張毅

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

為滿足跌落等高沖擊環(huán)境試驗中對瞬態(tài)加速度測試的需求，文中設(shè)計的嵌入式加速度存儲測試儀不但要求電路精簡、體積小、功耗低，耐強沖擊，干電池供電，還要求每片子卡實現(xiàn)雙通道加速度測量，通道量程達(dá)100 000 g，且量程設(shè)置可根據(jù)試驗條件通過軟件靈活設(shè)置已提高信噪比。在其外圍電路的設(shè)計中，壓電式傳感器具有成本低、靈敏度高、頻響寬和動態(tài)范圍大等優(yōu)點[1]，使用其作為傳感源，由于信號調(diào)理電路的設(shè)計直接影響到加速度時間歷程信號的可靠采集和存儲，本文主要針對這部分進(jìn)行了介紹，并通過ORCAD仿真分析軟件對調(diào)理電路進(jìn)行了參數(shù)配置和分析。

1 電路設(shè)計及芯片選型

系統(tǒng)信號調(diào)理的工作原理是壓電式加速度傳感器將沖擊信號轉(zhuǎn)化為電荷信號，電荷放大器將該信號轉(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)存入非易失性存儲器[2-3]，試驗完成后將數(shù)據(jù)回讀出來，其原理框圖如圖1所示。

圖1 原理框圖Fig.1 Operation principle frame

信號調(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，電路連線如圖2所示[4]。

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，因為壓電式傳感器的絕緣電阻在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[5－6]。

圖2 信號調(diào)理電路圖Fig.2 Conditioning circuit

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

增益下降3 dB時對應(yīng)的下限截止頻率為

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、低形變運算放大器，單電源供電電壓可低至2.4 V，僅需400 μA的靜態(tài)供電電流，且具有超低的變形（0.000 2%THD），同時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0.5 μA，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30 nf。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0.26 Hz。

1.2 增益放大器

為實現(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)C8051F340對可程控數(shù)字電位器的初始電阻值編程，實現(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最大僅400 μA電流，且不編程時最大待機電源電流僅1.5 μA（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。

通過存入鎖存寄存器中的10位數(shù)D，可選擇1 024個可能的滑動頭位置，對應(yīng)這1 024個值的是電位器從高W到低L的電阻值，D的計算公式如下：

當(dāng)設(shè)備進(jìn)行量程選擇時，將對應(yīng)不同檔位放大倍數(shù)的電阻值寫入寄存器，使芯片上電時滑動頭移動到相應(yīng)的位置，實現(xiàn)增益放大。

1.3 抗混疊濾波器

由于測試環(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測試電路中起著至關(guān)重要的作用。設(shè)計濾波器時，除考慮滿足濾波截止頻率的要求外，還要考慮滿足測試系統(tǒng)的不失真測試條件即幅頻特性應(yīng)當(dāng)是常數(shù)（即水平直線），相頻特性應(yīng)當(dāng)滿足線性關(guān)系。為此利用MAX4255設(shè)計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，采用了偶階網(wǎng)絡(luò)濾波技術(shù)以增強頻率衰減速率，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)計中被稱為品質(zhì)因數(shù)，當(dāng)Q=0.707時這時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 15 kΩ，則可推算出 C7、C8分別為1 000 pF和 510 pF。

2 電路仿真分析

近年來隨著計算機技術(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)計自動化技術(shù)得到了廣泛地應(yīng)用，成為了提高電路分析和設(shè)計技能的重要手段。為此通過OrCAD仿真軟件來檢驗電路原理設(shè)計可行性，同時配置出合理的電阻電容參數(shù)，從而設(shè)計出高質(zhì)量的電路板。OrCAD是一套功能強大的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）、模擬和混合信號仿真（PSpice10.5）和印制電路板設(shè)計（LayoutP l u s10.5），可以充分滿足我們的需要。仿真主要針對信號調(diào)理電路部分進(jìn)行，仿真連線圖如圖2所示。

2.1 放大仿真試驗

輸入信號為頻率1 kHz、幅值0.1 V的正弦信號V1，來模擬壓電傳感器產(chǎn)生的信號，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，通過仿真可以看出經(jīng)過增益放大后，增益放大信號V3比輸入信號V1放大了3倍，而且1 kHz的輸入信號經(jīng)過濾波后，濾波信號V4的幅值基本與增益放大信號V3的一致，說明對低頻率輸入信號濾波電路不起作用。

圖3 放大仿真結(jié)果Fig.3 Amplifier simulation result

2.2 濾波仿真試驗

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

圖4 濾波仿真結(jié)果Fig.4 Filter simulation result

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

3 結(jié)束語

文中針對加速度瞬態(tài)信號存儲測試系統(tǒng)前端的信號適調(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。文中還簡要介紹了信號調(diào)理電路設(shè)計中選用的芯片主要特點。通過仿真分析軟件ORCAD模擬傳感器輸入信號對電路放大和濾波效果進(jìn)行了檢驗，其仿真結(jié)果表明電路參數(shù)配置合理，設(shè)計方案可行，對同類設(shè)計有一定參考價值。

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