压电信号采集中放大电路前置级的设计

摘要：压电传感器输出的压电信号较弱，输出阻抗高且叠加有共模干扰；现有的几种利用仪用放大器的压电信号前置放大电路解决方案有一些不足。在理论分析的基础上，时压电信号前置放大电路做了重要改进，提出了具有共模电压并联负反馈电路的压电信号放大电路前置级方案。实验显示，该方案能有效抑制共模干扰、提高电路的信噪比。
关键词：超声；压电信号；仪用放大器；共模干扰

0 引言
    压电式传感器利用材料的压电效应，将被测力、加速度、超声等物理量转换为电信号进行输出。压电式传感器的输出阻抗很高，输出信号较弱、又常常叠加着强的50 Hz共模干扰，因此，它的采集系统放大调理电路需要一个高输入阻抗的前置放大器，特别是该前置放大器还需要一个很高的共模抑制比。
    基于仪用放大器来实现压电信号的前置放大电路是一类常见的方法。因为仪用放大器本身具有很高的共模抑制比(通常在100 dB以上)和极高的输入阻抗(通常在109Ω以上)，低的线性误差和充裕的带宽。本文将对现有的常见的基于仪用放大器的压电信号前置放大电路具体做法进行分析，提出改进方案，并进行实验验证。

1 现有基于仪用放大器前置电路的分析
    常用的压电传感器一般为浮地信号源，采用仪用放大器来测量浮地压电信号源，一般容易想到的接法有3种，如图1所示：(a)为直接将信号源连至仪放两同相端作为差分输入；(b)为信号源一端接至仪放的参考地；(c)为通过2个等值电阻引出信号源的共模信号，并联至仪放的参考地。

    对图1(a)所示接法，可以想象，存在这样的问题。当压电信号源相对于仪放参考地的共模信号很大时，将导致前置放大电路饱和或截止，不能正常工作。而实际中，特别是有强电磁场的工业现场环境，共模电压信号可能达到二、三十伏甚至更高。因此，这种接法是不可行、不实用的。
    对图1(b)所示接法，压电信号源的负端和仪放参考地连在了一起。与图1(a)相比，这种接法，压电信号源不再浮地，输入信号相对于仪放参考地的共模成分被始终箝制为输入电压的1／2，得到了一定的控制；但是，共模成分还是存在的，还有使仪放易于饱和、有效输入范围被减小的弊病。另外，这种接法对仪放而言是一种不平衡的接法，压电信号源高输出阻抗意味着这种不平衡将带来一些问题，如造成外界对正负端的共模干扰转化为差模输入，进而使仪用放大器的抗干扰能力下降。
    对图1(c)所示接法，从2个同阻值的电阻中间引出导线连接到仪放参考地。两个同阻值电阻中间引出的信号电位为VR=(Vi1+Vi2)／2，刚好是输入信号的共模成分。因此，这种接法将输入共模成分牵制在了参考地，即：如果不考虑电路动态过渡过程的话，这种接法的共模输入成分始终为0。这也是一种输入平衡的接法。这种接法的不足是：输入阻抗较前两种减小；特别是，未考虑共模成分抑制的动态过程。实际中，由于高的电路阻抗等原因，这种接法对外来的共模干扰的抑制衰减可能要花一些时间，因此，其抑制共模能力还应想办法进一步提高。

2 前置放大电路的改进
    提出的前置放大电路的改进方案如图2所示。从仪用放大器两等值外接电阻RG的中间引出一路信号，其值为(VI1+VI2)／2，刚好是输入压电信号源的共模成分；首先让其通过普通运放A4组成的电压跟随器，电压关系如式(1)，其作用是与仪用放大器隔离，起保护作用；然后，对其进行反相放大，通过运放A5组成反相积分电路来实现，输入输出关系见式(2)；最后，将反相放大的共模信号，通过一个限流保护电阻R12加到共模点VR。

    以上电路改进的本质是：实现了输入信号共模成分的电压并联负反馈。与图1(c)方案相比，由于采用了负反馈，从而会起到更快速地衰减共模干扰的作用。图1中3种接法信号经过仪放中A1和A2后，若共模信号的放大倍数是1；采用图2的负反馈电路后，共模信号经过仪放中A1和A2后放大倍数为1／(1+|F|)，F为负反馈放大倍数，F越大，则共模抑制能力越强。
    需要注意的是，本方案抑制的是共模干扰，如果由于电路电缆不对称等因素造成共模信号转化为差模信号，则本方案也无能为力。因此，在电路实现时要考虑电路的对称性问题，尽量使电路对称，选择高精度的电阻和高质量的运放。
   

3 实验及结果
    本实验采用常见的振动压电传感器，传感器通过双芯屏蔽电缆和仪用放大器相连。仪用放大器采用INA114，其是一款通用高精度仪用放大器，在增益为1 000时，其共模抑制比高达115 dB，输入阻抗高达1010Ω。普通运算放大器A4、A5使用TL081，其是一款低噪声低温漂且使用较为广泛的运放。RG选取千分之一精度的阻值为2．2 kΩ的电阻。可计算出仪放增益为G=12．36。另外，R11=10 kΩ，R12=200 kΩ，C11=1 nF，R=200 kΩ。
    当压电传感器和仪用放大器的差分输入端直接相连，即采用图1(a)接法时，自然随机激励下的电路前置级放大结果如图3(a)所示。发现前置放大后信号的50 Hz干扰较大，周期性明显，幅值较大，峰峰值在30 V左右，甚至出现削波现象。

    当采用图1中(b)图连接方式，自然随机激励下的电路放大结果如图3(b)所示，共模信号较图3(a)中有所减小，峰峰值为21．2 V，50 Hz的基础上还夹杂噪声，这是输入回路不平衡造成的。
    图4中(a)，(b)图分别为使用图1(c)所示接法和图2所示改进接法的两种放大电路在相同的自然随机激励下的电路放大结果。从图中的时域、频域分析看出来，图4(a)中的干扰具有明显的周期性，幅值在200 mV左右；改进后的电路共模抑制能力更强，效果更佳。

    采用改进后的电路，将传感器吸附在铁架上，然后通过敲击铁架，获得振动压电信号，采集结果如图5所示，可以看出信号信噪比较好，共模干扰较小，充分证明了改进后电路的优越性，可以使压电信号较为准确撷取，出色的完成压电信号采集的任务。

4 结语
    提出了以共模电压并联负反馈电路为特点的压电信号放大电路前置级方案。实验显示，该方案能有效提高共模抑制比。该设计已经应用于实践，对于压电信号的采集适应性很强。