的無源的RC低通濾波器具有線路簡單,抗干擾性強,有較好的低頻范圍工作性能等優(yōu)點,并且體積較小,成本較低,所以在系統(tǒng)中被廣泛采用但是,由于他的阻抗頻率特性沒有隨頻率而極具改編的諧振性能,故選擇欠佳,為了克服這個缺點,在RC網(wǎng)絡(luò)上加上運算放大器等有源元件,組成有源RC低通濾波器有源RC低通濾波器在通帶內(nèi)不僅可以沒有衰減,還可以有一定的增益因為我們測量的信號頻率不是很高,所以我們采用的是二階RC有源濾波器,其特點是簡單,易調(diào)節(jié),其電路原理圖如下圖3低通濾波部分電路原理圖參數(shù)確定C450NF，C5100NF,R710K,R810K放大器供電電源為15V。令R1R7,R2R8,C2C4,C1C5,流過R7的電流為I1自右向左,流過R8的電流為I2自右向左,流過C5的電流為I3（自右向左）流過C4的電流為I4自下而上,可列出回路方程為112421OIIIISVCKIOIR聯(lián)立解以上五個方程可得電路的傳遞函數(shù)21212121OIVSRCSRCK當(dāng)K1時，傳遞函數(shù)為21221OIVSRCSRC由特征方程同樣可得線路固有角頻率和阻尼系數(shù)1212OTRC適當(dāng)選擇參數(shù)，可以使電路工作在臨界阻尼狀態(tài)。在臨界時，0707，此時傳遞函數(shù)為212212JJOIOVRCRC在此電路中，我們選擇了三個限截止頻率，分別為1KHZ，10KHZ和100KHZ，為了保證在切換上限截止頻率時值不變，我們選擇了C12C2100NF,R1R2R,代入前面公式12ORC本設(shè)計環(huán)節(jié)調(diào)試較為簡單，只要參數(shù)準確，一般就能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。4輸出放大部分這部分電路包括兩個部分高通濾波和同相電壓放大，因為在電荷轉(zhuǎn)換部分，當(dāng)RF一定時，在切換增益檔位時，電流直流放大倍數(shù)變化很大，輸出零點跳動較大，并且為了減少直流漂移影響，所以在低通濾波器后面又加了一個高通濾波器，將滯留部分去掉。本設(shè)計的高通濾波器由一階RC電路和運算放大器組成，如下圖所示圖4輸出放大部分電路原理圖參數(shù)確定C6100PF，R91M,R1010K，R11100K放大器供電電源為15V。同相電壓放大的作用有二一是前面加了高通濾波電路，信號有衰減，后面要加放大電路放大，二是利用改變同相放大的增益來改變整體的增益，因為比CF100NF再靈敏的檔位，就得采用更小的反饋電容，此時不但分布電容影響大，精度也不容易保證，而且為了保證時間常數(shù)不變，RF也得再相應(yīng)提高，要減小漂移，RI也得相應(yīng)再提高，輸入絕緣要求也提高了，所以我們此檔位CF還用100NF，而利用改變同相放大器的增益來改變電路的增益，并保證輸出信號和壓電加速度的輸出信號同相位。為了降低同相放大器對濾波器時間常數(shù)的影響，我們還是采用高輸入阻抗運算放大器。5積分器部分壓電加速度計的輸出信號是代表加速度信號電壓信號,將加速度電壓信號積分后,會得到速度電壓信號我們用積分器實現(xiàn)這一功能，無源RC積分電路衰減大，頻率范圍較窄，積分誤差大，一般采用運算放大器組成的有源積分電路。主要電路如圖5所示圖5積分器部分電路原理圖參數(shù)確定C7100NF，R131K1，R12102K，R1410K,R1510K參數(shù)確定過程見整體電路部分放大器供電電源為15V。不同的輸入對應(yīng)輸出信號的波形比較如圖6所示方波輸入輸出波形對比正弦波輸入輸出波形對比圖6理論積分器仿真波形（6）整體電路圖7整體電路原理圖積分器具體參數(shù)計算參照電路圖5前四部分電荷轉(zhuǎn)換部分，適調(diào)放大部分，低通濾波部分，高通濾波和同相放大部分輸出電壓靈敏度為02V/G。G為加速度，測量加速度范圍范圍是G10G，對應(yīng)輸出電壓為02V。如電路圖5所示,則有以下令R13R2,R14R1,R12R4,R15R3,C7C,且UA,VN,UV取壓電加速度計測量頻率F100HZ,反饋電容C01UFR110K,R310K,由積分電路圖得UAVN/R2VNUV/ZC/R4由上面式子推出UV/UAZC/R4/R2由于積分器中輸出電壓UV與輸入電壓UA為線性關(guān)系,則,UA02V到UV025V時,A125,則由5標(biāo)準阻值表表格一可選取,R211K,R4102K此時可滿足速度信號的電壓范圍為025V,代表速度為110M/S二、MULTISIM仿真分析1仿真電路圖仿真電路圖如圖8所示圖8仿真電路原理圖2仿真波形及分析輸入信號為方波，仿真波圖形如圖9所示圖9仿真波形圖仿真結(jié)果顯示，輸出波形為三角波，即輸出輸入滿足積分運算關(guān)系。當(dāng)輸入信號為正弦信號，波形圖如圖10所示圖10仿真波形圖仿真結(jié)果顯示，輸出波形也為正弦波，相位超前輸入90度，即輸出輸入滿足積分運算關(guān)系。三、誤差分析現(xiàn)在電路設(shè)計部分已經(jīng)基本完成，下面進行誤差分析。（1）連接電纜的固定連接的電纜雖然是低噪音電纜，但若固定不當(dāng)，也會產(chǎn)生一些噪音，電纜的機械運動會引起電纜電容和電荷的變化，主要是低頻噪音，所以在實驗室時應(yīng)在傳感器近端，把電纜固定，使電纜在傳感器近端盡可能平直。（2）接地點選擇當(dāng)電荷放大器與壓電加速度傳感器，記錄儀器組成測試系統(tǒng)時，往往由于接地點選擇不當(dāng)，引入很大的干擾，嚴重時使測量無法進行。其原因是各點地電位不相等，如果在不同接觸點與連接電纜間形成對地的回路電流，此電流就形成了一個干擾源。因此測量系統(tǒng)最好只有一個接地點。接地點位置的選擇往往需要用實測方法決定，但一般來說最好選在記錄和讀出裝置上。四，心得體會一個星期的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)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。在設(shè)計過程中，與同學(xué)相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督，學(xué)會了合作，學(xué)會了運籌帷幄，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，也學(xué)會了做人與處世。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實