壓電信號(hào)采集中放大電路前置級(jí)的設(shè)計(jì)

摘要：壓電傳感器輸出的壓電信號(hào)較弱，輸出阻抗高且疊加有共模干擾；現(xiàn)有的幾種利用儀用放大器的壓電信號(hào)前置放大電路解決方案有一些不足。在理論分析的基礎(chǔ)上，時(shí)壓電信號(hào)前置放大電路做了重要改進(jìn)，提出了具有共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路的壓電信號(hào)放大電路前置級(jí)方案。實(shí)驗(yàn)顯示，該方案能有效抑制共模干擾、提高電路的信噪比。
關(guān)鍵詞：超聲；壓電信號(hào)；儀用放大器；共模干擾

0 引言
    壓電式傳感器利用材料的壓電效應(yīng)，將被測(cè)力、加速度、超聲等物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行輸出。壓電式傳感器的輸出阻抗很高，輸出信號(hào)較弱、又常常疊加著強(qiáng)的50 Hz共模干擾，因此，它的采集系統(tǒng)放大調(diào)理電路需要一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，特別是該前置放大器還需要一個(gè)很高的共模抑制比。
    基于儀用放大器來實(shí)現(xiàn)壓電信號(hào)的前置放大電路是一類常見的方法。因?yàn)閮x用放大器本身具有很高的共模抑制比(通常在100 dB以上)和極高的輸入阻抗(通常在109Ω以上)，低的線性誤差和充裕的帶寬。本文將對(duì)現(xiàn)有的常見的基于儀用放大器的壓電信號(hào)前置放大電路具體做法進(jìn)行分析，提出改進(jìn)方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 現(xiàn)有基于儀用放大器前置電路的分析
    常用的壓電傳感器一般為浮地信號(hào)源，采用儀用放大器來測(cè)量浮地壓電信號(hào)源，一般容易想到的接法有3種，如圖1所示：(a)為直接將信號(hào)源連至儀放兩同相端作為差分輸入；(b)為信號(hào)源一端接至儀放的參考地；(c)為通過2個(gè)等值電阻引出信號(hào)源的共模信號(hào)，并聯(lián)至儀放的參考地。

    對(duì)圖1(a)所示接法，可以想象，存在這樣的問題。當(dāng)壓電信號(hào)源相對(duì)于儀放參考地的共模信號(hào)很大時(shí)，將導(dǎo)致前置放大電路飽和或截止，不能正常工作。而實(shí)際中，特別是有強(qiáng)電磁場(chǎng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，共模電壓信號(hào)可能達(dá)到二、三十伏甚至更高。因此，這種接法是不可行、不實(shí)用的。
    對(duì)圖1(b)所示接法，壓電信號(hào)源的負(fù)端和儀放參考地連在了一起。與圖1(a)相比，這種接法，壓電信號(hào)源不再浮地，輸入信號(hào)相對(duì)于儀放參考地的共模成分被始終箝制為輸入電壓的1／2，得到了一定的控制；但是，共模成分還是存在的，還有使儀放易于飽和、有效輸入范圍被減小的弊病。另外，這種接法對(duì)儀放而言是一種不平衡的接法，壓電信號(hào)源高輸出阻抗意味著這種不平衡將帶來一些問題，如造成外界對(duì)正負(fù)端的共模干擾轉(zhuǎn)化為差模輸入，進(jìn)而使儀用放大器的抗干擾能力下降。
    對(duì)圖1(c)所示接法，從2個(gè)同阻值的電阻中間引出導(dǎo)線連接到儀放參考地。兩個(gè)同阻值電阻中間引出的信號(hào)電位為VR=(Vi1+Vi2)／2，剛好是輸入信號(hào)的共模成分。因此，這種接法將輸入共模成分牽制在了參考地，即：如果不考慮電路動(dòng)態(tài)過渡過程的話，這種接法的共模輸入成分始終為0。這也是一種輸入平衡的接法。這種接法的不足是：輸入阻抗較前兩種減?。惶貏e是，未考慮共模成分抑制的動(dòng)態(tài)過程。實(shí)際中，由于高的電路阻抗等原因，這種接法對(duì)外來的共模干擾的抑制衰減可能要花一些時(shí)間，因此，其抑制共模能力還應(yīng)想辦法進(jìn)一步提高。

2 前置放大電路的改進(jìn)
    提出的前置放大電路的改進(jìn)方案如圖2所示。從儀用放大器兩等值外接電阻RG的中間引出一路信號(hào)，其值為(VI1+VI2)／2，剛好是輸入壓電信號(hào)源的共模成分；首先讓其通過普通運(yùn)放A4組成的電壓跟隨器，電壓關(guān)系如式(1)，其作用是與儀用放大器隔離，起保護(hù)作用；然后，對(duì)其進(jìn)行反相放大，通過運(yùn)放A5組成反相積分電路來實(shí)現(xiàn)，輸入輸出關(guān)系見式(2)；最后，將反相放大的共模信號(hào)，通過一個(gè)限流保護(hù)電阻R12加到共模點(diǎn)VR。

    以上電路改進(jìn)的本質(zhì)是：實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)共模成分的電壓并聯(lián)負(fù)反饋。與圖1(c)方案相比，由于采用了負(fù)反饋，從而會(huì)起到更快速地衰減共模干擾的作用。圖1中3種接法信號(hào)經(jīng)過儀放中A1和A2后，若共模信號(hào)的放大倍數(shù)是1；采用圖2的負(fù)反饋電路后，共模信號(hào)經(jīng)過儀放中A1和A2后放大倍數(shù)為1／(1+|F|)，F(xiàn)為負(fù)反饋放大倍數(shù)，F(xiàn)越大，則共模抑制能力越強(qiáng)。
    需要注意的是，本方案抑制的是共模干擾，如果由于電路電纜不對(duì)稱等因素造成共模信號(hào)轉(zhuǎn)化為差模信號(hào)，則本方案也無能為力。因此，在電路實(shí)現(xiàn)時(shí)要考慮電路的對(duì)稱性問題，盡量使電路對(duì)稱，選擇高精度的電阻和高質(zhì)量的運(yùn)放。
   

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
    本實(shí)驗(yàn)采用常見的振動(dòng)壓電傳感器，傳感器通過雙芯屏蔽電纜和儀用放大器相連。儀用放大器采用INA114，其是一款通用高精度儀用放大器，在增益為1 000時(shí)，其共模抑制比高達(dá)115 dB，輸入阻抗高達(dá)1010Ω。普通運(yùn)算放大器A4、A5使用TL081，其是一款低噪聲低溫漂且使用較為廣泛的運(yùn)放。RG選取千分之一精度的阻值為2．2 kΩ的電阻。可計(jì)算出儀放增益為G=12．36。另外，R11=10 kΩ，R12=200 kΩ，C11=1 nF，R=200 kΩ。
    當(dāng)壓電傳感器和儀用放大器的差分輸入端直接相連，即采用圖1(a)接法時(shí)，自然隨機(jī)激勵(lì)下的電路前置級(jí)放大結(jié)果如圖3(a)所示。發(fā)現(xiàn)前置放大后信號(hào)的50 Hz干擾較大，周期性明顯，幅值較大，峰峰值在30 V左右，甚至出現(xiàn)削波現(xiàn)象。

    當(dāng)采用圖1中(b)圖連接方式，自然隨機(jī)激勵(lì)下的電路放大結(jié)果如圖3(b)所示，共模信號(hào)較圖3(a)中有所減小，峰峰值為21．2 V，50 Hz的基礎(chǔ)上還夾雜噪聲，這是輸入回路不平衡造成的。
    圖4中(a)，(b)圖分別為使用圖1(c)所示接法和圖2所示改進(jìn)接法的兩種放大電路在相同的自然隨機(jī)激勵(lì)下的電路放大結(jié)果。從圖中的時(shí)域、頻域分析看出來，圖4(a)中的干擾具有明顯的周期性，幅值在200 mV左右；改進(jìn)后的電路共模抑制能力更強(qiáng)，效果更佳。

    采用改進(jìn)后的電路，將傳感器吸附在鐵架上，然后通過敲擊鐵架，獲得振動(dòng)壓電信號(hào)，采集結(jié)果如圖5所示，可以看出信號(hào)信噪比較好，共模干擾較小，充分證明了改進(jìn)后電路的優(yōu)越性，可以使壓電信號(hào)較為準(zhǔn)確擷取，出色的完成壓電信號(hào)采集的任務(wù)。

4 結(jié)語
    提出了以共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路為特點(diǎn)的壓電信號(hào)放大電路前置級(jí)方案。實(shí)驗(yàn)顯示，該方案能有效提高共模抑制比。該設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)踐，對(duì)于壓電信號(hào)的采集適應(yīng)性很強(qiáng)。