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1、- 1 - 燕山大学 课 程 设 计 说 明 书 题目：传感器转换电路仿真及电荷放大器转换电路设计 学院（系 ): 年级专业： 学号： 学生姓名：项昕 指导教师：陈颖朱丹丹 教师职称：副教授讲师 - 2 - 第一章摘要 摘要电荷放大器由电荷变换级、 适调级、低通滤波器、高通滤波器、 末级功放、 电源几部分组成。 电荷放大器可配接压电加速度传感器。其特点是将机械量转变 成与其成正比的微弱电荷Q，而且输出阻抗Ra极高。电荷变换级是将电荷变换 为与其成正比的电压 ,将高输出阻抗变为低输出阻抗。本文介绍了一种电荷放大 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
2、键词。压电传感器；电荷放大器；放大器设计 - 3 - 第二章 引言 引言 随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术已越来越广 泛地应用于航天、交通运输、机械制造、自动检测与计量等技术领域，而且也正 在逐步引入人们的日常生活中。 非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的振动 信号，在实际生活中振动信号的大小经常用加速度来度量，加速度一般通过压电 加速度传感器进行测量。 它能将传感器输出的微弱电荷信号变换成放大了的电压 信号，同时又能将传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。压电加速度传感器的 输出需经电荷放大器进行变换（即电荷电压转换），方可用于后续的放大、处 理，因此电荷放大器是加速度
3、测量中必不可少的二次仪表，设计性能良好的电荷 放大器具有重要意义 - 4 - 第三章 基本原理 1、工作原理分析 图1 是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路2 . 图中Ca 为压电传感器等效电容 , Cc 为连接电缆电容 , Ci 为放大器的输入电 容, Ra 为压电传感器的绝缘漏电阻, Ri 为运算放大器的输入阻抗, Cf 是放大器的 反馈电容 , Rf 为并联在反馈电容两端的漏电阻. 在电荷放大器中采用电容负反馈, 对直流工作点相当于开路,对电缆噪声比 较敏感 , 故放大器零漂较大而产生误差,为减小零漂 ,使放大器工作稳定 , Rf 选阻 值非常高的电阻 (约1010 - 1014) ,
4、以提供直流反馈。 由电路理论可得放大器的输出电压 在实际电路中采用的运算放大器开环增益，A 约为 10 4 - 10 6 数量级所以有 ( 1 + A ) CfCa + Cc + Ci , 此时Ca 、Cc 和Ci 均可忽略不计 ,当Ra 、Ri 和Rf 相当大时 ,放大器的输出电压可写为 U0= Cf Q CfA AQ )1( (2) 从式 (2) 可以发现 ,在使用电荷放大器的测量系统中,电荷放大器的输出电压U0 与电荷 Q 成正比 ,与电缆电容 Cc 无关,与信号的频率也没有关系. - 5 - 第四章 参数设计及运算 4.1 比例放大器 原理：反相输入比例运算电路的电压放大倍数为：Au=
5、-R2/R1 ，所以说它的放大倍数可以大 于1，等于 1，小于 1。 输入电压 Ui=0.5V，输出电压 U0=5V。 - 6 - 输出波形 4.2差动放大电路 - 7 - 原理：差分放大器也叫差动放大器是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放 大器，有时简称为“ 差放 ” 。 放大倍数 A=13 RR 输出电压 U0=（U1-U2）13 RR =（120-118）12=4V 输出电压 输出波形 - 8 - 4.3 交流电桥电路 原理： 在交流电桥中， 四个桥臂由四个阻抗元件，每个阻抗元件由一个电容和一个电阻并联 组成， 当电容值变化时引起阻抗变化，从而使输出电压发生变化，后面接比例
6、放大电路将输 出信号放大一定的倍数。 所以，输出电压Uo=Ui*1/4*( Z/Z)*(-R7/R8)=Ui*1/4*( C/C)*(-R7/R8) 电压 U2 输出电压 U1 - 9 - 4.4 直流电桥电路 原理： 在直流电桥中， 四个桥臂由四个电阻构成，当一个桥臂的电阻变化时会引起输出电阻 的变化，后面接一放大电路对输出信号进行放大。 所以，输出电压U0= U1 输出电压 U2 - 10 - 4.5 整流电路 原理： e2 为正半周时，对D1、D3 和方向电压， Dl，D3 导通；对 D2、D4 加反向电压， D2、 D4 截止。电路中构成e2、Dl、Rfz 、D3 通电回路，在Rfz
7、，上形成上正下负的半波整流 电压， e2 为负半周时，对D2、D4 加正向电压， D2、D4 导通； 对 D1、D3 加反向电压， D1、 D3 截止。电路中构成e2、D2Rfz 、D4 通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波 的整流电压。 输出波形 - 11 - 4.6二阶低通滤波器 原理：它由两节RC 输入端之间通过C2引入一个正反馈。 在不同的频段， 反馈的作用效果也有很大的不同，当信 号频率 fpf 时(pf为截止频率 )虽然 1C的容抗很小，但由于2C的容抗很小， 使得集成运放同相输入端的信号也很小,输出电压必然也很小。所以只允许低频率信号通过. 输出波形 - 12 - 4
8、.7电荷放大器 原理 :在高频时，电路中各电阻（Ra、Ri、Rf）的值大于各电容的容抗，以上略去Ra、Ri和 Rf讨论电路特性是符合实际情况的。电荷放大器的频率响应上限主要取决于运算放大器的频 率特性。 在低频时， Ra、Ri与1/jwCc 、1/jwCi 相比仍可忽略。但Rf 与1/jwCf 相比就不能忽略了。此时 电荷放大器输出电压为 Uo=-jwQ/(1/Rf+jwCf) （3-8） 上式表明，输出电压Uo不仅与 Q有关，而且与反馈网络的原件参数Cf、Rf 和传感器信号频 率w有关， Uo的幅值为 Uo=-wQ/(1+ Rf) 2+w2Cf2?（ 3-9） 由此可得，电荷放大器的3dB下
9、限截止频率为 （3-10） 低频时，输出电压Uo与输入电荷 Q之间的相位差为 =arctan(1/Rf)/wCf=arctan(1/wRfCf) （3-11） 在 截止频率处 =45。 输出波形 - 13 - - 14 - 结论 这种电荷放大器作为对压电加速度计的信号调理电路已得到应用.此 电路在设计思想和电路结构方面都有新颖之处,且电路的制作和调试 更加简单 ,大大降低了设这种电荷放大器作为对压电加速度计的信号 调理电路已得到应用 .此电路在设计思想和电路结构方面都有新颖之 处,且电路的制作和调试更加简单,大大降低了设计成本,提高了电路 的性价比 .实验证明 ,其性能以及各项技术指标均达到了
10、预期的设计目 标,具有很高的实用性。 - 15 - 心得体会： 这次的传感器课程设计， 我们完成了从设计到制作的完整过程，在这期间学到了 很多关于传感器和实践方面的知识，受益匪浅。 虽然遇到了很多困难， 但我也深 深的体会到了其中的乐趣，它也让我对传感器的知识有了更切身的理解。我们 制作的是在书上出现过的， 但是要通过我们所学的知识完全自行思考和设计出电 路。在查找了许多有关方面的资料，以及观察分析了许多集成运算放大器后，我 们最终设计出了自己的电路。 期间我发现我们所学的理论与实际还是有很大的区 别的，于是我们通过理论联系实际，最后我们确定了自己的合理的原理图，进行 了分析和元件参数的一定程
11、度的修改。之后我们又对电路图进行了仿真。在使 用Multisim 仿真的过程中， 我们第一步是绘制滤波器的原理图，接着根据计算的 结果设置元件的各种参数， 最后就要应用 Multisim 的仿真功能观察了电路交流扫 描分析等各种仿真分析， 得出了相应的仿真图形。 通过理论与结果的比较， 我们 对电路元件参数进行了相应的修改，最后得到了较为合理的原理图。短暂几天 的课设，让我深切的体会到模电这门课程的作用和意义, 并且对其有了更深的理 解, 对于我们以后的实践有着极大的作用。另外，通过这次课设让我们进一步的 了解到了仿真软件的重要作用。 这次课设不论是在理论知识还是在具体实践都有 了极大的提高。
12、在以后的学习中，我们会不断的摸索，不断实践，更好的利用 各种手段帮助我们提高， 使我们更好的理解所学的知识，弥补实践的不足， 由理 论联系到实际， 深入了解科学的奥秘， 真正的把知识吸收为自己的东西，以达到 学以致用的目的。 - 16 - 参考文献： 【1】康光华 .电子技术基础模拟部分（第五版）高等教育出版社. 2006年 【2】张玉龙等 . 传感器电路设计手册 . 中国计量出版社 .1989 年 【3】李科杰等 . 新编传感器技术手册 . 国防工业出版社 .2002 年 【4】吴桂秀 . 传感器应用制作入门 . 浙江科学技术出版社 .2004 年 【5】杨宝清，孙宝元 . 传感器及其应用手册 . 2004 年 【6】单成祥 . 传感器的理论与设计基础及其应用. 国防工业出版社 . 1999 年 【7】殷淑英 . 传感器应用技术 . 冶金工业出版社 .2008 年 - 17 - - 18 - - 19 - - 20 -