课程设计（论文）基于压电加速度计的速度测量信号调理电路设计.doc

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1、燕山大学课 程 设 计 说 明 书 题目：基于压电加速度计的速度测量信号调理电路设计学 院：电气工程学院年级专业：学 号：学生姓名：指导教师：教师职称：燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位： 仪器科学与工程系 学 号学生姓名专业（班级）设计题目基于压电加速度计的速度测量信号调理电路设计设计技术参数压电加速度计的输出信号是加速度信号，将加速度信号积分后，会得到速度信号。设计一种加速度信号调理电路，将加速度信号转换为速度信号。用0-2.5V的直流信号表示0-10米/秒的速度信号。设计要求1：完成题目的理论设计模型；2：完成电路的multisim仿真；工作量1：完成一份

2、设计说明书（其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果）；2：提交一份电路原理图；工作计划周一，查阅资料；周二到周四，理论设计及计算机仿真；周五，撰写设计说明书；参考资料1:基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计2：模拟电子技术；3：电路理论4：数字电子技术指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2011年6月18日目 录第1章 摘要4第2章 引言4 第3章 电路结构分析 5 3.1 基本原理分析5 3.2 电荷放大电路分析 6 3.3 积分电路分析 8第4章 参数设计及运算 9第5章 Multisim仿真分析 11第6章 误差分析 12第7章

3、 心得体会13参考文献 14第1章 摘要 本课程设计基于压电加速度计，电荷放大电路和积分电路组成测量系统，模块化的设计了速度测量和信号调理电路，并对调理电路进行了仿真实验。设计和仿真结果表明：压电加速度计，电荷放大电路和积分电路的正确的配接，能实时、准确地处理信号，能实现精确测量速度的目的。第2章 引言 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失。由于随着应力的变化电场变化微小，所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的

4、压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。近年来，由于线性集成运算放大器的飞速发展，出现了一些输入阻抗很高的器件，因为集成运算放大器构成的电荷放大器便有良好的基础和发展前景。由于积分电路主要用于波形变换、可以将加速度信号转换为速度信号，所以本课题巧妙的把积分电路加到设计中。第3章 电路结构设计总体设计框图如下所示： 3.1 基本原理分析 压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被

5、测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。本文设计了压电加速度计的速度测量信号调理电路。通过压电加速度计，电荷放大电路和积分电路组成的测量系统进行速度测量，由于压电加速度计的输出信号是加速度信号，所以需要对加速度信号设计信号调理电路，将加速度信号转换为速度信号，下面选择积分电路作为加速度信号的调理电路。最后按设计的要求，用0-2.5V的直流信号表示0-10米/秒的速度信号。 3.2 电荷放大电路分析荷放大器实质上是一个负反馈放大器，它能够得到与输入电荷成比例的电压输出， 将压电加速度计产生高内阻的电荷信号转换为一个低内阻的电压源。因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作

6、用。理想情况下，这部分电路的输入阻抗应该无穷大.。电荷放大器的输出电压基本上不随输入连接电缆的分布电容而变化，鉴于它的特点这里选择电荷电荷放大器。 图1所示的为传感器与测量电路连接的等效电路图，其中是压电加速度传感器的固有电容，电容大小一般在1000pF左右，是输入电缆等效电容，是输入电缆绝缘电导。是放大器输入电容，是放大器输入电导，是反馈回路电容，是反馈回路电导。 图1. 电荷放大器原理图 由图1知，此放大器是电压并联负反馈电路，从输入端看反馈回路，相当于有的阻抗和输入端阻抗并联，结果使闭环的输入阻抗降低。所以闭环的输入阻抗比开环时低好几个数量级，而且随频率增加而降低。其中，所以有 反馈电容

7、在输入端的作用下增加了（1+A）倍，使输入回路的时间常数，主要由决定。当输入回路的时间常数很大时。，和的影响可以忽略不记，电荷Q只对充电，传感器的电压灵敏度对电缆电容变化的影响大大降低。充电电容增加到（1+A）倍，充电电压降低了（1+A）倍，但是此降低了电压还要经具有开环增益A的放大器放大，结果灵敏度还是没变，而时间常数却增加了（1+A）倍，这就是电荷放大器的实质。电荷放大器的等效电路图，如图2所示： 图2 电荷放大器等效电路图由运算放大器知识和电路理论可知，下列关系式成立。 由此可以可知，当频率高时，各导纳大于各个电导，上式可改写为 只要A足够大，上式分母中的就远小于（1+A）；故可略去，有

8、 3.3积分电路分析 本设计中由于需要把压电加速度计输出的加速度信号转换为速度信号，所以需要对其积分，采用德玻积分器，它使用了一个用一只电容作为负载的Howland电源泵以实现同相积分。正如我们所知道的，这个泵将电流强行“打入”进这只电容器。形成同相输入电压.然后运算放大器将这个电压放大给出,所以， 积分电路原理图如图3所示： 图3 同相或德玻积分器第4章 参数设计及运算4.1电荷放大器参数 因为电荷放大器是高增益的放大器，即K1，因此，一般情况下则有： 又因为电荷灵敏度 其单位是或pc/g。传感器电压灵敏度的单位是或者mV/g，S所以可由公式最终得到加速度a等于电压/电压灵敏度系数，单位为。

9、查阅市场产品，有D221/D222型号的电荷放大器，其灵敏度为0.3，频率范围为1Hz12kHz，M5顶端/连体电缆侧端输出。重量：2克，尺寸：7mm(六角)x1216mm(高)，M3螺钉安装。选取电荷放大器的积分灵敏度为0.3， 由于的容量为100-10000pF，可选取值电容为111pF。4.2积分电路参数基本同相有源积分的基本关系式为： 积分时间常数为 输出电压与速度之间的关系式为： 根据设计任务的要求：=2.5V, v = 10m/s ，由电荷放大参数中，灵敏度=0.3，=111pF.所以求得时间常数=0.0108025 的大小决定了积分速度的快慢，当输入信号为正弦波时，的值不仅受运算

10、放大器最大输出电压的限制，而且与输入信号的频率有关，对于一定幅度的正弦信号，频率越低的值应该越大。对于正弦波信号，积分电路的输出电压为： 因此，当输入信号为正弦波时，的值不仅受运算放大器最大输出电压的限制，而且与输入信号的频率有关，对于一定幅度的正弦信号，频率越低的值应该越大。由于的最大值为1，设计中取.所以需要满足下列关系： 即： =0.0038 s 所以上述所得的满足要求。根据仿真的电路的调整，最终选择R=21.605 ,.第5章 Multisim仿真分析5.1积分电路部分的仿真电路如图4所示：图4： multisim仿真图5.2仿真波形及分析输入信号为正弦方波，仿真波图形如图5所示： 图

11、5：积分电路仿真波形第6章 误差分析 对于压电加速度计，由于是压电传感器，会存在一定的外界环境因素，以致影响加速度计的灵敏度，例如零漂和温漂。在电荷放大器中采用的电容负反馈，对直流工作点相当于开路，故零漂较大而产生误差。连接电荷放大器和后续电路的电缆如果很长的话，它们会略微影响电荷放大器的高频特性。 对于有源积分电路，其输出公式为：Uo，为电容器上的初始电容，当输入电压ui为零时，积分电路的输出端存在一定数值的零漂移电压，这个电压随时间变化，称为积分漂移。运放的输入失调电压UIO和输入失调电流IIO 对积分电路产生的影响将影响电路的输出结果。此外，由于实际运放的开环增益Auo不是无穷大，而是一

12、个有限值，因此，对积分电路的输出电压也将产生影响。由于实际运放的输入电阻Rid不是无穷大，因此也将对输出电压产生一定的误差。输入电阻Rid的作用是降低了运放的开环增益，使积分电路输出电压的相对误差增加。当时，输入电阻Rid的影响可以忽略。积分电容的泄漏电阻RC对积分电路输出电压的影响是比较大的，因此，为了提高积分电路的运算精度，应选择漏电小，质量好的电容。运算放大器的有限带宽会影响积分电路的传输特性，使积分电路的输出电压产生一定的时间滞后现象。运算放大器的带宽越窄，时间滞后现象越严重。为了降低时间滞后现象，应选用增益带宽积比较大的运算放大器。第7章 心得体会经过为期一周的测控电路课程设计，让我

13、受益良多，让我学会了multisim仿真软件、Microsoft Visio绘图等软件的基础使用方法，在这一周里大部分时间都在思考原理，设计电路及参数，调试波形，以及对以前学过的传感器，电路设计，模拟电路和数字电路等知识的回顾。在设计过程中，我们渐渐学会如何把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，改正以前在理论学习中自己许多错误理解，更让我对电路的知识与设计产生了浓厚的兴趣。 本次测控电路课程设计，对我来说，学到的不仅是那些知识，更是让我们学会了同学之间的合作与探讨，以及许多资料的共享。不懂寻求同学，以及指导老师的帮助，而不是在自己的死胡同的无用的挣扎，小组人

14、员的配合相处，以及自身的动脑和努力，对我们自身的成长及以后工作都是至关重要的。最后忠心感谢老师们一周以来耐心的讲解与帮助。参考文献 1 唐文彥. 传感器. 机械工业出版社.2007年第四版 2 赛尔吉欧 佛朗哥. 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计. 西安交通大学出版社，2009年第三版3段九州. 放大电路实用设计手册. 辽宁科学技术出版社，2005年第一版燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：成绩： 指导教师： 年 月 日 答辩小组评语：成绩： 组长： 年 月 日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：年 月 日电荷放大器的输出V1在积分电路中用3V,50HZ的交变电压代替，连接后续电路，整体电路如图示。