加速度信号调理电路设计及仿真

摘要：基于高冲击环境试验中对瞬态加速度信号的高精度测试需求，采用存储测试的方法设计了加速度存储测试仪。由于压电式传感器具有灵敏度高、量程大、较高固有频率、耐冲击等优点，所以使用其作为传感元件，设计了电荷放大电路、增益可调节的前置放大电路及滤波电路。较为详细地介绍了信号调理电路的设计及电阻电容的参数计算公式。通过仿真分析软件ORCAD，对电路参数进行了合理配置。仿真结果表明系统的信号幅度控制合理，滤波效果明显，电路设计具有实际应用价值。
关键词：存储测试仪；加速度瞬态信号；信号调理电路；仿真分析；ORCAD

    为满足跌落等高冲击环境试验中对瞬态加速度测试的需求，文中设计的嵌入式加速度存储测试仪不但要求电路精简、体积小、功耗低，耐强冲击，干电池供电，还要求每片子卡实现双通道加速度测量，通道量程达100 000 g，且量程设置可根据试验条件通过软件灵活设置已提高信噪比。在其外围电路的设计中，压电式传感器具有成本低、灵敏度高、频响宽和动态范围大等优点，使用其作为传感源，由于信号调理电路的设计直接影响到加速度时间历程信号的可靠采集和存储，本文主要针对这部分进行了介绍，并通过ORCAD仿真分析软件对调理电路进行了参数配置和分析。

1 电路设计及芯片选型
    系统信号调理的工作原理是压电式加速度传感器将冲击信号转化为电荷信号，电荷放大器将该信号转化为相应的电压量，经增益控制、滤波电路调理后，输出至A／D转换器。由A／D转换器负责模拟量到数字量的转换，转换后的数据存入非易失性存储器，试验完成后将数据回读出来，其原理框图如图1所示。

    信号调理电路部分主要由电荷放大器、增益放大器、滤波几部分组成，电路连线如图2所示。

1．1 电荷放大器
    由于压电式传感器的输出信号为微弱的电压信号或电荷信号，若要对它进行后续处理则必须将电压信号放大或把电荷信号变成电压信号再进行适调放大，这就需要电压放大器或电荷放大器这两种形式的高输入阻抗仪器与之配套，且必须要保证放大器本身的输入阻抗足够高，一般最低也要在1011Ω以上，因为压电式传感器的绝缘电阻在1010Ω以上，前置放大器输入电阻的减小将加剧由于漏电造成的电压或电荷的损失，从而可能导致大的测量误差。由于电压放大器的灵敏度随连接电缆的分布电容、传感器自身电容而变化，因此更多的采用电荷放大器。
    理想条件下，工作频率足够高，放大器增益A足够大，电荷放大器输出V2为
   
    其中，Q是电荷量，k是传感器灵敏度，g为传感器量程。
    在设计中选用了中国兵器工业第204所研制的988型压电加速度传感器，其量程为100 000 g，频率响应25 kHz，传感器灵敏度系数大约为0．5 pc／g。放大器选择贴片式MAX4249，它是双运放可将电荷放大器和增益放大器集中在一起。MAX4249是低噪声、低形变运算放大器，单电源供电电压可低至2．4V，仅需400μA的静态供电电流，且具有超低的变形(0．0002％THD)，同时具有极低的输入电压噪声密度和极低的输入电流噪声密度，具有省电模式，此模式下电源供电电流降至0．5μA，这些特性使它成为要求低变形低噪声的电池供电的仪器的理想选择。
    为降低系统功耗，芯片工作电源选3．3 V，通过信号调理电路后需要将电压信号调理成0～3．3 V的信号再输入给A／D转换器，所以在放大器正端加上+1．65 V电平，将电荷放大器输出的±1．66 V信号V2调理成近0～3．3 V的电压信号。由式(1)可推算出C1应设为30nf。由于系统要求电路体积小，所以全部使用贴片器件，为此选20 MΩ贴片电阻R3，从而通过式(2)估算出电荷放大器的下限截止频率为0．26Hz。
1．2 增益放大器
    为实现通道量程的程控设置，系统增益放大部分将分母R4电阻固定为5 kΩ，分子R7电阻值由数字电位器提供，通过SOC片上系统C8051F 340对可程控数字电位器的初始电阻值编程，实现软件灵活控制放大倍数。
    数字电位器选择MAX5497双组非易失性可编程线性可变电阻，双通道采集可共用一个数字电位器，减小了电路体积。其具有10位分辨率，可调电阻50 kΩ，所以信号调理电路放大倍数可达10倍；具有上电复位电路，当上电后可从非易失性电擦写可编程只读EEPROM存储器，恢复滑动端位置，50年滑动端位置保存时间；其SPI兼容串行接口，允许速度可达7 MHz的数据通讯；35 ppm／℃的端到端电阻温度系数，温度工作范围为-40～+85℃；可用+2．7～+5．25 V单电源供电或±2．5 V双电源供电，当将数据写入非易失性存储器时最大仅400μA电流，且不编程时最大待机电源电流仅1．5μA(典型)。其是低漂移可编程增益放大器这类要求低温度系数的仪器的理想选择。
    通过存入锁存寄存器中的10位数D，可选择1 024个可能的滑动头位置，对应这1 024个值的是电位器从高W到低L的电阻值，D的计算公式如下：
   
    当设备进行量程选择时，将对应不同档位放大倍数的电阻值写入寄存器，使芯片上电时滑动头移动到相应的位置，实现增益放大。
1．3 抗混叠滤波器
    由于测试环境中不可避免地存在着各种干扰和噪声，所以模拟滤波器在存储测试电路中起着至关重要的作用。设计滤波器时，除考虑满足滤波截止频率的要求外，还要考虑满足测试系统的不失真测试条件即幅频特性应当是常数(即水平直线)，相频特性应当满足线性关系。为此利用MAX4255设计了巴特沃思滤波电路，利用其通带内极大平坦特性，确保了模块的幅频特性，由于巴特沃思滤波存在频率响应锐截止较为钝性的缺点，采用了偶阶网络滤波技术以增强频率衰减速率，并进一步减小纹波参数，确保了模块的良好线性度。
    图2中C7和C8的参数与低通截止频率有关
   
    Q在滤波器设计中被称为品质因数，当Q=0．707时这时的滤波器具有最平直的幅频特性。将系统滤波截止频率设为30 kHz，式中R=R10= R11为15kΩ，则可推算出C7、C8分别为1000pf和510pf。

2 电路仿真分析
    近年来随着计算机技术的飞速发展和大规模集成电路的广泛应用，电子产品不断更新换代，电子设计自动化技术得到了广泛地应用，成为了提高电路分析和设计技能的重要手段。为此通过OrCAD仿真软件来检验电路原理设计可行性，同时配置出合理的电阻电容参数，从而设计出高质量的电路板。OrCAD是一套功能强大的EDA软件系统，它主要包括3大部分：即内置元器件信息系统的原理图输入器(Capture CIS10．5)、模拟和混合信号仿真(PSpice10．5)和印制电路板设计(LayoutPlus10．5)，可以充分满足我们的需要。仿真主要针对信号调理电路部分进行，仿真连线图如图2所示。
2．1 放大仿真试验
    输人信号为频率1 kHz、幅值0．1 V的正弦信号V1，来模拟压电传感器产生的信号，经电荷放大器输出V2、增益放大器输出V3、滤波输出V4后，仿真结果如图3所示。其中增益放大倍数设为3倍，即R7为15 kΩ，通过仿真可以看出经过增益放大后，增益放大信号V3比输入信号V1放大了3倍，而且1 kHz的输入信号经过滤波后，滤波信号V4的幅值基本与增益放大信号V3的一致，说明对低频率输入信号滤波电路不起作用。

2．2 滤波仿真试验
    将输入信号V1改为频率50 kHz、幅值1 V的正弦信号，增益放大倍数设为1倍，滤波后结果如图4所示。

    从滤波信号V4可以明显看出滤波后信号幅值大大降低，从而验证电路参数设置合理，滤波电路对高频信号的滤波效果明显。

3 结束语
    文中针对加速度瞬态信号存储测试系统前端的信号适调电路进行了较为详细地介绍，给出电路参数计算公式，并结合元器件性能指标推导出电阻、电容参数配置结果。文中还简要介绍了信号调理电路设计中选用的芯片主要特点。通过仿真分析软件ORCAD模拟传感器输入信号对电路放大和滤波效果进行了检验，其仿真结果表明电路参数配置合理，设计方案可行，对同类设计有一定参考价值。