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1、
課 程 設 計 說 明 書
題目:基于壓電加速度計的速度測量信號調(diào)理電路設計
學院（系）：電氣工程學院
年級專業(yè)：
學 號：
學生姓名：
指導教師： 溫江濤
教師職稱： 講師
燕山大學課程設計（論文）任務
2、書
院（系）： 電氣工程學院 基層教學單位：
學 號
學生姓名
專業(yè)（班級）
設計題目
基于壓電加速度計的速度測量信號調(diào)理電路設計
設
計
技
術
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0-2.5V的直流信號表示1-10米\秒的速度信號.
設
計
要
求
1：完成題目的理論設計模型；
2：完成電路的multisim仿真；
工
作
量
1：完成一份
3、設計說明書（其中包括理論設計的相關參數(shù)以及仿真結(jié)果）；
2：提交一份電路設計原理圖；
工
作
計
劃
周一,查閱資料;
周二到周四,;理論設計及計算機仿真;
周五,撰寫設計說明書;
參
考
資
料
1：基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計；
2：模擬電子技術；
3：電路理論；
4：數(shù)字電子技術；
指導教師簽字
溫江濤
基層教學單位主任簽字
說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、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.接地點選擇--------------------------------------------------------------------13
四、心得體會----------------------------------------------------
8、----------------------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.本課程設計的任務是設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
9、放大部分與積分器部分。
關鍵字：壓電加速度計，調(diào)理電路，速度測量信號，積分器。
基于壓電加速度計的速度測量信號調(diào)理電路設計
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)絡組成.理想情況下這部分電路的輸入阻抗應該無窮大。本設計中,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:
當增益開關選好后,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
13、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,
14、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：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)立解以上五個方程可得電路的傳遞函數(shù)：
當K=1時，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)：
適當選擇參數(shù)，可以使電路工作在臨界阻尼狀態(tài)。在臨界時，ζ=0.707，此時傳遞函數(shù)為：
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ζ值不變，我們選擇了C1=2C2=100Nf,R1=R2=R,代入前面公式：
本設計環(huán)節(jié)調(diào)試較為簡單，只要參數(shù)準確，一般就能滿足技術指標要求。
(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
16、加了一個高通濾波器，將滯留部分去掉。本設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：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，因為比Cf=100nF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也得再相應提高，要減小漂移，Ri也得相應再提高，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：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0.2V/g。(g為加速度，測量加速度范圍范圍是g~10g，對應輸出電壓為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為線性關系,則,Ua(0~2V)到Uv(0~2.5V)時,A=1.25,
則由5%標準阻值表(表格一)可選取,R2=11KΩ,R4=102KΩ
此時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算關系。
當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系。
三、誤差分析
現(xiàn)在電路設計部分已經(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，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） 接地點選擇
當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，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
一個星期的課程設計結(jié)束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識，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。在設計過程中，與同學
22、相互探討，相互學習，相互監(jiān)督，學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，也學會了做人與處世。
課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作之前一個必不可少的過程，“千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義，我今天人真的進行課程設計，學會腳踏實地的邁開這一步，就是為了明天能穩(wěn)穩(wěn)地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎。
本人的設計能力有限，在設計過程中南面出現(xiàn)錯誤，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
1：基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計；
2：模擬電子技術；
3：電路理論；
4：數(shù)字電子技術；
17
課程設計基于壓電加速度計速度測量信號調(diào)理電路設計
