測壓系統(tǒng)信號的設(shè)計(jì)與仿真
引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/193184.htm20世紀(jì)80年代初期,隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,國外報(bào)道了利用存儲(chǔ)器芯片作為信息載體的數(shù)字存儲(chǔ)測試儀。20世紀(jì)90年代,傳感器與微型電子記錄儀組為一體的存儲(chǔ)測試產(chǎn)品在國際上出現(xiàn)。存儲(chǔ)測試技術(shù)是從七十年代開始的一種新的彈上參數(shù)的測試方法,它是在不影響被測對象或影響在允許范圍的條件下,在被測體內(nèi)置入微型數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)測試儀,現(xiàn)場實(shí)時(shí)完成信息的快速采集與記憶,事后回收記錄儀,由計(jì)算機(jī)處理和再現(xiàn)測試信息的一種動(dòng)態(tài)測試技術(shù)。電子測壓器就是存儲(chǔ)測試技術(shù)的典型產(chǎn)品,它用于膛內(nèi)壓力內(nèi)實(shí)測膛壓參數(shù),該動(dòng)態(tài)壓力參數(shù)是評定火炮、火藥裝藥、彈丸和引信等的彈道性能好壞的重要依據(jù)。
信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)
信號調(diào)理電路在測壓系統(tǒng)中的作用
信號調(diào)理的目的是便于信號的傳輸與處理,其作用可以歸納為以下三點(diǎn):
a)傳感器輸出的電荷信號要轉(zhuǎn)化成后續(xù)電路可以處理的電信號。
b)傳感器輸出的電信號很微弱,大多數(shù)不能直接輸送到記錄儀器中去,需要前置放大器對電信號進(jìn)行放大。
c)電信號中混雜有干擾噪音,在檢測電路中需要設(shè)置濾波電路,目的是去除混雜在有用信號中的各種干擾,通過消除噪音來提高信噪比,對零位誤差和增益誤差進(jìn)行補(bǔ)償和修正。
調(diào)平衡電路
由于電橋電阻的初始電阻值不完全相同,再加上連接導(dǎo)線電阻的串入,在未感受應(yīng)變時(shí),電橋存在初始不平衡,如果太嚴(yán)重將占據(jù)儀器的動(dòng)態(tài)范圍,影響儀器的正常工作。儀表放大器除了對微弱的信號進(jìn)行線性放大,還擔(dān)負(fù)著匹配和抗共模干擾的任務(wù),因此,要求儀表放大器具有高共模抑制比、高速度、寬頻帶、高精度、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪音。
自動(dòng)調(diào)平電路由X9C103、全橋電路以及附加適當(dāng)?shù)拈T電路組成。
本文設(shè)計(jì)的應(yīng)變測量電橋由工作電阻應(yīng)變片、溫度補(bǔ)償電阻應(yīng)變片和兩個(gè)與所選電阻應(yīng)變片阻值相等的精密電阻組成。但由于這四個(gè)電阻的初始電阻值不完全相同,再加應(yīng)變片與測量電路之間需要用導(dǎo)線連接,由于導(dǎo)線本身存在一定的電阻,而且它和電阻應(yīng)變片串聯(lián)在測量電路的橋臂上,所以導(dǎo)線的電阻也是橋臂電阻的一部分,但它本身不參加變形。在未感受應(yīng)變時(shí),使電橋存在初始的不平衡。如果此初始不平衡太嚴(yán)重,測量結(jié)果將存在一定的誤差。為了提高測量精度,有必要對初始電阻及導(dǎo)線引起的誤差進(jìn)行修正。
電阻平衡調(diào)節(jié)電路如圖2所示。
如圖1所示,平衡電路由固定電阻Rb和電位器Ra組成。其中心抽頭將Ra分成xRa和(1-x)Ra兩部分。如圖2所示,x可從0變化到1,當(dāng)x=0時(shí)電位器的抽頭連接到C點(diǎn),使得Rb和R2 并聯(lián)。當(dāng)x=1時(shí)電位器的抽頭連接到A點(diǎn),使得Rb和R1 并聯(lián)。
圖1 電橋調(diào)平電路
儀表放大電路
在大多數(shù)儀器和測量裝置中,電橋的輸出端接到放大器的輸入端,因現(xiàn)代集成放大器的輸入阻抗往往在10MΩ以上。在這種接法中,電橋的輸出電流小到可以忽略不計(jì),可以認(rèn)為電橋的輸出對角是開路的。
本文設(shè)計(jì)的應(yīng)變測量放大電路,選用美國TI公司的INA128,它是一種低電壓通用型儀表放大器。由于特性優(yōu)良,加之體積小,并可用一個(gè)外部電阻方便地從1到10000設(shè)定增益,使得INA128能夠廣泛應(yīng)用于信號采集放大、醫(yī)用儀器及多通道系統(tǒng)等很多領(lǐng)域,可以在低至±2.25V的電源電壓下工作并且靜態(tài)工作電流很小,是便攜式和其它用電池供電系統(tǒng)的理想器件。
圖2 電橋調(diào)平原理圖
圖3 典型的儀表放大器原理圖
圖4 INA128外部引腳圖
放大器由兩級串聯(lián),前級是兩個(gè)同項(xiàng)放大器,為對稱結(jié)構(gòu),輸入信號加在A1、A2的同項(xiàng)輸入端,從而具有高抑制共模干擾的能力和高輸入阻抗。后級是差動(dòng)放大器,它不僅切斷共模干擾的傳輸,還將雙端輸入方式變換成單端輸出的方式,適應(yīng)對地負(fù)載的需要。
INA128采用激光刻蝕,有低閥值電壓(50μV/℃)和高常規(guī)模式下的衰減,及較低供電電壓,可低至供電靜態(tài)電流僅有700A,所以,電池供電很理想。內(nèi)部輸入保護(hù)可在40V內(nèi)而不受損壞。
INA128的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
圖5 INA128的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖增益設(shè)定
INA128的基本連接中用一個(gè)獨(dú)立的外部電阻RG可以獲得的放大倍數(shù)為:G=1+50kΩ/RG。
式中50kΩ為INA128內(nèi)部的兩個(gè)放大器反饋電阻之和,它們都經(jīng)過激光校正,具有很高的精度和很小的溫度系數(shù),手冊給定的器件性能已經(jīng)包括了它們的影響。外接電阻的精度及溫度穩(wěn)定性直接影響增益,特別是增益較大時(shí)(G≥100),連線及插口的電阻也會(huì)對增益帶來附加誤差。也就是說,式中的RG值應(yīng)為外接電阻與連線等雜散電阻的總和。
噪聲干擾
INA128的內(nèi)部噪聲很小,當(dāng)G≥100時(shí),0.1Hz到10Hz的低頻噪聲輸出的電壓信號大約只有0.2μVp-p,這比目前最新的低噪聲斬波放大器還要小很多。為減小外部干擾和電源噪聲的影響,應(yīng)在緊靠電源引腳的地方接去耦電容器。
失調(diào)補(bǔ)償
INA128經(jīng)過激光校正,因此,失調(diào)和溫漂都很小,多數(shù)情況下無需調(diào)整,必要時(shí)可對電路進(jìn)行外部補(bǔ)償。加電壓跟隨器將調(diào)零電路與儀表放大器加以隔離,維持引腳Ref的低阻抗,保證了放大器良好的共模抑制比。
共模輸入信號范圍
若輸入信號中的共模電壓過大時(shí),會(huì)使輸入放大器飽和。在臨界飽和時(shí),VO的輸出電壓為VO=VCM-VO/2。INA128的線性輸入范圍大約從電源-1.7V到+1.4V。對于確定的電源電壓,輸出電壓Vo越大,允許的共模信號越小。
低電壓運(yùn)行
INA128的最大特點(diǎn)是適用的電源電壓范圍很寬。電源電壓從±2.25V到±18V變化時(shí),大部分參數(shù)仍能維持很好的性能,其具體電路如圖6所示。
圖6 放大電路原理圖
濾波電路設(shè)計(jì)
壓力傳感器的信號經(jīng)過調(diào)平衡電路和儀表放大器之后為了達(dá)到比較理想的測量效果,往往還需要對信號進(jìn)行濾波,去除信號中疊加的噪聲干擾。本文計(jì)劃采用二階壓控低通濾波器,實(shí)現(xiàn)對壓力傳感器信號的濾波。測量系統(tǒng)從傳感器拾取的信號中,往往包含噪聲和許多與被測量無關(guān)的信號,并且原始的測量信號經(jīng)傳輸、放大、交換、運(yùn)算及各種其他處理過程,也會(huì)混入各種不同的噪聲,從而影響測量的精度。這些噪聲一般隨機(jī)性很強(qiáng),很難分布于頻率域中某一特定的頻帶中。信號分離電路一般利用濾波器從頻率域中實(shí)現(xiàn)對噪聲的抑制,提取所需的測量信號,是各種測量系統(tǒng)中必可少的組成部分。在實(shí)際的測試系統(tǒng)中,如果要求我們放大的是微弱的小信號,在放大的同時(shí)一些干擾信號也隨之放大,嚴(yán)重的影響了我們的測試質(zhì)量,因此,需要對原始信號進(jìn)行預(yù)處理。前置濾波電路(抗混疊濾波器)是我們削弱噪聲一種常用手段。濾波器的主要功能是讓指定頻段信號能較順利地通過,而對其它頻段信號起到衰減作用。在高沖擊場的測試中,前期需要抑制的主要是高頻信號,以避免在一定的采樣頻率下造成信號頻譜的混疊。需要設(shè)計(jì)低通濾波器來進(jìn)行預(yù)處理。低通濾波器的作用是使高頻信號盡可能的衰減,而使有用的低頻信號順利通過。
濾波器的類型
按照所處理信號形式的不同,濾波器可分為模擬與數(shù)字兩大類。二者在功能特性方面,有許多相似之處,在結(jié)構(gòu)組成方面有又有很大的區(qū)別。前者處理對象為連續(xù)的模擬信號,而后者則為離散的數(shù)字信號。
濾波器對不同的頻率的信號有三種不同的選擇作用:
(1) 在通頻帶內(nèi)信號受到很小的衰減而通過。
(2) 在阻帶內(nèi)使信號受到很大的衰減而抑制。
(3) 在通帶和阻帶之間的一段過渡帶受到不同程度的衰減。
濾波器對不同頻率帶在全頻帶中分布的位置不同,可實(shí)現(xiàn)對不同頻率信號的選擇作用。根據(jù)所選擇的頻率濾波器四種類型即:高通、低通、帶通、帶阻。此外還有一種全通濾波器,各種信號都內(nèi)能夠通過,但相位有不通的變化,他實(shí)際是一種移相器。根據(jù)電路的組成又可以分為LC無源濾波器、RC無源濾波器、LC有源濾波器和RC有源濾波器。根據(jù)傳遞函數(shù)則可分為一階濾波器,二階濾波器和高階濾波器。
電源電路介紹與信號調(diào)理電路的仿真
任何電子設(shè)備都離不開電源,為了使壓力傳感器中的惠斯通電橋能夠正常工作,我們需要提供比較準(zhǔn)確的電源,并且其紋波電壓一定要非常小。
電源電路的作用
電源控制技術(shù)是放入式電子測試儀器實(shí)現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵技術(shù)。簡言之,即電路在需要工作時(shí)給其供電,在不需工作時(shí)斷電,減小電路無效操作時(shí)功耗的比例。此時(shí)系統(tǒng)有多種電源供電,采用單電池電源實(shí)現(xiàn)多分支電源網(wǎng)絡(luò)管理,使得系統(tǒng)各功能模塊的電源相對獨(dú)立供電,在不工作時(shí)可以分別斷電,以節(jié)省功耗,但此時(shí)需要注意帶電部分和不帶電部分的兼容問題。
電源芯片的選擇
目前比較常用的電源芯片有7325、7333、7350、AD587等,這些電源芯片分別能夠輸出穩(wěn)定的2.5V、3.3V、5V、10V電壓,通過旁路電容的設(shè)計(jì),其紋波電壓較小,比較適合用來做電源控制電路。
電橋采用恒壓電源供電時(shí)必須保證供電電壓在采樣頻率,負(fù)載等諸多外部環(huán)境改變的情況下保持高度穩(wěn)定,在實(shí)際應(yīng)用中不使用專門的穩(wěn)壓電源很難做到這一點(diǎn),因此,本設(shè)計(jì)中采用LP2987作為專門的電源。
信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)及仿真
仿真的過程可分為以下幾個(gè)步驟:
1.數(shù)據(jù)輸入:將用戶創(chuàng)建的電路圖結(jié)構(gòu)、元件數(shù)據(jù)讀入,選擇分析方法;
2.參數(shù)設(shè)置:程序會(huì)檢查輸入數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),以及電路中闡述的內(nèi)容對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
3.電路分析:對輸入信號進(jìn)行分析,它是電路仿真的關(guān)鍵。它將形成電路的數(shù)值解,并將所得數(shù)據(jù)送到輸出極。
4.數(shù)據(jù)輸出:從測試儀器如示波器等上點(diǎn)獲得仿真運(yùn)行結(jié)果。并進(jìn)行分析。
圖7 濾波電路原理圖
圖9 電橋供電電源
圖10 仿真電路圖
由于在仿真庫中無法找到INA128芯片,所以,根據(jù)該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可采取應(yīng)用具體芯片連接的方法進(jìn)行放大部分的仿真。放大器由兩級串聯(lián),前級是兩個(gè)同項(xiàng)放大器,為對稱結(jié)構(gòu),輸入信號加在A1、A2的同項(xiàng)輸入端,從而具有高擬制共模干擾的能力和高輸入阻抗。后級是差動(dòng)放大器,它不僅切斷共模干擾的傳輸,還將雙端輸入方式變換成單端輸出的方式,適應(yīng)對地負(fù)載的需要.其輸入基準(zhǔn)電壓值根據(jù)設(shè)計(jì)的需要值為125V。
(1)具體波形從濾波器可以看出輸入波形的幅度為20mV,偏置電壓值為0.25V,而輸出波形的幅度則為2.4V,約為輸入波形的幅度的100倍,與設(shè)計(jì)要求基本相一致。如圖11所示輸出波形為A通道,量程為2V/格。輸入波形為B通道,量程為2mV/格。
(2)從圖中我們可以看出:
a 幅頻特性:
如圖12,在截止頻率158.7KHz處,幅頻特性為3.024dB,在平直段則為6.032dB。3.024-6.032≈-3dB。
b 相頻特性 :
由公式得抗混疊濾波器的截止頻率。仿真結(jié)果(圖13)中,相位在-90.17°處,頻率為159.4KHZ,與理論值160KHz近似相等。
圖11 輸入輸出波形圖
圖13 相頻特性圖
總結(jié)
本文在分析國內(nèi)外壓力測試系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,針對電阻應(yīng)變式測壓傳感器設(shè)計(jì)了電橋的調(diào)平電路、信號放大電路、濾波電路以及電源電路。壓力傳感器輸出信號非常微弱,難于測量和分析,測試結(jié)果誤差較大,設(shè)計(jì)壓力傳感器的信號調(diào)節(jié)電路和恒壓電源電路得到穩(wěn)定、放大、不失真的輸出信號有理論價(jià)值和實(shí)際意義。采用由X9C103、全橋電路以及附加適當(dāng)?shù)拈T電路組成自動(dòng)調(diào)平電路;采用儀表放大器INA128為核心構(gòu)成放大電路;采用放大器OPA340構(gòu)成二階低通濾波器;采用專用電源芯片構(gòu)成恒壓電源電路。使用Protel專用電路設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)了電路設(shè)計(jì),使用EWB電路仿真軟件完成信號調(diào)理電路的仿真。仿真結(jié)果表明,放大電路實(shí)現(xiàn)了信號100倍的放大,低通濾波電路截止頻率為159Hz,與理論值相同,從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。將各模塊進(jìn)行綜合,實(shí)現(xiàn)對壓力傳感器的調(diào)平、濾波和電源控制,并且繪制原理圖,對該電路進(jìn)行仿真。
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