加速度信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)及仿真
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1．1 電荷放大器
由于壓電式傳感器的輸出信號為微弱的電壓信號或電荷信號，若要對它進(jìn)行后續(xù)處理則必須將電壓信號放大或把電荷信號變成電壓信號再進(jìn)行適調(diào)放大，這就需要電壓放大器或電荷放大器這兩種形式的高輸入阻抗儀器與之配套，且必須要保證放大器本身的輸入阻抗足夠高，一般最低也要在1011Ω以上，因?yàn)閴弘娛絺鞲衅鞯慕^緣電阻在1010Ω以上，前置放大器輸入電阻的減小將加劇由于漏電造成的電壓或電荷的損失，從而可能導(dǎo)致大的測量誤差。由于電壓放大器的靈敏度隨連接電纜的分布電容、傳感器自身電容而變化，因此更多的采用電荷放大器。
理想條件下，工作頻率足夠高，放大器增益A足夠大，電荷放大器輸出V2為
其中，Q是電荷量，k是傳感器靈敏度，g為傳感器量程。
在設(shè)計(jì)中選用了中國兵器工業(yè)第204所研制的988型壓電加速度傳感器，其量程為100 000 g，頻率響應(yīng)25 kHz，傳感器靈敏度系數(shù)大約為0．5 pc／g。放大器選擇貼片式MAX4249，它是雙運(yùn)放可將電荷放大器和增益放大器集中在一起。MAX4249是低噪聲、低形變運(yùn)算放大器，單電源供電電壓可低至2．4V，僅需400μA的靜態(tài)供電電流，且具有超低的變形(0．0002％THD)，同時(shí)具有極低的輸入電壓噪聲密度和極低的輸入電流噪聲密度，具有省電模式，此模式下電源供電電流降至0．5μA，這些特性使它成為要求低變形低噪聲的電池供電的儀器的理想選擇。
為降低系統(tǒng)功耗，芯片工作電源選3．3 V，通過信號調(diào)理電路后需要將電壓信號調(diào)理成0～3．3 V的信號再輸入給A／D轉(zhuǎn)換器，所以在放大器正端加上+1．65 V電平，將電荷放大器輸出的±1．66 V信號V2調(diào)理成近0～3．3 V的電壓信號。由式(1)可推算出C1應(yīng)設(shè)為30nf。由于系統(tǒng)要求電路體積小，所以全部使用貼片器件，為此選20 MΩ貼片電阻R3，從而通過式(2)估算出電荷放大器的下限截止頻率為0．26Hz。
1．2 增益放大器
為實(shí)現(xiàn)通道量程的程控設(shè)置，系統(tǒng)增益放大部分將分母R4電阻固定為5 kΩ，分子R7電阻值由數(shù)字電位器提供，通過SOC片上系統(tǒng)C8051F 340對可程控?cái)?shù)字電位器的初始電阻值編程，實(shí)現(xiàn)軟件靈活控制放大倍數(shù)。
數(shù)字電位器選擇MAX5497雙組非易失性可編程線性可變電阻，雙通道采集可共用一個(gè)數(shù)字電位器，減小了電路體積。其具有10位分辨率，可調(diào)電阻50 kΩ，所以信號調(diào)理電路放大倍數(shù)可達(dá)10倍；具有上電復(fù)位電路，當(dāng)上電后可從非易失性電擦寫可編程只讀EEPROM存儲器，恢復(fù)滑動端位置，50年滑動端位置保存時(shí)間；其SPI兼容串行接口，允許速度可達(dá)7 MHz的數(shù)據(jù)通訊；35 ppm／℃的端到端電阻溫度系數(shù)，溫度工作范圍為-40～+85℃；可用+2．7～+5．25 V單電源供電或±2．5 V雙電源供電，當(dāng)將數(shù)據(jù)寫入非易失性存儲器時(shí)最大僅400μA電流，且不編程時(shí)最大待機(jī)電源電流僅1．5μA(典型)。其是低漂移可編程增益放大器這類要求低溫度系數(shù)的儀器的理想選擇。
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