加速度信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及仿真

摘要：基于高沖擊環(huán)境試驗(yàn)中對(duì)瞬態(tài)加速度信號(hào)的高精度測(cè)試需求，采用存儲(chǔ)測(cè)試的方法設(shè)計(jì)了加速度存儲(chǔ)測(cè)試儀。由于壓電式傳感器具有靈敏度高、量程大、較高固有頻率、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，所以使用其作為傳感元件，設(shè)計(jì)了電荷放大電路、增益可調(diào)節(jié)的前置放大電路及濾波電路。較為詳細(xì)地介紹了信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)及電阻電容的參數(shù)計(jì)算公式。通過(guò)仿真分析軟件ORCAD，對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行了合理配置。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)的信號(hào)幅度控制合理，濾波效果明顯，電路設(shè)計(jì)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：存儲(chǔ)測(cè)試儀；加速度瞬態(tài)信號(hào)；信號(hào)調(diào)理電路；仿真分析；ORCAD

    為滿(mǎn)足跌落等高沖擊環(huán)境試驗(yàn)中對(duì)瞬態(tài)加速度測(cè)試的需求，文中設(shè)計(jì)的嵌入式加速度存儲(chǔ)測(cè)試儀不但要求電路精簡(jiǎn)、體積小、功耗低，耐強(qiáng)沖擊，干電池供電，還要求每片子卡實(shí)現(xiàn)雙通道加速度測(cè)量，通道量程達(dá)100 000 g，且量程設(shè)置可根據(jù)試驗(yàn)條件通過(guò)軟件靈活設(shè)置已提高信噪比。在其外圍電路的設(shè)計(jì)中，壓電式傳感器具有成本低、靈敏度高、頻響寬和動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，使用其作為傳感源，由于信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)直接影響到加速度時(shí)間歷程信號(hào)的可靠采集和存儲(chǔ)，本文主要針對(duì)這部分進(jìn)行了介紹，并通過(guò)ORCAD仿真分析軟件對(duì)調(diào)理電路進(jìn)行了參數(shù)配置和分析。

1 電路設(shè)計(jì)及芯片選型
    系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理的工作原理是壓電式加速度傳感器將沖擊信號(hào)轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)，電荷放大器將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓量，經(jīng)增益控制、濾波電路調(diào)理后，輸出至A／D轉(zhuǎn)換器。由A／D轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入非易失性存儲(chǔ)器，試驗(yàn)完成后將數(shù)據(jù)回讀出來(lái)，其原理框圖如圖1所示。

    信號(hào)調(diào)理電路部分主要由電荷放大器、增益放大器、濾波幾部分組成，電路連線(xiàn)如圖2所示。

1．1 電荷放大器
    由于壓電式傳感器的輸出信號(hào)為微弱的電壓信號(hào)或電荷信號(hào)，若要對(duì)它進(jìn)行后續(xù)處理則必須將電壓信號(hào)放大或把電荷信號(hào)變成電壓信號(hào)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(cè)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(guó)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(guò)信號(hào)調(diào)理電路后需要將電壓信號(hào)調(diào)理成0～3．3 V的信號(hào)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(hào)V2調(diào)理成近0～3．3 V的電壓信號(hào)。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(guò)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(guò)SOC片上系統(tǒng)C8051F 340對(duì)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(xiàn)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(hào)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(xiě)可編程只讀EEPROM存儲(chǔ)器，恢復(fù)滑動(dòng)端位置，50年滑動(dòng)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(xiě)入非易失性存儲(chǔ)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(lèi)要求低溫度系數(shù)的儀器的理想選擇。
    通過(guò)存入鎖存寄存器中的10位數(shù)D，可選擇1 024個(gè)可能的滑動(dòng)頭位置，對(duì)應(yīng)這1 024個(gè)值的是電位器從高W到低L的電阻值，D的計(jì)算公式如下：
   
    當(dāng)設(shè)備進(jìn)行量程選擇時(shí)，將對(duì)應(yīng)不同檔位放大倍數(shù)的電阻值寫(xiě)入寄存器，使芯片上電時(shí)滑動(dòng)頭移動(dòng)到相應(yīng)的位置，實(shí)現(xiàn)增益放大。
1．3 抗混疊濾波器
    由于測(cè)試環(huán)境中不可避免地存在著各種干擾和噪聲，所以模擬濾波器在存儲(chǔ)測(cè)試電路中起著至關(guān)重要的作用。設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，除考慮滿(mǎn)足濾波截止頻率的要求外，還要考慮滿(mǎn)足測(cè)試系統(tǒng)的不失真測(cè)試條件即幅頻特性應(yīng)當(dāng)是常數(shù)(即水平直線(xiàn))，相頻特性應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系。為此利用MAX4255設(shè)計(jì)了巴特沃思濾波電路，利用其通帶內(nèi)極大平坦特性，確保了模塊的幅頻特性，由于巴特沃思濾波存在頻率響應(yīng)銳截止較為鈍性的缺點(diǎn)，采用了偶階網(wǎng)絡(luò)濾波技術(shù)以增強(qiáng)頻率衰減速率，并進(jìn)一步減小紋波參數(shù)，確保了模塊的良好線(xiàn)性度。
    圖2中C7和C8的參數(shù)與低通截止頻率有關(guān)
   
    Q在濾波器設(shè)計(jì)中被稱(chēng)為品質(zhì)因數(shù)，當(dāng)Q=0．707時(shí)這時(shí)的濾波器具有最平直的幅頻特性。將系統(tǒng)濾波截止頻率設(shè)為30 kHz，式中R=R10= R11為15kΩ，則可推算出C7、C8分別為1000pf和510pf。

2 電路仿真分析
    近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，電子產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)得到了廣泛地應(yīng)用，成為了提高電路分析和設(shè)計(jì)技能的重要手段。為此通過(guò)OrCAD仿真軟件來(lái)檢驗(yàn)電路原理設(shè)計(jì)可行性，同時(shí)配置出合理的電阻電容參數(shù)，從而設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的電路板。OrCAD是一套功能強(qiáng)大的EDA軟件系統(tǒng)，它主要包括3大部分：即內(nèi)置元器件信息系統(tǒng)的原理圖輸入器(Capture CIS10．5)、模擬和混合信號(hào)仿真(PSpice10．5)和印制電路板設(shè)計(jì)(LayoutPlus10．5)，可以充分滿(mǎn)足我們的需要。仿真主要針對(duì)信號(hào)調(diào)理電路部分進(jìn)行，仿真連線(xiàn)圖如圖2所示。
2．1 放大仿真試驗(yàn)
    輸人信號(hào)為頻率1 kHz、幅值0．1 V的正弦信號(hào)V1，來(lái)模擬壓電傳感器產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)電荷放大器輸出V2、增益放大器輸出V3、濾波輸出V4后，仿真結(jié)果如圖3所示。其中增益放大倍數(shù)設(shè)為3倍，即R7為15 kΩ，通過(guò)仿真可以看出經(jīng)過(guò)增益放大后，增益放大信號(hào)V3比輸入信號(hào)V1放大了3倍，而且1 kHz的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后，濾波信號(hào)V4的幅值基本與增益放大信號(hào)V3的一致，說(shuō)明對(duì)低頻率輸入信號(hào)濾波電路不起作用。

2．2 濾波仿真試驗(yàn)
    將輸入信號(hào)V1改為頻率50 kHz、幅值1 V的正弦信號(hào)，增益放大倍數(shù)設(shè)為1倍，濾波后結(jié)果如圖4所示。

    從濾波信號(hào)V4可以明顯看出濾波后信號(hào)幅值大大降低，從而驗(yàn)證電路參數(shù)設(shè)置合理，濾波電路對(duì)高頻信號(hào)的濾波效果明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)
    文中針對(duì)加速度瞬態(tài)信號(hào)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)前端的信號(hào)適調(diào)電路進(jìn)行了較為詳細(xì)地介紹，給出電路參數(shù)計(jì)算公式，并結(jié)合元器件性能指標(biāo)推導(dǎo)出電阻、電容參數(shù)配置結(jié)果。文中還簡(jiǎn)要介紹了信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)中選用的芯片主要特點(diǎn)。通過(guò)仿真分析軟件ORCAD模擬傳感器輸入信號(hào)對(duì)電路放大和濾波效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，其仿真結(jié)果表明電路參數(shù)配置合理，設(shè)計(jì)方案可行，對(duì)同類(lèi)設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。