加速度信號調理電路設計及仿真

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境試驗中對瞬態加速度測試的需求，文中設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雙通道加速度測量，通道量程達100 000 g，且量程設置可根據試驗條件通過軟件靈活設置已提高信噪比。在其外圍電路的設計中，壓電式傳感器具有成本低、靈敏度高、頻響寬和動態范圍大等優點[1]，使用其作為傳感源，由于信號調理電路的設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行了介紹，并通過ORCAD仿真分析軟件對調理電路進行了參數配置和分析。

1 電路設計及芯片選型

系統信號調理的工作原理是壓電式加速度傳感器將沖擊信號轉化為電荷信號，電荷放大器將該信號轉化為相應的電壓量，經增益控制、濾波電路調理后，輸出至A/D轉換器。由A/D轉換器負責模擬量到數字量的轉換，轉換后的數據存入非易失性存儲器[2-3]，試驗完成后將數據回讀出來，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，若要對它進行后續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行適調放大，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。

在設計中選用了中國兵器工業第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25 kHz，傳感器靈敏度系數大約為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。

為降低系統功耗，芯片工作電源選3.3 V，通過信號調理電路后需要將電壓信號調理成0～3.3 V的信號再輸入給A/D轉換器，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調理成近0～3.3 V的電壓信號。由式（1）可推算出C1應設為30 nf。由于系統要求電路體積小，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

為實現通道量程的程控設置，系統增益放大部分將分母R4電阻固定為5 kΩ，分子R7電阻值由數字電位器提供，通過SOC片上系統C8051F340對可程控數字電位器的初始電阻值編程，實現軟件靈活控制放大倍數。

數字電位器選擇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字電位器，減小了電路體積。其具有10位分辨率，可調電阻50 kΩ，所以信號調理電路放大倍數可達10倍；具有上電復位電路，當上電后可從非易失性電擦寫可編程只讀EEPROM存儲器，恢復滑動端位置，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7 MHz的數據通訊；35 ppm/℃的端到端電阻溫度系數，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，當將數據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的儀器的理想選擇。

通過存入鎖存寄存器中的10位數D，可選擇1 024個可能的滑動頭位置，對應這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：

當設備進行量程選擇時，將對應不同檔位放大倍數的電阻值寫入寄存器，使芯片上電時滑動頭移動到相應的位置，實現增益放大。

1.3 抗混疊濾波器

由于測試環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重要的作用。設計濾波器時，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的不失真測試條件即幅頻特性應當是常數（即水平直線），相頻特性應當滿足線性關系。為此利用MAX4255設計了巴特沃思濾波電路，利用其通帶內極大平坦特性，確保了模塊的幅頻特性，由于巴特沃思濾波存在頻率響應銳截止較為鈍性的缺點，采用了偶階網絡濾波技術以增強頻率衰減速率，并進一步減小紋波參數，確保了模塊的良好線性度。

圖2中C7和C8的參數與低通截止頻率有關

Q在濾波器設計中被稱為品質因數，當Q=0.707時這時的濾波器具有最平直的幅頻特性。將系統濾波截止頻率設為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的飛速發展和大規模集成電路的廣泛應用，電子產品不斷更新換代，電子設計自動化技術得到了廣泛地應用，成為了提高電路分析和設計技能的重要手段。為此通過OrCAD仿真軟件來檢驗電路原理設計可行性，同時配置出合理的電阻電容參數，從而設計出高質量的電路板。OrCAD是一套功能強大的EDA軟件系統，它主要包括3大部分：即內置元器件信息系統的原理圖輸入器（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理電路部分進行，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生的信號，經電荷放大器輸出V2、增益放大器輸出V3、濾波輸出V4后，仿真結果如圖3所示。其中增益放大倍數設為3倍，即R7為15 kΩ，通過仿真可以看出經過增益放大后，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，增益放大倍數設為1倍，濾波后結果如圖4所示。

圖4 濾波仿真結果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，從而驗證電路參數設置合理，濾波電路對高頻信號的濾波效果明顯。

3 結束語

文中針對加速度瞬態信號存儲測試系統前端的信號適調電路進行了較為詳細地介紹，給出電路參數計算公式，并結合元器件性能指標推導出電阻、電容參數配置結果。文中還簡要介紹了信號調理電路設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行了檢驗，其仿真結果表明電路參數配置合理，設計方案可行，對同類設計有一定參考價值。

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