学号14112200182

毕业设计(论文)

题目: 高性能电荷放大器的设计与研究

作 者 董 招 届 别 2015届

院 别 信息与通信工程学院 专 业 电子信息工程

指导教师 程望斌 职 称 副教授

完成时间 2015年05月 18日

摘 要

随着现代科学技术的飞速发展，电荷放大器在航空、航天、工业生产和智能通信等领域中得到了广泛应用。而传统的电荷放大器或多或少存在不足，很难满足实际应用要求，为此需研发出一种性价比较高、实用性较强的电荷放大器。文中对电荷放大器的各个组成模块进行详细阐述，其中系统硬件设计模块主要包含电荷-电压转换模块、归一化模块、滤波模块、电源模块、输出放大模块。并对压电加速传感器的基本理论、电荷放大器电路的等效电路进行了详细的分析说明，选用TL084四集成运算放大芯片进行电路设计。最后对电荷放大器进行了模拟实验，通过对实验数据的对比验证了电荷放大器的性能较好，证明了设计的可行性。因此，文中设计的电荷放大器具有一定的应用价值和社会价值。

关键词：电荷放大器；压电加速传感器；测量电路；TL084

Abstract

With the rapid development of modern science and technology, charge amplifier has been widely used in aviation, aerospace industrial production and intelligent communication fields. And traditional charge amplifier has more or less some deficiencies, it is difficult to meet the requirements of practical application, therefore we need to develop a high performance price ratio and practical charge amplifier. This paper expounded the component module of charge amplifier in details, the module of the system hardware design mainly include charge to voltage conversion module, normalized module, filtering module, power module, the output amplifier module. After the detailed analysis of the basic theory of piezoelectric acceleration sensor, charge amplifier circuit of equivalent circuit, choosing the chip TL084, the four integrated operational amplifier chip for the design of circuit. Finally, making simulate experiment for the charge amplifier, the comparison of experimental data validating the charge amplifier with good performance, proved the feasibility of the design. Therefore, the design of charge amplifier has a certain application value and social value.

Key words：Charge amplifier; The piezoelectric acceleration sensor; Measurement circuit;

TL084

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

随着测量、控制和自动化等技术的飞速发展，传感器技术逐渐地受到人们的重视。特别是近些年来，由于在科学技术、经济发展及日常生活等多方面的需求，传感器在各个领域中的起到的作用也日益显著。在工厂生产自动化、能源的开发、灾害预警、医疗卫生安全防范、生态保护等，这方面所开发的各种传感器，不仅能代替人的感官方面的功能，并且还能检测到人体感官不可以感受到的参数，给人们的生活提供了非常有利的条件。传感器的迅速的发展是现代科学发展的重要标志之一，它在工业生产上的应用的已经非常广泛，它的使用程度的高低已经被国际社会提名为衡量一个国家的网络化、数字化等重要标准。传感器的发展已被国际社会公认为是很具发展前途的高新技术产业。

压电加速传感器[1]作为一种向自然界获取信息的工具，它是将各种非电量按一定的转化规律转换成便于处理、传输的另一种物理量的装置，以满足信息的传送、处理、接收、记录、存储和控制的要求，它是实现自动检测和后续自动控制的第一环节。目前传感器技术已经成为了一种新型的科学技术。在传感器领域中，有两个概念是必不可少。一是信息的拾取；二是进行拾取信息的转换，转换成一种更方便于传输处理的物理量，一般都是电量。它一般是由敏感元件和转换元件构成。敏感元件是指在传感器系统中能构直接感受或者响应输入量的部分,转换元件是指传感器系统中能将敏感元件感受到的被测量转换成适于接收测量的电信号部分。理想的传感器应该能够将各种被检测量转变成高输出电平的电量，能输出零输出阻抗和噪声，并且具有良好的线性与重现性控制。

电荷放大器[2]作为组成压电传感器测试系统中的重要部分得到了越来越广泛的应用，目前市场上的测量电路价格比较昂贵，因此研制一种成本低、电路简单、集成度高的电荷放大器是很有必要的。当今世界各国越来越重视对电荷放大器的研究，并将其作为一个国家高速发展的重要标志之一，所以研制出一种高精度的电荷放大器[3]具有非常高的实际意义和使用价值。

1.2 国内外研究现状

压电式传感器是以一些电介质的压电效应为基础，由外部力量的作用下，电介质表面会产生一定量的电荷，从而达到非电量的检测等目的。其种类有很多，可以分为压力传感器、压电加速度传感器、声表面波传感器、压电水声传感器和电声传感器件等。其中的压电加速度传感器，又可称之为加速度计或者是加速度表，是压电式传感器家族里的一个分支，世界各国以量值传递为标准的高频、中频振动基准的、传感器都是压电式的。过去的三十年来，不论是国际还是国内，噪声工程、振动、冲击等一些领域都获得了突飞猛进的发展。动态测试的技术也是日新月异，其中以冲击振动的精确测量技术最为突出，压电加速度传感器作为振动与冲击测量的核心部件，最早的是于1938 年，电阻应变片的发明之后研制成功的，并于1940 年开始应用于航空和土木工程等各方面，由于它的问世，使振动与冲击测量技术开始在工业界获得广泛的应用。目前它的应用范围十分广泛，大约占据目前所用的加速度传感器总数的八成，其主要应用在工业、汽车、航空这三大产业中，特别是在航空和宇航领域中它占据着特殊地位，而且也正在逐步走向人们的日常生活中。可以这样说，测试技术的水平与自动控制水平的高低是衡量现代化科学技术高低的重要标志。随着各个领域的不断发展，压电加速度传感器慢慢的开始向多功能化、简约化、系统化、智能化等方面发展。其具有高灵敏度、量程大、精度高、体积小、抗干扰能力强、低功耗、温度稳定性好、适用于各种恶劣环境的优点，冲击加速度的值也可以从几分之一克变换到2x105克，在一定宽的温度范围内其具有很好的特性。国际上，许多研究机构和知名公司都开展了压电加速度传感器的研究。例如，美国的ENDEVCO公司一直致力与传感器的研究。丹麦的B&K公司早在1942年就进行了传感器的开发，两公司于1999 年合并，使合并后的公司成为当今世界上传感器及冲击和振动测量设备的最大制造商；瑞士的Kistler是最早的生产厂商；成立于1967年的美国PCB 公司，以压电技术而著称，公司在研发制造冲击、振动、测量仪器、力传感器的技术在当今的动态测试领域中起着领头羊的作用，目前已成为国际上著名的动态测试仪器及传感器的生产厂家。我国研究传感器起步比较晚些，国内比较早的公司有：北京测振仪器厂，建于1966 年，是信息产业部下的专业制造力学、应变、振动、声学传感器级测试仪器的骨干企业，也是国内外本行业的知名企业；江苏联能电子技术有限公司始建于1965 年，可生产大量用途广泛的振动传感器和测试分析的仪器。振动测量就是检测出振动的变化量，并将其转换为与之对应的、便于分析、显示和处理的电信号，振动信号的测量部分有两个，一是由获取振动信号的传感器；二是将传感器输出的电信号进行分析处理的放大器或变换器。随着科学技术的快速发展，这种技术现已成为研究和解决许多动力学中的问题不可或缺的手段。随着电子信息技术与计算机的迅速发展，现在它不仅可以精确测量出振动量的大小，而且还能精确地分析出其是何种信息与其参数，解决了长久以来只靠理论所无法解决的各种实际上的问题。测量信号和动态数据的分析与处理，是设备故障的诊断和问题分析的前提基础。振动信号是一种频率成分很丰富, 实时性很强的信号，振动信号代表了系统的状态和特征，利用振动信号对故障进行诊断与分析，是故障诊断方法中最有效，最常用的方法。振动测量技术主要应用在以下这几个方面：振动疲劳测试；结构动力特性测试；机械设备状态监测、故障诊断；动力强度试验；重大工程设施的强震安全监测；抗地震性能试验等。

随着振动测试技术理论的快速发展和生产中对测试技术需求的日益增长，高精度的测试仪器与现代化的测量方法不断的出现。从当初的机械式测振仪，到今天各种由应用物理学原理制成的传感器，结构动力学分析软件、FFT 分析仪、高精度与高速率的数据采集系统已在多个领域得到广泛的发展。在震动测试领域中，电测法是当中用的比较多的一种方法，其各个组成部分流程可划分为：信息获得、信息处理、信息转换、信息显示几个部分。

振动冲击是作用在压电加速度传感器上[4]，压电加速度传感器就会产生相应量的电荷，所以我们可以把压电加速度传感器看作是一个可以产生电荷的高内阻元器件，但是此产生的电量很微弱，很难进行直接测量或记录，需要采用专用电路来抑制混入的干扰信号与噪声，提取其中有用的电荷信号，并将其转变为方便我们记录和测量的信号。压电加速度传感器输出阻抗一般可以达到上千欧，如果输入阻抗没达到要求将会导致电荷泄漏，从而引起一定量的测量误差，对测量效果造成影响。所以我们需要设计一个相应的电路与压电加速度传感器共同使用。

目前，电荷放大器这方面的技术已经相当成熟，可以实现多多档位测量、通道输入、多档位增益可调等一些功能，向微型化、高精度方向发展。国内电荷放大器的生产商有扬州泰司电子有限公司，旗下产品TS5865，输入灵敏度为0.1～1V/pC（1-3 档），输入电荷量为0～105pC，其最大输出电压为10V，精确度 0.5％，频率范围为 0.3Hz～100kHz，噪声输入端折合小于5μV，归一化可连续调节，可数字显示；还有天工精仪的ICA103，电荷输入范围为500pC~50,000pC，输出范围是+10—-10V，频响为（误差<0.1%）1Hz~10kHz，将电荷信号转化为电压信号时的输出温度的频响误差小、频响误差小、稳定性好等优点，电荷放大模块则是采用金属密封屏蔽，具有频响误差小、防潮和防震的优点，而且还带有校正电位器，并能外接电阻调节其增益大小，增益调节范围为1~100 倍，抗干扰能力非常强。

国外，许多著名的大公司和企业以及许多的研究机构都对压电加速度传感器进行了研究。早在1943年，丹麦的B&K公司就开始了对它的开发和研究，美国也有一家公司叫“ENDEVCO”它也一直致力于对它的研制，两公司于1999 年实现了合并，之后便成了世界上最大的传感器的制造厂商。瑞士也有一家公司，名为 Kistler ，它是全球最早的生产厂商；美还有一家PCB 公司，在1967年正式诞生，它以压电制作的技术而闻名于世界，公司在研发和制造测量仪器的技术这方面处于世界领导地位，目前该公司已经成为全球知道名的传感器生产厂家。所有这些电荷放大器性能已经做得很完善，完全能适用于冲击和振动的测量。

1.3 课题研究重点和思路

本文先对电荷放大器电路作了理论分析和研究，在参阅大量文献和资料的基础上采用高精度的测量放大集成芯片进行优化设计。本文研究的主要内容包括压电加速度传感器的介绍、电荷放大器的电路设计、实验总结及课题研究结论。电荷放大器的电路设计具体包括下面几部分：

（1）研究重点

① 电荷放大电路

② 归一化电路

③ 高通、低通滤波器的设计

④ 输出放大模块的设计

⑤ 电源模块的设计

⑥ 过载报警保护模块的设计

（2）研究思路

先从压电加速度传感器的原理、灵敏度、频率响应、等效电路等多方面进行详细分析，确定压电加速度传感器对其后续测量电路的要求，探讨实现该测量电路的两种方案，对比优缺点之后，确定电荷放大器的设计方案。再根据设计方案制作电荷放大器，最后经过实验验证其功能。

第2章 压电式加速度传感器的理论介绍

2.1 传感器的测量系统

传感器的作用就是将振动量转换成相应的电信号。为了能准确地进行振动量测量，对传感器提出的基本要求包括：（1）具有较宽的动态范围和频率响应范围，即对非常低和非常高的振动能做出精确的响应；（2）在其频率响应范围内有着很好的线性度；（3）对噪声干扰具有最低的灵敏度[5]；（4）工作可靠、结构坚固、能够长时间保持稳定的特性。压电加速度传感器的所以预处理理论就是基于以上四点的。测量系统中各个组成部分的组成和关系如图2.1所示。

图2.1 测试系统的组成

2.2 压电式加速度传感器的基本特性和工作原理

在图2.1中，传感器是一个把被测的非电物理量转换成电量的仪器[6]，因此它是一种获取信息的方法，它在传感器测量系统中起着非常重要的作用，系统的好与坏是由它获取有用信号能力的高低决定的，作用就是把经过传感器后电信号转变为方便分析的电压或者电流信号，从而使的信号可以被记录和显示出来，传感器类型的选择决定了测量时所用的电路的种类。压电加速度传感器是一种最为常见的传感器。

某些电介质在某一方向施加作用力时，其表面会产生电荷，这种现象就称之为压电效应。压电效应是材料受到压力作用时所产生的电极化的现象，它是一种可逆效应。利用此压电效应而制成的传感器称之为压电式传感器。压电式传感器由质量块、支座、压电元件三部分组成。支座与待测物刚性固定在，它们是以同一加速度运动，压电元件受振动和加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，在此力作用下沿其表面会形成与这一力成正比的电荷信号，若振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷与作用力成正比，电荷信号经前置放大器放大后，就能由一般的测量仪器测试出电荷的大小，从而得出物体实际加速度的大小。

2.3 压电加速度传感器基本测量电路

压电加速度传感器有着高内阻、输出信号较弱的特点，它除自身带有极高的绝缘电阻外，同时还要求负载电阻的阻抗足够高，以防止由于电荷的迅速泄漏而引入的测量误差，因此测量电路的前置放大电路的作用主要有两个：其一传感器的高阻抗输入量转换为低阻抗的输出量；其二是将传感器的输出信号放大。

（1）电压放大器

电压放大器又被称为阻抗变换器，它的输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比。其电路图如图2.2所示。

其中，由图2.2可以得出：

(2.1)

(2.2)

假设由交变力Q/U 作用而产生的电荷量是按正弦规律而变化的，则电荷量Q可以表示为，Q =dF =dFmsinωt，带入（2.2）式可得：

(2.3)

通过式（2.3）的分析，再结合实际电路，可以得出输入电压为：

(2.4)

则输入电压和作用力的相位差分别为，

(2.5)

(2.6)

其中，是时间常数，=R (Ca+Cc+Ci )。当ω2R2 (Ca+Cc+Ci)2 »1 ,可计算出放大器的输入电压幅值 Ui ：

(2.7)

由式（2.7）分析可以知道，当电路条件得到一定的满足时，此时的输入电压不会因为被测频率的变动而变化，因此提高回路的时间常数，可以使得低频段带宽变宽，而灵敏度的计算公式为：

(2.8)

当ω2R2 (Ca+Cc+Ci)2 »1时，

(2.9)

若回路的时间常数变化时将会传感器灵敏度造成不同程度的影响，所以一般用输入阻抗非常大的前置放大器来克服这个缺点。由式（2.7）和（2.9）我们可以得出，当放大器跟传感器的连接电缆长度被改变时，会造成分布电容Cc的改变，从而给输出电压的灵敏度带来一定的影响，并影响输出结果。这正是电压放大器的不足之处，而电荷放大器不会出现这方面的问题。

（2）电荷放大器

电荷放大器是一种能将电荷信号转换为电压信号输出的放大器，通常被用作传感器的转换电路，被广泛地应用于自动控制等领域。电荷放大器[7]在测量系统中最明显的优点就是电缆分布电容的变化不会影响其测量结果，也就是说，在测量和定度时，若更换不同长短、不同型号的电缆都不会改变仪器的灵敏度，所以电荷放大器适用于那些需要改变输入连接电缆长度的场所。压电加速度传感器与电荷放大器连接的示意图如图2.3所示。

图2.3 压电加速度传感器和电荷放大器的等效电路

电路中采用的反馈是负反馈，该电路对电缆噪声非常敏感，一旦混入噪声很容易产生零点漂移，引入测量误差，为了消除零点漂移，让放大器工作在稳定区域，改进的办法通常是给反馈电容的前后两端并联一个大电阻Rf（约1010～14 10Ω），让这个电阻来产生直流反馈。由放大器[8]的“虚地”可以计算出折合后有效容值Cf为：

(2.10)

反馈电阻Rf等效到放大器的输入端的有效电阻 为：

(2.11)

ω为角频率，再根据图2.3，通过电路理论得出放大器的输出电压为：

(2.12)

通过化简得出其输出电压为：

(2.13)

由于实际电路中采用的运算放大器开环增益[9]A的数量级为104~106，因此，（1+A）>> Ca+Cc+Ci，所以，Ca、Cc 和 Ci都可以忽略不计，由（2.13）式可知，当Ra、Ri与 Rf足够大时，该式可改写为：

(2.14)

由式（2.14）可知，在频率较低时，(1+A)/Rf的比值与jωCf的值相当，那么就不可以忽略（1+A）/Rf的作用了，根据复变函数理论，输出电压的幅频响应函数为：

(2.15)

由式（2.15）可知，当信号频率越小，1/Rf作用越来明显，Rf 与Cf一样重要，可以推导得出电荷放大器的下限频率是由反馈电阻和反馈电容决定的。联合（2.14）式可以得出，电荷放大器的输出电压 Uo 与电荷Q 是成正比的，与信号的频率并无关系，与电缆电容Cc也无关系，可以对传感器的导线长度没有要求。

（3）内置集成电路的压电传感器

随着集成科学技术的发展，不断地将阻抗变换器直接与后面的测量电路器件集成，缩短了引线，避免了电缆电容带来的不良影响影响。ICP(Integrated Circuits Piezoelectric)传感器就是指内置集成电路的压电传感器，整个系统包括ICP 传感器，一个不间断电源普通的双芯电缆，所有的ICP 系统都需要不间断恒流电源为ICP 传感器提供恒定的电流。相比于外置前置放大器的压电传感器，它能克服多种缺点，而且供电电缆也是作为信号输出线。有两个因素来决定它的低频响应：时间常数和信号适调器的藕合电容。如果信号的输出方式是直流藕合输出，这样其低频响应只有一个因素决定，那就是时间常数，不过直流耦合会带来零点漂移问题，因此大多信号适调器都采用交流藕合。

综合以上的分析，电压放大器测量精度受电缆长度影响较大，基于这个缺点，不利于仪器推广。而电荷放大器在保证电路简单、精度高的前提下，能够克服电压放大器的缺点，在电缆长度改变时不再需要对测量系统进行重新标定或计算[8]，这在远距离测量、经常要换用不同长度输入电缆时非常方便，对实际测量来说具有重要的实用意义。对微弱信号的处理上来说，保证精度很重要，而且对于在实际工程测量来说，方便又很实用很。电荷放大器在接收压电传感器的信号这方面的能力要强于电压放大器，而且压电加速度传感器本身就是电荷式的，所以电荷放大器得到了更广泛的应用。随着小电容、配套仪表、高绝缘、低噪声、电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。随着集成技术的发展以及实际工程的需要，现在的压电加速度传感器的测量电路一般都用电荷放大器[10]，本设计中采用的就是该方案。

第3章 电荷放大器的整体硬件设计

3.1 电荷放大器整体框图

压电传感器输出的电荷量很小，一般的测量电路输入的阻抗比较低，而压电传感器的内阻很高，为了实现阻抗匹配，这就要求后续测量的电路的输入阻抗也必须要高，如果不能够实现阻抗匹配，就会导致传感器所测量的电荷经过测量电路之后会泄漏掉，造成测量的误差。电荷放大器的输出电压跟加速度a的关系可用式（3.1）来表示。

（3.1）

本次设计的电荷放大器模块流程如图3.1所示。

图3.1 电荷放大器框图

该部分电路由电荷转换电路、归一化电路、高低通滤波电路、输出放大电路、过载指示电路、稳压电源电路等几部分组成。由于是对微弱信号进行放大，所以信号很容易被噪声等淹没。因此一般将放大增益最大的转换级放在第一级。

3.2 电荷放大器各个模块的设计

3.2.1 电荷-电压转换模块的设计

本模块是用在放大电路的第一级，起着将电荷信号转换为电压信号的作用，同时它也是引入噪声的主要电路，该部分电路的关键在于低噪声器件的选择和电子线路及其工作状态的优化设计。该电路主要是运用利用积分器来实现电荷到电压的转换，再加上负反馈电容Cf共同构成此部分电路模块，电路图如图3.2所示。

图3.2 电荷转换电路图

由图3.2可得：

（3.2）

由式（3.1）和（3.2）可得：

（3.3）

由最后得出的式（3.3）可以看出，输入电荷量的大小正比于积分电路的输出电压，积分电路的输出电压又与反馈电容Cf成反比的关系，负号则是表示与输入信号的相位相反，要想控制电荷放大器的灵敏度可调我们只需要控制反馈电容[11]的大小即可。

（1）运放的选取

本设计选用的是TI公司的TL084 这款芯片，该芯片是宽带结型场效应高输入阻抗运算放大器，其以结型场效应管作为输入级，具有极高的输入阻抗，低偏置电流和低输入失调电流。除此之外，该芯片的失调电压比较小、失调电压温漂小而且噪声电流也比较小。该芯片还被誉为Hi-Fi四大运放名品之一，价格也比较低廉，被广泛地应用于各个领域，典型应用有精密高速积分器、高速的模数转换、采样保持电路和光电放大器等。TL084的典型参数有：输入阻抗≥1012 Ω，开环增益≥100 dB，输入失调电压≤3 mV，输入偏置电流≤3 pA，共模抑制比为100 dB，符合设计的参数要求。芯片的引脚如图3.3 所示。

图3.3 TL084 芯片引脚图

该芯片在使用过程中，要注意下面几个问题：

① 所有的电压值，除差分电压，是相对于零参考电平的电源电压（地）其中零参考电平中点之间的VCC +和VCC -。且绝对值要相等。电源两端都需要加反馈电容来滤除干扰。

② 差分电压是在相对于反相输入端非反相输入端。

③ 输入电压的幅度绝不能超过电源电压或15 V的大小，以较少者为准。

④ 输出可能短路到地或任一电源。温度和电源电压必须限制，以确保不超过额定功耗。

（2）反馈电容的选择

反馈电容 Cf的精度决定了放大器的精度。过小的 Cf自身易受分布电容影响, 很难保证测试精度的要求, 也不利于改善电路的低频响应特性。同时为保证一定的增益, Cf不能取太大, 它的选择范围一般在100~ 10000 pF之间。所以在经过对电容性能进行比较之后，选择使用CB10型聚苯乙烯薄膜电容器件做反馈电容，具有负温度系数、绝缘电阻高及损耗小、电容量稳定性好、内阻高、介质损耗极低、低漏电、标称容量误差小等特点，适用于仪器仪表及家用电器上，符合本设计需要。

反馈电容取值的选择与闭环增益、干扰噪音以及对电路的要求、截止频率等均有关系，下面我们分析反馈电容的取值问题。现在假设干扰信号的交流干扰源为eN ，将其等效到输入端的电路图如图3.4 所示。

图3.4 干扰源的电路等效图

在图3.4中，G 是电缆的电导与输入电导的叠加，计算公式为：

（3.4）

C是电缆电容跟输入电容的叠加，计算公式为：

C=Ci+Cc （3.5）

令输入值U i =0，若此时在输出端的干扰为eoN，可推倒eN和eoN之间的关系为：

（3.6）

当电导的作用远小于电容时：

（3.7）

下限截止频率有公式f L=1/ 2πRf Cf计算求得，从对截止频率的要求考虑，一般选取Rf和Cf的值要使时间常数=Rf Cf较大，所以需要 Cf值大些。综合以上分析可得，反馈电容过大，则噪声就会偏大[12]；过小则反馈深度就会偏小，从而输出幅度稳定性变坏，这两者都会影响电路的实际表现。综合考虑干扰和增益这两方面的要求，Cf选择范围一般在100pF～10000pF 之间。

（3）反馈电阻的选择

反馈电阻Rf可提供直流负反馈, 使电荷放大器稳定工作。Rf值通常由低频下限f L = 1/2PRfCf求出。对于测试系统而言, 希望fL尽量低,因此Rf值都很大。令式（3.7）中的ω＝0，可得：

（3.8）

从式（3.8）中我们可以知道，要减小直流漂移，就得增加Ri和Rc的值。同时还要保证电阻 Rf尽量的小，这样可以防止直流便宜，稳定电路的直流工作点。下限频率的计算式f L=1/ 2πRf Cf ，它的值的大小由两个反馈原件决定，在C f 保持不变的情况下，要使得下线截止频率尽可能的偏低，反馈电阻Rf就要做得很大。由此我们可以得出：如果Rf过大，将会给电路带来干扰，影响电路的正常的工作，对测试结果造成误差；如果Rf过小，则会增加低频截止频率。所以这两者之间是相矛盾的。该部分电路采用的是低阻值电阻组成T型网络来实现电路功能，这样能使得误差极大地下降。

（4）电荷-电压转换部分电路的设计

本设计如图3.5所示，为了防止TL084 过载损坏，电路中在TL084的反相端串接上电阻R2；为了对相位进行补偿，在R2两端并联上电容C5，避免R2与运放TL084 的输入电容构成另一个极点，从而在电路内部形成自激振荡；电容 C4是为了隔离传感器的直流漂移；R3、R4、R5 为调零电阻，是为了实现差分放大电路的对称性，由此来减少失调电压和失调电流；C2和C3，C6和C7是为了滤除电源对 TL084 的干扰；压电加速度传感器[13]的输出信号很微弱，为了使电荷转换级能够正常驱动后级电路，在电荷-电压转换之后设计成功率型输出，以提高输出级的带负载能力，同时又能减小输出信号的交越失真。

图3.5 本设计实际示意图

该部分电路选用的芯片是TDA2030，是TDA2030的典型功率放大电路应用，二极管D1和D2是为了保护芯片过载受损而设计的，C8 和C9，C12和C13 分别滤除电源对TDA2030 的干扰影响；多数放大器在各级之间加隔离电容来减小直流漂移的影响，电容C16起到了隔离直流零漂的作用。

3.2.2 归一化电路的设计

归一化电路在电荷放大器中起到的作用可以这样描写叙，使用不同灵敏度的压电加速度传感器去对同一被测量进行测量时，得到一致的输出值。归一化电路使电荷放大器[14]的使用不再受制于传感器的限制，因此归一化电路在实际中得到了更广泛的应用。

现假如有2个加速度传感器，一个电荷灵敏度为 另一个为

，电荷放大器[15]的电荷转换部分灵敏度可以表示为

假设归一化的灵敏度表示为 ，当有一个加速度值加在压电加速度传感器上时，两只传感器经过归一化电路后对应的输出分别为（这里假设反馈电容Cf=1000pF）：

所以，输出值是否相同，取决于K'1和K'2的值。若K'1=8, K'2=5，则两个输出分别为：

从上面的理论分析可以得出，当被测量一定时，使用归一化电路对不同灵敏度的压电加速传感器能够得出同样的输出，所以归一化电路在实际的测量中起着非常重要的作用。通常实现增益可调的归一化电路都采用了比例运算电路。常用的此类电路有反相比例运算电路、T 形反馈网络电路和同相比例运算电路。

（1）反相比例运算电路

反相比例运算电路如图3.6所示。

图3.6 基本反相比例运算电路

由图可知，输出电压uo和ui相位是相反的，该反馈类型是电压并联负反馈，R'为平衡补偿电阻，R'=R//Rf 。运用基本电路知识分析可以知道，该运放是理想集成反向比例运放，输入与输出的关系可用式（3.9）表示：

（3.9）

（2）T形反馈网络电路

基本的T形反馈网络电路如图3.7所示。

图3.7 T形反馈网络电路图

根据电路列节点方程：

（3.10）

则节点M 的电位和R3 、R4 的电流可表示为：

（3.11）

（3.12）

（3.13）

输出电压U0可表示为：

（3.14）

将节点电流方程带入式（3.14），整理可得：

（3.15）

当R3 =∞时，式（3.15）就成了反相比例表达式。R3的使用减少了反馈系数，为了使反馈深度能达到要求和获得较大的集成运放应采用开环增益[16]。

（3）同相比例运算放大电路

同相比例运算放大电路如图3.8所示。

图3.8 同相比例运算放大电路

同相比例运算电路输入量与输出相位同相，并且输出量要比输入量大。同相比例运算放大电路的特点为输出电阻低，输入电阻高的特点，由于集成运放同时又带有共模输入，所以要选用共模抑制比较高的集成运放电路。由放大器的“虚短”和“虚断”的理论可推导出:

（3.16）

综合以上理论的分析，文中选用反相比例放大电路来对归一化放大电路进行设计，其电路图如图3.9所示。

图3.9 归一化放大电路

3.2.3 高通、低通滤波器的设计

在某些振动测试中，电荷放大器[17]的通频带会远远高于实际的需要，无用的高频频带对低频测试只会带来不利的影响，所以在系统中需采用低通滤波器，使得无用的高频分量得到较大的衰减，以方便提取有效信号。系统在测试测量过程中会混入多种干扰。信号在采集、传输和处理与生成等若干环节中都可能遭受到不同程度的污染，而产生误差。为此就要用滤波器滤掉不需要的成分，保留其中有用信号。在电荷-电压转换的时候，当输入电阻一定时，在切换增益档时，电路直流放大倍数变化很大，输出零点跳动很大，以及其他多种原因导致直流漂移，所以有必要在低通滤波器后面加一个高通滤波器，将直流部分滤除。

（1）高通滤波器的设计

高通滤波电路如图3.10所示。

图3.10 Butterworth 二阶高通滤波电路

根据电路原理图，可以得出电路的品质因数Q,通带放大倍数和电路传递函数分别为：

（3.17）

（3.18）

（3.19）

令ω0=2πf0=1/RC, 选择低频截止频率等于1Hz，C =20uF，则由fL=1/2πRC,计算可得，R1=R2=8.06 kΩ。品质因数Q=0.707，即：

（3.20）

最后得出：

（3.21）

由于要使集成运放的正相输入端和反相输入端的电阻达到平衡，要求RA // RB =R+R =16.12kΩ, 可求得R A =24.9kΩ，R B =43kΩ。

（2）低通滤波器的设计

通常来说，特定的截止陡峭度随滤波器级数的增加而趋于理想，为了保证信号质量，本文设计采用Butterworth 二阶低通滤波器滤波，如图3.11 所示。

图3.11 Butterworth 二阶低通滤波电路

由图可列式子：

（3.22）

（3.23）

（3.24）

根据节点M可以列节点方程：i1=i2+i3，将各量带入节点方程可得：

（3.25）

联立式（3.22）、（3.23）、（3.24）并求解，可得电路传递函数为：

（3.26）

则有：

（3.27）

当电路的截止频率为1kHz，电容的容量C =10 nF时，根据fH =1/2πRC计算公式,计算得出R =16kΩ。

滤波器通带的状态是用品质因素来表明的，本设计采用巴特沃斯滤波，通常取

Q=0.707，相移1/4π可得：

（3.28）

要使集成运放正相输入端和反相输入端电阻要达到平衡，所以RA // RB =R+R =32kΩ,可求得R A =86.6kΩ，R B =51kΩ。滤波器的特性和稳定性与每个元件的精度有关，故需选择精度高的元件。

根据滤波器的快速设计理论，再结合该设计中信号的频率变化范围大的要求，选用TL084 作为滤波器的运算放大器[19]，在这个电路中，可以通过改变电阻R1、R2的阻值来改变上限截止频率的大小，只要满足R1= R2= R即可。由式（3.21）可以看出，该滤波器的通带增益要小于3才能使电路稳定工作，本设计选择带内增益为2。

3.2.4 过载报警保护模块的设计

过载保护电路有着即使在电路中过流及输出短路时，也能保护系统中元器件不受损坏的作用，同时又具备警示的功能。

本设计采用的是窗口比较器电路，此时集成运放设为开环状态，工作在饱和区内，根据同相端与反相端电位高低的不同，而输出高、低电平两种状态。采用双比较器芯片LM393，该芯片偏置电流小、差分输入电压范围大(±30V)、失调电流小，并可驱动LED 指示灯和继电器，而且即可以单电源供电，又可以双电源供电。本模块设计如图3.12所示。

图3.12 本设计过载指示报警电路

图中LM393 设计为OC 门输出，所以电路分别加了两个10KΩ的上拉电阻。图中+10V 和 -10V 均为参考电压，在正常情况下，电荷放大器[20]的输出值介于这两者之间； D1 、D2是为了保护电路的安全而设计的，当参考电压接法正确时电路正常工作或者是接反时，这两个发光二极管就可以保护电路中芯片不被烧坏；选择芯片的供电电压为+15V。当输入电压值处在正负10V 之间时，两只发光二极管都不会发光；当输入电压低于-10V时，黄色发光二极管会导通燃亮；当输入电压高于正10V 时，红色发光二极管会导通燃亮；可以达到高限报警与低限报警的目的。从而能够根据发光二极管的发光情况来降低或提高输出放大级的放大倍数。

3.2.5 电源模块的设计

本设计中，需要±15V 和±12V 的供电电压，设计电源如图3.13、3.14所示。交流电先经过变压器，再经过整流滤波后得到的直流输入电压为Ui，并将其接在输入端和公共端之间，在输出端即可得到稳定的输出电压Uo。为了抵消输入线较长带来的电感效应，防止自激现象的产生，常在输入端接入电容Ci（一般其容量值为0.33uF）。同时，在输出端接上电容Co ，以改善负载的瞬态响应和消除输出电压中的高频噪声， Co的容量一般为0.1uF至几十微法。两个电容应直接接在集成稳压器的引脚处。若输出电压比较高，应在输出端和输入端跨接一个保护二极管VD，作用是在输入端短路时，使Co 通过二极管放电，来保护集成稳压器内部的调整管。输入直流电压Ui的值至少比输出电压Uo高2V左右。

图3.13 ±15V 电压电路图

图3.14 ±12V 电源电路图

3.2.6 输出放大模块的设计

本设计放大级电路采用同相比例运算放大来对电路进行放大，这样能保证电荷放大器的输出信号与输入信号一致。高通滤波电路中包含了此输出放大电路，如图3.15所示。

图3.15 输出放大模块电路图

同相比例放大电路由电阻R20、R21与芯片TL084组成。整个电路的增益可以通过改变同相放大器的增益来改变，此做法也使得压电加速度传感器的输出信号与电路的输出信号保持相位一致。

第4章 电荷放大器的实验测试

4.1 实验原理

本次实验要用到的装置设备有信号拾取设备、激振设备、显示分析仪器以及信号处理装置。主要使用的仪器有：D－10A 电动式振动台，最大可以产生100N 的振动源，最高频率5kHz；励磁电源，主要给振动台供直流电以激发磁场，从而激励振动台振动；FG－10 功率放大器，最大输出电压为15V；一台标准电荷放大器TS5865；两只压电加速度传感器，属于通用振动冲击类，电荷灵敏度为5.14pC/g，频率范围为0.5 ~ 5 kHz；本设计的电荷放大器；用于观察信号波形的Agilent 54622D 示波器；还有屏蔽盒。装置连接如图4.1所示。

图4.1 实验装置连接示意图

实验装置的实物连接如图4.2 所示，实验通常选用160Hz 或者100Hz 的信号作为实验信号[19]。其中，两路相同压电加速度传感器输出信号分别经过标准电荷放大器和本设计的电荷放大器输出到示波器显示，在示波器上观察比较两路信号，以检验本设计电荷放大器的性能。

图4.2 实验装置实物图

4.2 实验方法

（1）反馈电阻放大器中的作用

通过对第3章的理论分析可知电荷放大级的反馈电阻对电荷放大器低频频响的影响比较大[14]，本实验的反馈电容选定为1000pF，再选择不同阻值的反馈电阻（5GΩ 、5TΩ 、50TΩ）来进行实验，验证对其输出的影响。调整信号分别输出100Hz 的正弦信号作输入信号对本设计电荷放大器进行实验测试。图4.3、图4.4、图4.5分别是不同情况下电荷放大器的输出波形。

图4.3 反馈电阻为5GΩ时本设计的输出波形

图4.4 反馈电阻为5TΩ时本设计的输出波形

图4.5 反馈电阻为50TΩ时本设计的输出波形

比较以上三幅图可得，反馈电阻对信号处理有很大的影响。在反馈电容不变的情况下，反馈电阻越大，信号的频率特性就越好，与前面的理论分析一致。

（2）低通滤波器在放大器中的作用

该实验的试验信号依然选用160Hz 的正弦信号，首先给振动台一个力，让其产生一个大小为5g 的加速度，加速度产生之后，压电加速度传感器就会在这个力的激励之下产生一个测量信号，该实验信号经过屏蔽电缆输入到未加低通滤波的电荷放大器中，最后由示波器显示出来。未加低通滤波时本设计电荷放大器的信号频谱如图4.6所示。

图4.6 未加低通滤波时本设计电荷放大器的信号频谱

在图4.6中，示波器正中间频率为1.00kHz，整个示波器显示频率范围为2.00kHz，所以横向每一格为200Hz。从图4.6中可以看出，干扰信号主要集中分布在频率为160Hz左右。为了使衰减小于0.1dB，通常我们要设置滤波器的上限频率高于信号频率的3倍以上。本实验输入信号的频率为160Hz，所以选用低通滤波器的上限截止频率为1kHz。经过低通滤波后，输出信号频谱如图4.7所示。与图4.6相比较可以看出，高频干扰信号得到了有效的衰减。

图4.7 设置1kHz 低通滤波器后本设计的信号频谱

为检验本设计的滤波效果的好坏，用标准电荷放大器进行相同的处理，低通上限同样选取为1kHz，所得信号频谱分析如图4.8所示。

图4.8 设置1kHz 上限截止频率时标准电荷放大器的信号频谱

比较图4.7和图4.8可以得出，本设计与标准电荷放大器效果基本吻合。

（3）高通滤波对电荷放大器性能的影响

实验仍然采用160Hz 的测试信号来推动振动台产生相同的加速度值。将该信号输入到未加高通滤波的本设计电荷放大器中。通过示波器来观察输出波形图，其输出波形图如图4.9所示。信号的峰峰值为1.44V，最大值为1.0V，最小值为-440mV，所以直流分量为280mV，这就证明了本设计电荷放大器处理过的信号包涵许多直流漂移信号，需要使用高通滤波器滤除。

图4.9未加高通滤波器时的两路输出信号波形

设置标准电荷放大器的下限截止频率也设置为5Hz，同时本电荷放大器的下限截止频率为5Hz，获取信号波形如图4.10所示，再进行比较。

图4.10加了5Hz 高通滤波器后的两路信号输出波形

本设计信号是图中的第一路信号，其值介于+720mV和-720mV之间，没有直流分量，很容易得出高通滤波器很好的滤掉了信号中的直流分量的结论。由图4.10还能看出两路波形除了相位相差大约180。以外，其余的几乎完全吻合，这便验证了前面的理论分析。通过对实验输出波形的分析可以看出，在电荷转换和适调放大后加入合适的放大电路与高低通滤波电路后，其输出波形几乎和标准输出波形一致，这便说明了本设计电荷放大器较实现了从高阻电荷信号向低阻电压信号的转化的要求，说明了该设计理论的正确性。

4.3实验结果

本设计电荷放大器和标准电荷放大器幅值的性能比较如图4.11、4.12所示：

图4.11本设计电荷放大器的信号频谱

图4.12 标准电荷放大器的信号频谱

图4.11和图4.12中，信号的频率分布基本一致，从而可以得出本设计的电荷放大器的信号频谱与标准电荷放大器输出信号的频谱中频率分布与本设计中电荷放大器输出信号的频谱基本吻合。但是160Hz 频率在标准电荷放大器中的比例要高于本设计的电荷放大器中所占比率，所以标准电荷放大器的精度要高于本设计的电荷放大器的精度。

第5章 总 结

文中详细地说明了压电加速度传感器的基本原理和等效电路，又根据它的固有特性，对与其共同使用的二次测量仪表--电荷放大器进行了详细的分析，最后利用实验室现有实验设备与标准电荷放大器进行了比较实验，通过实验来对本设计的理论进行了验证，并证明本设计的可行性。但此次的设计还是存在些不足之处，例如在减少实验干扰方面还有待改进，系统的理论研究还有待完善等。虽然有上述的不足之处，但设计的整体效果还是令人满意的，同时也证明了该方案的正确性。

5.1本文研究重点

本文研究重点有：

（1）压电加速度传感器的基本原理。压电加速度传感器是利用压电元件的压电效应来工作的，当一个力作用在压电元件上，在它的两端就会产生相应的电荷。

（2）电荷放大器各个模块的设计。电荷放大器的主要组成模块有：电荷-电压模块、归一化模块、滤波模块、输出放大模块、电源模块和过载指示模块。

（3）对实验后的数据进行理论分析。通过实验数据、波形与标准电荷放大器的对比来验证本设计的可行性。

5.2 所做主要工作

具体做了如下主要工作：

（1）本设计在滤波方面采用了二阶巴特沃斯滤波电路对信号进行滤波处理，滤除高频和低频的干扰信号，本设计的电荷放大器在成功率放大方面采用的是TDA2030 芯片，来达到电荷信号到电压信号的功率放大的目的；还设计了完善的保护与报警措施，在高限和低限过载报警方面采用二极管和保险丝过载保护，红、黄发光二极管分别进行监测。

（2）详细地分析了压电加速度传感器的基本原理、等效电路和影响其测量准确度的因素等，确定压电加速度传感器对其后续测量电路的要求，探讨实现该测量电路的两种不同方案，在比较这两种方案之后确定了电荷放大器的设计方案。

（3）对电荷放大器个个模块的设计进行详细的分析。弄清楚各部分电路所起的作用。

（4）对实验数据进行对比分析，最后得出结论。

5.3 不足与展望

5.3.1 不足

任何一个完美的设计都存在着一些不足和值得改进之处，本设计也有一些不足的地方，例如：

（1）在实际环境或者实地测量过程中，被测信号必然要受到噪音的干扰和高低频信号的影响，所以需要用截止频率可调的滤波器对电荷放大电路进行滤波处理。振动与冲击测量中产生的信号频率非常丰富，可以从几Hz 到几kHz,，普通的高低频滤波器难以胜任，而跟踪滤波器或者程控滤波器可以较好的解决这个问题，这将会使得本设计电荷放大器得到更广泛的应用。

（2）相比于实际的测量环境来说，本实验的测量环境存在很大的局限性，所以实验测量的数据可靠性不强。文中虽然详细的分析了干扰信号，但是只是理论上的分析，没有采用相关措施进行实验验证，

（3）本设计中还可以考虑加入适当的显示电路，方便读取实验数据，或者是一个随时播放实验数据的音响或喇叭。

5.3.2 展望

这次毕业设计让我受益匪浅，用一句话概括为：世上无难事，只怕有心人。一件事情只要付出了就会有收获，只要用心了就会有回报。它不仅让我获得了许多的专业知识，更让我获得了一种自我学习的能力。此次的毕业设计涉及到的知识方方面面，有的还是从未接触过的，这都要求我重新开始学习，一点一滴，扎扎实实，不管是网上收集还是去图书馆查阅，这都是一个自我学习的过程。这种自学的能力将是我人生中的一笔宝贵的财富，也是我步入社会长期发展的根本。希望这次的毕业设计能成为我人生的一个新的起点，让我飞往更广阔的蓝天。

参考文献

[1] 林希清.基于TL084的电荷放大器的研制[M].合肥：安徽大学出版社，2008

[2] 谢静.新型电荷放大器设计[M].西安：西安理工大学出版社，2008

[3] 陶玉贵.一种新型电荷放大器的研究与设计[J].芜湖信息技术职业学院电子信息系，2008，31(5)：444-445

[4] 麦庆军.压电传感器二测量电路特性的探讨[J].广州医学物理教研室，2009，22(1)：100-101

[5] 刘创军，赵景平，刘伯平，等.高精度双路相敏放大器的设计[J].西安电子科技大学，2011，34(18)：118-119

[6] 郝晓剑，杨述平.仪器电路设计与应用[M]．北京：电子工业出版社，2007

[7] 彭建华，陈向东，王红燕，等.低压低功耗CMOS电流反馈运算放大器的设计[J].西南交通大学，2007，37(3)：421- 424

[8] 李黎，朱嘉林.小体积高性能电荷放大器的研制[J].北京：北京信息科技大学理学院，2014，33(4)：53-55

[9] 薛开昶，王应吉.几种放大器的程控增益电路设计[J].吉林大学仪器科学与电气工程学院，2009，3(27)：138-139

[10] 葛维维，刘佑宝.低噪声运算放大器噪声分析[J].微电子学与计算机，2007，24(2)：125-127

[11] 赵家贵.电子电路设计[M].北京：中国计量出版社，2005

[12] 孙颖奇，马剑强，张天磊，等.低噪声压电电荷放大器的设计与实验研究[J].宁波大学机械

工程与力学学院，2013，35(6)：834-835

[13] Kyoung Nam Ha, Suk Lee,Chang Lee.A pyroelectric infrared sensor-based indoor location-aware 

system for the smart home[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronic,2006,52(4):1-2

[14] 刘富海，蔡军伟，颜幸尧，等.超声波倒车雷达中电荷放大器的分析与选择[J].中国计量学院计量测试工程学院，2013，24(2)：147-148

[15] 李艾桐，延皓，陈倩，等.高精度增益可调伺服放大器设计[J].北京交通大学机械与电子控制工程学院，2004，27(8)：159-160

[16] Setiadi D, Weller H, Binnie T D. A pyroelectric polymer infrared sensor array with a charge amplifier read out [J]. Sensors & Actuators A Physical, 1999, 76(1):145–151

[17] 高强，石玉，何泽涛，等.基于前馈结构的宽带高线性低噪声放大器[J].电子元件与材料， 2013，32(6)：49-52

[18] Sartori A, Maloberti F, Simoni A.A 2D photosensor array with integrated charge amplifier[J]. Sensors & Actuators A Physical, 1995, 46:247–250

[19] Deng W. Simulation analysis of a quasi-static charge amplifier based on multisim[J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2009, (4):24-26

[20] Zhang J, Wei X L, Liu S X. Sensitive charge amplifier for MWPC in particle track system[J]. High Power Laser & Particle Beams, 2004, 16(5):677-680

致 谢

在毕业设计期间，我遇到了许多的难题，非常感谢帮助我解决问题的所有人。在此表示深深的谢意。

首先，我要由衷地感谢我的毕业设计指导老师程老师。他对我们的毕业设计非常关心非常在意，早在去年11月份就给我们开会，对我们的毕业设计进行指导工作，给我们发了许多资料、表格、论文模板等等。整个毕业设计期间对我们都严格要求，亲力亲为，日夜兼程帮我们批改论文。是我毕业设计期间给我最大帮助的人，在此我谨向程老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 

其次，我要感谢和我一起做毕业设计的同学和朋友们。他们在我的毕业设计制作期间给了我很大的帮助，在我迷茫、找不到思绪的时候给了我最大的支持。我们彼此团结有爱，相互鼓励，相互协作，相互启发。

最后，我对在百忙之中抽出宝贵时间来参加论文评阅的各位教师表示由衷的谢意，他们的指导修正了我论文中的错误，使我受益匪浅。

由于本人学识有限，文中必有不妥之处，敬请各位谅解。

高性能电荷放大器的设计与研究