課程設(shè)計(jì)---基于壓電加速度計(jì)速度測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書</p><p>　　題目:基于壓電加速度計(jì)的速度測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué)院（系）：電氣工程學(xué)院 </p><p>　　年級(jí)專業(yè)： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p>&

2、lt;p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 溫江濤 </p><p>　　教師職稱： 講師 </p><p>　　燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　院（系）： 電氣工程學(xué)院

3、 基層教學(xué)單位： </p><p>　　說(shuō)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。</p><p>　　2011年6月20日 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要----------------------------------------

4、-------------------------------------------------2</p><p>　　正文-----------------------------------------------------------------------------------------3</p><p>　　一、電路原理與理論分析---------------------

5、-----------------------------------------3</p><p>　　1．電荷轉(zhuǎn)換部分-----------------------------------------------------------------3</p><p>　　2．適調(diào)放大部分--------------------------------------------------

6、---------------4</p><p>　　3．低通濾波部分-----------------------------------------------------------------5</p><p>　　4．高通濾波和同相放大部分--------------------------------------------------7</p><p>

7、;　　5．積分器部分--------------------------------------------------------------------7</p><p>　　6．整體電路-----------------------------------------------------------------------9</p><p>　　二、Multisim仿真分析---

8、-----------------------------------------------------------11</p><p>　　1．仿真電路圖-------------------------------------------------------------------11</p><p>　　2.仿真波形及分析----------------------------

9、-----------------------------------11</p><p>　　三、誤差分析--------------------------------------------------------------------------12</p><p>　　1.連接電纜的固定----------------------------------------------

10、----------------12</p><p>　　2.接地點(diǎn)選擇--------------------------------------------------------------------13</p><p>　　四、心得體會(huì)-------------------------------------------------------------------------

11、-14</p><p>　　參考文獻(xiàn)--------------------------------------------------------------------------------15</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　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

12、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(hào)是加速度信號(hào),將加速度信號(hào)積分后,會(huì)得到速度信號(hào).本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一種加速度信號(hào)調(diào)理電路,將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)。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。</p><p>　　關(guān)鍵字：壓電加速度計(jì)，調(diào)理電路，速度測(cè)量信號(hào)，積分器。</p><p>　　基于壓電加速度

13、計(jì)的速度測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)</p><p>　　一、電路原理理論分析</p><p>　　(1)電荷轉(zhuǎn)換部分:</p><p>　　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(hào)Q轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)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(wú)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(jí)的高阻運(yùn)算

14、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。</p><p>　　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

15、難.一般Cf不小于100PF.</p><p>　　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.</p><p>　　圖1：電荷轉(zhuǎn)換部分電路原理圖</p><p>　　參數(shù)確定：C1=220nF，C2=20pF,C3=1nF,R1=2KΩ,R2=2KΩ.</p><

16、p>　　放大器供電電源為：±15V。</p><p>　　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(hào)的情況下,輸入端若有較大的50Hz的信號(hào)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(duì)輸入端進(jìn)行屏蔽

17、,改進(jìn)接地點(diǎn),清潔輸入端鈕可以減小干擾。</p><p><b>　　(2)適調(diào)放大部分</b></p><p>　　這部分的作用是當(dāng)被測(cè)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(cè)量時(shí),有相同的輸出,以便處理記錄下來(lái)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)部分的增益為Ki=Vo/Vi,則總的傳遞系數(shù)為三

18、者的乘積:</p><p>　　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:</p><p>　　圖2：適調(diào)放大部分電路原理圖</p><p>　　參數(shù)確定：R4=5.14KΩ,R5=2KΩ，R6=10KΩ.</p><

19、p>　　放大器供電電源為：±15V。</p><p>　　(3)低通濾波部分:</p><p>　　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(duì)輸入信號(hào)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特性.另外,在某些振動(dòng)測(cè)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(wú)

20、用的高頻帶的存在對(duì)低頻測(cè)試只會(huì)帶來(lái)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(wú)用的高頻分量受到較大的衰減.</p><p>　　濾波器種類很多,有LC的,也有RC的,又分為有源和無(wú)源的.無(wú)源的RC低通濾波器具有線路簡(jiǎn)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

21、,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,還可以有一定的增益.因?yàn)槲覀儨y(cè)量的信號(hào)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(jiǎn)單,易調(diào)節(jié),其電路原理圖如下:</p><p>　　圖3：低通濾波部分電路原理圖</p><p>　　參數(shù)確定：C4=50nF，C5=100nF,R7=10KΩ,R8=

22、10KΩ.</p><p>　　放大器供電電源為：±15V。</p><p>　　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),</p><p><b>　　可列出回路方程為:</b></p&

23、gt;<p>　　聯(lián)立解以上五個(gè)方程可得電路的傳遞函數(shù)：</p><p>　　當(dāng)K=1時(shí)，傳遞函數(shù)為：</p><p>　　由特征方程同樣可得線路固有角頻率和阻尼系數(shù)：</p><p>　　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：</p><p>　　在此電路中，我們選擇了三個(gè)限截止

24、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：</p><p>　　本設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)調(diào)試較為簡(jiǎn)單，只要參數(shù)準(zhǔn)確，一般就能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。</p><p>　　(4)輸出放大部分：</p><p>　　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

25、，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： </p><p>　　圖4：輸出放大部分電路原理圖</p><p>　　參數(shù)確定：C6=100pF，R9=1MΩ,R10=10KΩ，R11=100KΩ.<

26、/p><p>　　放大器供電電源為：±15V。</p><p>　　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(hào)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(lái)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

27、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(lái)改變電路的增益，并保證輸出信號(hào)和壓電加速度的輸出信號(hào)同相位。 </p><p>　　為了降低同相放大器對(duì)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。</p><p><b>　　(5)積分器部分：</b></p><p>　　壓電加速度計(jì)的輸出信號(hào)是代表加速度

28、信號(hào)電壓信號(hào),將加速度電壓信號(hào)積分后,會(huì)得到速度電壓信號(hào).我們用積分器實(shí)現(xiàn)這一功能，無(wú)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。</p><p>　　主要電路如圖5所示：</p><p>　　圖5：積分器部分電路原理圖</p><p>　　參數(shù)確定：C7=100nF， R13=1K1Ω，R12=102KΩ，R14=10KΩ

29、,R15=10KΩ</p><p>　　(參數(shù)確定過程見整體電路部分)</p><p>　　放大器供電電源為：±15V。</p><p>　　不同的輸入對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)的波形比較如圖6所示：</p><p>　　方波輸入輸出波形對(duì)比 正弦波輸入輸出波形對(duì)比</p><p>　　圖6:

30、理論積分器仿真波形</p><p><b>　?。?）整體電路：</b></p><p>　　圖7：整體電路原理圖</p><p>　　積分器具體參數(shù)計(jì)算(參照電路圖5):</p><p>　　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(cè)量加速度范

31、圍范圍是g~10g，對(duì)應(yīng)輸出電壓為0~2V)。</p><p>　　如電路圖5所示,則有以下:</p><p>　　令R13=R2,R14=R1,R12=R4,R15=R3,C7=C,且Ua,Vn,Uv.</p><p>　　取壓電加速度計(jì)測(cè)量頻率f=100Hz,反饋電容C=0.1uF;R1=10KΩ,R3=10KΩ,由積分電路圖得:</p><

32、p>　　(Ua-Vn)/R2=(Vn-Uv)/(Zc//R4)</p><p><b>　　由上面式子推出:</b></p><p>　　Uv/Ua=-(Zc//R4)/R2</p><p>　　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,</p><p

33、>　　則由5%標(biāo)準(zhǔn)阻值表(表格一)可選取,R2=11KΩ,R4=102KΩ</p><p>　　此時(shí)可滿足速度信號(hào)的電壓范圍為0~2.5V,代表速度為1~10m/s.</p><p>　　二、Multisim仿真分析</p><p><b>　　1．仿真電路圖</b></p><p>　　仿真電路圖如圖8所示：&l

34、t;/p><p>　　圖8:仿真電路原理圖</p><p><b>　　2.仿真波形及分析</b></p><p>　　輸入信號(hào)為方波，仿真波圖形如圖9所示：</p><p><b>　　圖9：仿真波形圖</b></p><p>　　仿真結(jié)果顯示，輸出波形為三角波，即輸出輸入滿足

35、積分運(yùn)算關(guān)系。</p><p>　　當(dāng)輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，波形圖如圖10所示：</p><p><b>　　圖10：仿真波形圖</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　三、誤差分析</b></p

36、><p>　　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。</p><p><b>　　連接電纜的固定</b></p><p>　　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，使電纜在傳感器近端盡可能平直。</p>

37、<p><b>　　接地點(diǎn)選擇</b></p><p>　　當(dāng)電荷放大器與壓電加速度傳感器，記錄儀器組成測(cè)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(cè)量無(wú)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(duì)地的回路電流，此電流就形成了一個(gè)干擾源。因此測(cè)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(cè)方法決定，但一般來(lái)說(shuō)最好選在記錄和讀出裝置上

38、。</p><p><b>　　四，心得體會(huì)</b></p><p>　　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(shí)，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)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。</p><p&

39、gt;　　課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)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)。</p><p>　　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(qǐng)老師多多指教，我十分樂意接受你們的批評(píng)與指正。本人將不

40、勝感激。謝謝大家！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1：基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)；</p><p><b>　　2：模擬電子技術(shù)；</b></p><p><b>　　3：電路理論；</b></p><p>