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

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1、 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 題目:基于壓電加速度計(jì)的速度測量信號調(diào)理電路設(shè)計(jì) 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(jì)（論文）任務(wù)

2、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(jì)題目 基于壓電加速度計(jì)的速度測量信號調(diào)理電路設(shè)計(jì) 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù) 壓電加速度計(jì)的輸出信號是加速度信號,將加速度信號積分后,會(huì)得到速度信號.設(shè)計(jì)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0-2.5V的直流信號表示1-10米\秒的速度信號. 設(shè) 計(jì) 要 求 1：完成題目的理論設(shè)計(jì)模型； 2：完成電路的multisim仿真； 工 作 量 1：完成一份

3、設(shè)計(jì)說明書（其中包括理論設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)以及仿真結(jié)果）； 2：提交一份電路設(shè)計(jì)原理圖； 工 作 計(jì) 劃 周一,查閱資料; 周二到周四,;理論設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真; 周五,撰寫設(shè)計(jì)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(jì)； 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--------------------------------------------

4、---------------------------------------------2 正文-----------------------------------------------------------------------------------------3 一、電路原理與理論分析--------------------------------------------------------------3 1．電荷轉(zhuǎn)換部分-----------------------------------------------------------------3 2．適調(diào)放大

5、部分-----------------------------------------------------------------4 3．低通濾波部分-----------------------------------------------------------------5 4．高通濾波和同相放大部分--------------------------------------------------7 5．積分器部分--------------------------------------------------------------------7 6．整體電路----

6、-------------------------------------------------------------------9 二、Multisim仿真分析--------------------------------------------------------------11 1．仿真電路圖-------------------------------------------------------------------11 2.仿真波形及分析---------------------------------------------------------------

7、11 三、誤差分析--------------------------------------------------------------------------12 1.連接電纜的固定--------------------------------------------------------------12 2.接地點(diǎn)選擇--------------------------------------------------------------------13 四、心得體會(huì)----------------------------------------------------

8、----------------------14 參考文獻(xiàn)--------------------------------------------------------------------------------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(jì)的輸出信號是加速度信號,將加速度信號積分后,會(huì)得到速度信號.本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)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

9、放大部分與積分器部分。 關(guān)鍵字：壓電加速度計(jì)，調(diào)理電路，速度測量信號，積分器。 基于壓電加速度計(jì)的速度測量信號調(diào)理電路設(shè)計(jì) 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(gè)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(yùn)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(jì)中,我們采用的運(yùn)算放大器是集成了高阻抗輸入級的高阻運(yùn)算放大器。TI公司的T1081芯片,其輸入阻抗為10^12,帶寬為3MHz,開環(huán)增益為10^5,而且還有內(nèi)部調(diào)零電路。 為了保證精度,反

10、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0.5%以下.同時(shí)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：C1=220nF，C2=20pF,C3=1nF,R1=2KΩ,R2=2KΩ. 放大器供電電源為：15V。 這部分電路在調(diào)試

11、中可能出現(xiàn)的問題有:接通電源后,有0.2:1.8V的直流輸出,這多由于運(yùn)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?yàn)?0Hz交流通過雜散電容耦合到輸入端而引起的,對輸入端進(jìn)行屏蔽,改進(jìn)接地點(diǎn),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(shí),用不同靈敏度的傳感器去測量時(shí),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Sq=Qi/g,電荷轉(zhuǎn)換部分的增益為Kq=Vi/Qi,適調(diào)部分

12、的增益為Ki=Vo/Vi,則總的傳遞系數(shù)為三者的乘積: 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(shí)即每個(gè)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：R4=5.14KΩ,R5=2KΩ，R6=10KΩ. 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(gè)弱阻尼的振動(dòng)系統(tǒng),因此它的幅頻特性的高頻段有一個(gè)很高的共振峰,此峰值嚴(yán)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(bǔ)償傳感器引起的高頻幅頻

13、特性.另外,在某些振動(dòng)測試中,電荷放大器的通頻帶有時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際的需要,而無用的高頻帶的存在對低頻測試只會(huì)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(qiáng),有較好的低頻范圍工作性能等優(yōu)點(diǎn),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(gè)缺點(diǎn),在RC網(wǎng)絡(luò)上加上運(yùn)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,

14、還可以有一定的增益.因?yàn)槲覀儨y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(diǎn)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：C4=50nF，C5=100nF,R7=10KΩ,R8=10KΩ. 放大器供電電源為：15V。 令R1=R7,R2=R8,C2=C4,C1=C5,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: 聯(lián)立解以上五個(gè)方程可得電路的傳遞函數(shù)： 當(dāng)K=1時(shí)，傳遞函數(shù)為： 由特征方程同樣可得線路固有角頻

15、率和阻尼系數(shù)： 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(shí)，ζ=0.707，此時(shí)傳遞函數(shù)為： 在此電路中，我們選擇了三個(gè)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(shí)ζ值不變，我們選擇了C1=2C2=100Nf,R1=R2=R,代入前面公式： 本設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)調(diào)試較為簡單，只要參數(shù)準(zhǔn)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(gè)部分：高通濾波和同相電壓放大，因?yàn)樵陔姾赊D(zhuǎn)換部分，當(dāng)Rf一定時(shí)，在切換增益檔位時(shí)，電流直流放大倍數(shù)變化很大，輸出零點(diǎn)跳動(dòng)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

16、加了一個(gè)高通濾波器，將滯留部分去掉。本設(shè)計(jì)的高通濾波器由一階RC電路和運(yùn)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：C6=100pF，R9=1MΩ,R10=10KΩ，R11=100KΩ. 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?yàn)楸菴f=100nF再靈敏的檔位，就得采用更小的反饋電容，此時(shí)不但分布電容影響大，精度也不容易保證，而且為了保證時(shí)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

17、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(shí)間常數(shù)的影響，我們還是采用高輸入阻抗運(yùn)算放大器。 (5)積分器部分： 壓電加速度計(jì)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(huì)得到速度電壓信號.我們用積分器實(shí)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(yùn)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：C7=100nF， R13=1K1Ω，R12=102KΩ，R14=10KΩ,R15=10KΩ

18、 (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(jì)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0.2V/g。(g為加速度，測量加速度范圍范圍是g~10g，對應(yīng)輸出電壓為0~2V)。 如電路圖5所示,則有以下: 令R13=R2,R14=R1,R12=R4,R15=R3

19、,C7=C,且Ua,Vn,Uv. 取壓電加速度計(jì)測量頻率f=100Hz,反饋電容C=0.1uF;R1=10KΩ,R3=10KΩ,由積分電路圖得: (Ua-Vn)/R2=(Vn-Uv)/(Zc//R4) 由上面式子推出: Uv/Ua=-(Zc//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,Ua(0~2V)到Uv(0~2.5V)時(shí),A=1.25, 則由5%標(biāo)準(zhǔn)阻值表(表格一)可選取,R2=11KΩ,R4=102KΩ 此時(shí)可滿足速度信號的電壓范圍為0~2.5V,代表速度為1~10m/s. 二、Multisim仿真分析 1．仿真電路圖 仿真電路圖如圖8所示：

20、 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(yùn)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(yùn)算關(guān)系。 三、誤差分析 現(xiàn)在電路設(shè)計(jì)部分已經(jīng)基本完成，下面進(jìn)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(huì)產(chǎn)生一些噪音，電纜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)會(huì)引起電纜電容和電荷的變化，主要是低頻噪音，所以在實(shí)驗(yàn)室時(shí)應(yīng)在傳感器近端，把電纜固定，使電

21、纜在傳感器近端盡可能平直。 （2） 接地點(diǎn)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(shí)，往往由于接地點(diǎn)選擇不當(dāng)，引入很大的干擾，嚴(yán)重時(shí)使測量無法進(jìn)行。其原因是各點(diǎn)地電位不相等，如果在不同接觸點(diǎn)與連接電纜間形成對地的回路電流，此電流就形成了一個(gè)干擾源。因此測量系統(tǒng)最好只有一個(gè)接地點(diǎn)。接地點(diǎn)位置的選擇往往需要用實(shí)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(huì) 一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)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(jì)過程中，與同學(xué)

22、相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督，學(xué)會(huì)了合作，學(xué)會(huì)了運(yùn)籌帷幄，學(xué)會(huì)了寬容，學(xué)會(huì)了理解，也學(xué)會(huì)了做人與處世。 課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作之前一個(gè)必不可少的過程，“千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古名言的真正含義，我今天人真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地的邁開這一步，就是為了明天能穩(wěn)穩(wěn)地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 本人的設(shè)計(jì)能力有限，在設(shè)計(jì)過程中南面出現(xiàn)錯(cuò)誤，懇請老師多多指教，我十分樂意接受你們的批評與指正。本人將不勝感激。謝謝大家！ 參考文獻(xiàn) 1：基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)； 2：模擬電子技術(shù)； 3：電路理論； 4：數(shù)字電子技術(shù)； 17