壓電信號(hào)采集中放大電路前置級(jí)的設(shè)計(jì)

摘要：壓電傳感器輸出的壓電信號(hào)較弱，輸出阻抗高且疊加有共模干擾；現(xiàn)有的幾種利用儀用放大器的壓電信號(hào)前置放大電路解決方案有一些不足。在理論分析的基礎(chǔ)上，時(shí)壓電信號(hào)前置放大電路做了重要改進(jìn)，提出了具有共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路的壓電信號(hào)放大電路前置級(jí)方案。實(shí)驗(yàn)顯示，該方案能有效抑制共模干擾、提高電路的信噪比。
關(guān)鍵詞：超聲；壓電信號(hào)；儀用放大器；共模干擾

0 引言
壓電式傳感器利用材料的壓電效應(yīng)，將被測(cè)力、加速度、超聲等物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行輸出。壓電式傳感器的輸出阻抗很高，輸出信號(hào)較弱、又常常疊加著強(qiáng)的50 Hz共模干擾，因此，它的采集系統(tǒng)放大調(diào)理電路需要一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，特別是該前置放大器還需要一個(gè)很高的共模抑制比。
基于儀用放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)壓電信號(hào)的前置放大電路是一類常見(jiàn)的方法。因?yàn)閮x用放大器本身具有很高的共模抑制比(通常在100 dB以上)和極高的輸入阻抗(通常在109Ω以上)，低的線性誤差和充裕的帶寬。本文將對(duì)現(xiàn)有的常見(jiàn)的基于儀用放大器的壓電信號(hào)前置放大電路具體做法進(jìn)行分析，提出改進(jìn)方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 現(xiàn)有基于儀用放大器前置電路的分析
常用的壓電傳感器一般為浮地信號(hào)源，采用儀用放大器來(lái)測(cè)量浮地壓電信號(hào)源，一般容易想到的接法有3種，如圖1所示：(a)為直接將信號(hào)源連至儀放兩同相端作為差分輸入；(b)為信號(hào)源一端接至儀放的參考地；(c)為通過(guò)2個(gè)等值電阻引出信號(hào)源的共模信號(hào)，并聯(lián)至儀放的參考地。

對(duì)圖1(a)所示接法，可以想象，存在這樣的問(wèn)題。當(dāng)壓電信號(hào)源相對(duì)于儀放參考地的共模信號(hào)很大時(shí)，將導(dǎo)致前置放大電路飽和或截止，不能正常工作。而實(shí)際中，特別是有強(qiáng)電磁場(chǎng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，共模電壓信號(hào)可能達(dá)到二、三十伏甚至更高。因此，這種接法是不可行、不實(shí)用的。
對(duì)圖1(b)所示接法，壓電信號(hào)源的負(fù)端和儀放參考地連在了一起。與圖1(a)相比，這種接法，壓電信號(hào)源不再浮地，輸入信號(hào)相對(duì)于儀放參考地的共模成分被始終箝制為輸入電壓的1／2，得到了一定的控制；但是，共模成分還是存在的，還有使儀放易于飽和、有效輸入范圍被減小的弊病。另外，這種接法對(duì)儀放而言是一種不平衡的接法，壓電信號(hào)源高輸出阻抗意味著這種不平衡將帶來(lái)一些問(wèn)題，如造成外界對(duì)正負(fù)端的共模干擾轉(zhuǎn)化為差模輸入，進(jìn)而使儀用放大器的抗干擾能力下降。
對(duì)圖1(c)所示接法，從2個(gè)同阻值的電阻中間引出導(dǎo)線連接到儀放參考地。兩個(gè)同阻值電阻中間引出的信號(hào)電位為VR=(Vi1+Vi2)／2，剛好是輸入信號(hào)的共模成分。因此，這種接法將輸入共模成分牽制在了參考地，即：如果不考慮電路動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程的話，這種接法的共模輸入成分始終為0。這也是一種輸入平衡的接法。這種接法的不足是：輸入阻抗較前兩種減?。惶貏e是，未考慮共模成分抑制的動(dòng)態(tài)過(guò)程。實(shí)際中，由于高的電路阻抗等原因，這種接法對(duì)外來(lái)的共模干擾的抑制衰減可能要花一些時(shí)間，因此，其抑制共模能力還應(yīng)想辦法進(jìn)一步提高。