一种新型电荷放大器的设计与研究
①
樊春玲　李志全　唐旭晖
(燕山大学电器工程学院, 秦皇岛　066004)
摘要　介绍了一种新颖电荷放大器的设计结构及其工作原理, 阐述了实验样机的工作
模式, 给出了实验样机的实验结果。
关键词　程控增益　　程控抗混滤波　　程控显示
1　引　言
　　机械振动测试是一个内涵比较丰富的研究领域, 利用压电传感器检测振动加速度是这
一领域中的一个重要研究课题, 压电传感器作为一次仪表测试振动加速度, 电荷放大器是必
不可少的二次仪表。
   传统的电荷放大器通常运用手动切换进行增益的调节, 因此存在着难以
克服的缺点。 如干扰大, 容易发生误动作甚至故障, 这是传统放大器一直没能很好解决的问
题。 随着计算机技术的发展和超大规模数字电路的出现, 开始致力于程控放大器的研究与设
计。
   程控放大器可由软件控制, 自动改变增益, 自动适应所输入的模拟信号电平。 正是由于这
一独特优点, 程控放大器被越来越多地应用在自动控制、智能测试等领域[1。
]
振动信号是一种频率成分丰富, 实时性很强的信号。 在压电测量系统中, 采用程控电荷
放大器针对性较强。
   近年来, 有关程控仪表的报道较多[1～5 , 但程控电荷放大器研究尚有其
]
固有特点和困难, 报道的文献较少[1。 这主要是因为, 压电传感器的互换性和抗环境干扰的
]
能力较差, 对程控电荷放大器的硬件和软件要求比较苛刻。 我们在文献[1～ 5]的基础上提出
了程控电荷放大器的完整设计与研究, 较满意地解决了上述问题。
  
2　工作原理及系统设计
　　应用于振动信号测量的高精度程控电荷放大器的系统组成如图 1。 从硬件上看, 主要分
成两部分: 模拟检测部分和数字逻辑识别、判断、控制部分。
2。 1　电荷变换
电荷变换器是模拟检测部分的核心。 其输出电压U 的变化范围为 1～ 10 V。
   为适应与
sc
不同灵敏度压电传感器配接而使其输出电压归一化, 应用程控放大, 为了准确、适时滤掉高
① 来稿日期: 2000201224
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频干扰, 采用程控滤波。
  
图 1　系统结构原理框图
振动信号的拾取采用压电加速度传感器, 与之配接前置放大器。 前置放大器采用输出电压与
输入电荷成正比的电荷放大器。 其主要环节是一个具有深度负反馈的高增益电荷放大电路。
它与压电传感器连接的等效电路图如图 2 所示。
  
图 2　电荷放大器与压电传感器相连接的等效电路图
图中: Cf: 电荷放大器的反馈电容; Ca: 传感电容; Cc: 电缆电容; Ci: 放大器的输入电容; Rf: 并
联在反馈电容两端的漏电阻;A : 运算放大器的开环增益。
反馈电容Cf 折合到放大器输入端的有效电容C′, 所以
f
C′= (1 + A )Cf
f
(1)
若忽略放大器输入电阻R 和反馈电容并联的漏电阻Rf, 则放大器输出电压为
i
- A Q
U
sc
=
= A U
(2)
Ca + CC + C i + (1 + A )Cf
sr
故放大器的输入电压U 为:
sr
- Q
- CaU
a
U
sr
=
=
(3)
Ca + Cc + C i + (1 + A )Cf
Ca + Cc + C i + (1 + A )Cf
因为A μ 1, 一般取为 104～ 10 以上, 故式(3)中Ca+ Cc+ Ciν (1+ A )Cf。
   此时传感器电容Ca、
电缆电容Cc 和放大器输入电容Ci 可忽略不计, 放大器的输出电压可表示为
Q
U
sc
= -
(4)
Cf
式(4)表明: 电荷变换级的输出电压与传感器产生的电荷量及电荷放大器反馈电容有关, 电
缆电容等其它因素的影响可忽略不计。
  
2。 2　程控放大器
程控放大器采用变换放大比例的控制规律, 精度取决于比例电阻的精度。 其工作原理图
如图 3 所示。 图 3 中, 模拟开关使用CMOS 系列的CD4052。 CD4052 是一个四通道的多路模
拟开关。 其逻辑功能表如图 1 所示。
  
如表 1、表 2 所示, 要改变增益, 只需对CO4052 的控制引脚S 、S 赋予不同的高低电平, 就
1
0
可以实现增益的自动转换。 本系统中, 增益档分为 1、10、100 三档。 其与CD4052 的控制选通
关系如表 2 所示。
   其中系统默认的增益为 1。
表 1　CD4052 逻辑功能表
表 2　增益与控制引脚关系
ENAB
S
1
S
0
X
Y
GA IN
S
1
S
0
1
F
F
O FF
O FF
1
0
0
0
0
0
X0
Y0
10
0
1
0
0
1
X1
Y1
100
1
0
0
1
0
X2
Y2
无效
1
1
0
1
1
X3
Y3
2。
   3　程控抗混滤波
本系统中我们仍然采用CMOS 系列的CD4052 这一四通道多路模拟转换开关来实现
自动调节有源滤波器的截止频率。
由图 4 可见, 此结构原理图分为两个环节, 即抗低频干扰和抗高频干扰, 可以设置 0。 1
～ 25 kHZ 的滤波频率。
   由于振动信号是频率成分十分丰富的信号, 我们通过MAX293 选择
有用的频率, 抑制其它的频率成分。 第一步主要是滤去低频干扰, 而第二步是滤去其高频干
扰。 这是因为此时的振动信号不是光滑的正弦波, 通过示波器观察, 会发现有许多毛刺, 因此
必须滤去其高频成分。
   本系统中, 截止频率分为四档, 其与CD4052 之间的控制选通关系如
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00
表 3 所示。
图 4　程控抗混滤波原理图
表 3　截止频率与控制引脚关系
f
c
Hz
2
5
10
20
5
100 200 500
1×103
2×103
5×103
10×103
S
1
0
0
1
1
S
0
0
1
0
1
3　软件设计与实验结果
　　由于C51 编译器不但可以缩短单片机控制系统的开发周期, 而且易于调试与维护。
   因
此本系统采用C51 编译器来进行软件的开发。 图 5 和图 6 分别给出了程控放大器的程度框
图和程控抗混滤波的程序框图。
图 5 中, 当振动模拟信号输入到A D 转换器中, 经过A D 转换后送入 8031 单片机中
进行处理, 找出这组信号的最大值A
m ax
和最大小值A
m in
。
   此时必须判断出当前增益所处的状
态。 当A
m ax
> 3。 5 V , 增益减小; 当A
m in
 3。 5 V , 则报警越限; 同样, 当增益增大到为 100 这一档时, 若A
m in
< 100 mV 时, 则
报警越限。
  
在本系统中, 键盘采用中断方式。 图 6 中, 当从键盘输入截止频率后, 判断这一截止频率
在哪一频率档中, 程序自动将CD4052 控制引脚S 、S 置为不同的高低电平, 从而实现程控
1
0
滤波。 例如, 当用户通过键盘输入一个 200 Hz 的截止频率, 此频率会在液晶屏幕上显示出
来。
   然后程序自动会将CD4052 的两个控制引脚S ,S 置成 1, 0, 从而实现截止频率的切换。
1
0
实验过程中, 我们把本研究的样机和传统电荷放大器进行了对比实验。 从图 7 和图 8 所
给出的波形可看出: 采用程控增益, 输出波形清晰、准确地反映了加速度信号的大小与状态;
从图 8 中可以看到程序滤波对滤除高频干扰, 提高仪器的稳定性与可靠性等方面都表现出
了明显的改善。
  
　　　　　　
第 4 期　　　　　　　　　樊春玲、李志全、唐旭晖: 一种新型电荷放大器的设计与研究　　　　　　　　　　　　　　
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图 5　程控放大程序框图　　　　　　　　图 6　程控滤波程序框图
图 7　手动增益和程控增益电荷放大器的输出波形比较
图 8　手动滤波和程控滤波电荷放大器的输出波形比较
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4　结束语
实验结果表明, 本文提出的仪器及其系统工作模式具有以下特点:
1) 　可实现程控选择适调增益和抗混滤波频率;
2) 　采用字符和图形的程控显示, 增强了智能化程度;
3) 　从实验对比波形可以看出, 其精度、稳定性和抗干扰能力, 都得到了很大程度的提
高。
  
参考文献
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2　张捷贤、高峰、王艳。 程控技术在仪表中的应用。 仪表技术与传感器, 1997(2)
3　周军。 程控增益放大器及其与微机的接口。 电测与仪表, 1996(10)
4　王燕。
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5　江汉年、赵英俊、杨叔子。 基于 SCF 的程控低通滤波电路研究, 仪表技术与传感器, 1998
6　M axim Integrated Products, 8th2order, Lowpass sw ithched
capacitor filters。
   M axim N ew Release Data
-
Book, 1993
D esign and Study of a Novel Charge Ampl if ier
Fan Chunling 　　L i Z hiquan　　T ang X uhui
(College
of Electrical Engineering, Yanshan U niversity, Q inhuangda 066004)
Abstract　This paper p resents design structure and p rincip le of the novel charge amp lifer, and
exp lainsworking mode of the samp le device and show s the experim ent results。
  
Key words　p rogramm able gain　　p rogramm able filter　　p rogramm able disp lay
。