摘要：壓電傳感器輸出的壓電信號較弱，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，時壓電信號前置放大電路做了重要改進，提出了具有共模電壓并聯(lián)負反饋電路的壓電信號放大電路前置級方案。實驗顯示，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；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)，將被測力、加速度、超聲等物理量轉(zhuǎn)換為電信號進行輸出。壓電式傳感器的輸出阻抗很高，輸出信號較弱、又常常疊加著強的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很高的共模抑制比。
基于儀用放大器來實現(xiàn)壓電信號的前置放大電路是一類常見的方法。因為儀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。本文將對現(xiàn)有的常見的基于儀用放大器的壓電信號前置放大電路具體做法進行分析，提出改進方案，并進行實驗驗證。
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源，采用儀用放大器來測量浮地壓電信號源，一般容易想到的接法有3種，如圖1所示：(a)為直接將信號源連至儀放兩同相端作為差分輸入；(b)為信號源一端接至儀放的參考地；(c)為通過2個等值電阻引出信號源的共模信號，并聯(lián)至儀放的參考地。
對圖1(a)所示接法，可以想象，存在這樣的問題。當(dāng)壓電信號源相對于儀放參考地的共模信號很大時，將導(dǎo)致前置放大電路飽和或截止，不能正常工作。而實際中，特別是有強電磁場的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，共模電壓信號可能達到二、三十伏甚至更高。因此，這種接法是不可行、不實用的。
對圖1(b)所示接法，壓電信號源的負端和儀放參考地連在了一起。與圖1(a)相比，這種接法，壓電信號源不再浮地，輸入信號相對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，這種接法對儀放而言是一種不平衡的接法，壓電信號源高輸出阻抗意味著這種不平衡將帶來一些問題，如造成外界對正負端的共模干擾轉(zhuǎn)化為差模輸入，進而使儀用放大器的抗干擾能力下降。
對圖1(c)所示接法，從2個同阻值的電阻中間引出導(dǎo)線連接到儀放參考地。兩個同阻值電阻中間引出的信號電位為VR=(Vi1+Vi2)／2，剛好是輸入信號的共模成分。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小；特別是，未考慮共模成分抑制的動態(tài)過程。實際中，由于高的電路阻抗等原因，這種接法對外來的共模干擾的抑制衰減可能要花一些時間，因此，其抑制共模能力還應(yīng)想辦法進一步提高。
2 前置放大電路的改進
提出的前置放大電路的改進方案如圖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，其值為(VI1+VI2)／2，剛好是輸入壓電信號源的共模成分；首先讓其通過普通運放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，起保護作用；然后，對其進行反相放大，通過運放A5組成反相積分電路來實現(xiàn)，輸入輸出關(guān)系見式(2)；最后，將反相放大的共模信號，通過一個限流保護電阻R12加到共模點VR。
以上電路改進的本質(zhì)是：實現(xiàn)了輸入信號共模成分的電壓并聯(lián)負反饋。與圖1(c)方案相比，由于采用了負反饋，從而會起到更快速地衰減共模干擾的作用。圖1中3種接法信號經(jīng)過儀放中A1和A2后，若共模信號的放大倍數(shù)是1；采用圖2的負反饋電路后，共模信號經(jīng)過儀放中A1和A2后放大倍數(shù)為1／(1+|F|)，F(xiàn)為負反饋放大倍數(shù)，F(xiàn)越大，則共模抑制能力越強。
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稱等因素造成共模信號轉(zhuǎn)化為差模信號，則本方案也無能為力。因此，在電路實現(xiàn)時要考慮電路的對稱性問題，盡量使電路對稱，選擇高精度的電阻和高質(zhì)量的運放。
3 實驗及結(jié)果
本實驗采用常見的振動壓電傳感器，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，其共模抑制比高達115 dB，輸入阻抗高達1010Ω。普通運算放大器A4、A5使用TL081，其是一款低噪聲低溫漂且使用較為廣泛的運放。RG選取千分之一精度的阻值為2．2 kΩ的電阻。可計算出儀放增益為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，自然隨機激勵下的電路前置級放大結(jié)果如圖3(a)所示。發(fā)現(xiàn)前置放大后信號的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，自然隨機激勵下的電路放大結(jié)果如圖3(b)所示，共模信號較圖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所示改進接法的兩種放大電路在相同的自然隨機激勵下的電路放大結(jié)果。從圖中的時域、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；改進后的電路共模抑制能力更強，效果更佳。
采用改進后的電路，將傳感器吸附在鐵架上，然后通過敲擊鐵架，獲得振動壓電信號，采集結(jié)果如圖5所示，可以看出信號信噪比較好，共模干擾較小，充分證明了改進后電路的優(yōu)越性，可以使壓電信號較為準(zhǔn)確擷取，出色的完成壓電信號采集的任務(wù)。
4 結(jié)語
提出了以共模電壓并聯(lián)負反饋電路為特點的壓電信號放大電路前置級方案。實驗顯示，該方案能有效提高共模抑制比。該設(shè)計已經(jīng)應(yīng)用于實踐，對于壓電信號的采集適應(yīng)性很強。
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