測(cè)壓系統(tǒng)信號(hào)的設(shè)計(jì)與仿真

引言

20世紀(jì)80年代初期，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，國外報(bào)道了利用存儲(chǔ)器芯片作為信息載體的數(shù)字存儲(chǔ)測(cè)試儀。20世紀(jì)90年代，傳感器與微型電子記錄儀組為一體的存儲(chǔ)測(cè)試產(chǎn)品在國際上出現(xiàn)。存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)是從七十年代開始的一種新的彈上參數(shù)的測(cè)試方法，它是在不影響被測(cè)對(duì)象或影響在允許范圍的條件下，在被測(cè)體內(nèi)置入微型數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)測(cè)試儀，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)完成信息的快速采集與記憶，事后回收記錄儀，由計(jì)算機(jī)處理和再現(xiàn)測(cè)試信息的一種動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)。電子測(cè)壓器就是存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)的典型產(chǎn)品，它用于膛內(nèi)壓力內(nèi)實(shí)測(cè)膛壓參數(shù)，該動(dòng)態(tài)壓力參數(shù)是評(píng)定火炮、火藥裝藥、彈丸和引信等的彈道性能好壞的重要依據(jù)。

信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路在測(cè)壓系統(tǒng)中的作用

信號(hào)調(diào)理的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理，其作用可以歸納為以下三點(diǎn):

a)傳感器輸出的電荷信號(hào)要轉(zhuǎn)化成后續(xù)電路可以處理的電信號(hào)。

b)傳感器輸出的電信號(hào)很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到記錄儀器中去，需要前置放大器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大。

c)電信號(hào)中混雜有干擾噪音，在檢測(cè)電路中需要設(shè)置濾波電路，目的是去除混雜在有用信號(hào)中的各種干擾，通過消除噪音來提高信噪比，對(duì)零位誤差和增益誤差進(jìn)行補(bǔ)償和修正。

調(diào)平衡電路

由于電橋電阻的初始電阻值不完全相同，再加上連接導(dǎo)線電阻的串入，在未感受應(yīng)變時(shí)，電橋存在初始不平衡，如果太嚴(yán)重將占據(jù)儀器的動(dòng)態(tài)范圍，影響儀器的正常工作。儀表放大器除了對(duì)微弱的信號(hào)進(jìn)行線性放大，還擔(dān)負(fù)著匹配和抗共模干擾的任務(wù)，因此，要求儀表放大器具有高共模抑制比、高速度、寬頻帶、高精度、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪音。

自動(dòng)調(diào)平電路由X9C103、全橋電路以及附加適當(dāng)?shù)拈T電路組成。

本文設(shè)計(jì)的應(yīng)變測(cè)量電橋由工作電阻應(yīng)變片、溫度補(bǔ)償電阻應(yīng)變片和兩個(gè)與所選電阻應(yīng)變片阻值相等的精密電阻組成。但由于這四個(gè)電阻的初始電阻值不完全相同，再加應(yīng)變片與測(cè)量電路之間需要用導(dǎo)線連接，由于導(dǎo)線本身存在一定的電阻，而且它和電阻應(yīng)變片串聯(lián)在測(cè)量電路的橋臂上，所以導(dǎo)線的電阻也是橋臂電阻的一部分，但它本身不參加變形。在未感受應(yīng)變時(shí)，使電橋存在初始的不平衡。如果此初始不平衡太嚴(yán)重，測(cè)量結(jié)果將存在一定的誤差。為了提高測(cè)量精度，有必要對(duì)初始電阻及導(dǎo)線引起的誤差進(jìn)行修正。

電阻平衡調(diào)節(jié)電路如圖2所示。

如圖1所示，平衡電路由固定電阻Rb和電位器Ra組成。其中心抽頭將Ra分成xRa和(1-x)Ra兩部分。如圖2所示，x可從0變化到1，當(dāng)x=0時(shí)電位器的抽頭連接到C點(diǎn)，使得Rb和R2 并聯(lián)。當(dāng)x=1時(shí)電位器的抽頭連接到A點(diǎn)，使得Rb和R1 并聯(lián)。

儀表放大電路

在大多數(shù)儀器和測(cè)量裝置中，電橋的輸出端接到放大器的輸入端，因現(xiàn)代集成放大器的輸入阻抗往往在10MΩ以上。在這種接法中，電橋的輸出電流小到可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為電橋的輸出對(duì)角是開路的。

本文設(shè)計(jì)的應(yīng)變測(cè)量放大電路，選用美國TI公司的INA128，它是一種低電壓通用型儀表放大器。由于特性優(yōu)良，加之體積小，并可用一個(gè)外部電阻方便地從1到10000設(shè)定增益，使得INA128能夠廣泛應(yīng)用于信號(hào)采集放大、醫(yī)用儀器及多通道系統(tǒng)等很多領(lǐng)域，可以在低至±2.25V的電源電壓下工作并且靜態(tài)工作電流很小，是便攜式和其它用電池供電系統(tǒng)的理想器件。
 

放大器由兩級(jí)串聯(lián)，前級(jí)是兩個(gè)同項(xiàng)放大器，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，輸入信號(hào)加在A1、A2的同項(xiàng)輸入端，從而具有高抑制共模干擾的能力和高輸入阻抗。后級(jí)是差動(dòng)放大器，它不僅切斷共模干擾的傳輸，還將雙端輸入方式變換成單端輸出的方式，適應(yīng)對(duì)地負(fù)載的需要。

INA128采用激光刻蝕，有低閥值電壓（50μV/℃）和高常規(guī)模式下的衰減，及較低供電電壓，可低至供電靜態(tài)電流僅有700A，所以，電池供電很理想。內(nèi)部輸入保護(hù)可在40V內(nèi)而不受損壞。

INA128的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
 

INA128的基本連接中用一個(gè)獨(dú)立的外部電阻RG可以獲得的放大倍數(shù)為：G=1+50kΩ/RG。

式中50kΩ為INA128內(nèi)部的兩個(gè)放大器反饋電阻之和，它們都經(jīng)過激光校正，具有很高的精度和很小的溫度系數(shù)，手冊(cè)給定的器件性能已經(jīng)包括了它們的影響。外接電阻的精度及溫度穩(wěn)定性直接影響增益，特別是增益較大時(shí)(G≥100)，連線及插口的電阻也會(huì)對(duì)增益帶來附加誤差。也就是說，式中的RG值應(yīng)為外接電阻與連線等雜散電阻的總和。

噪聲干擾

INA128的內(nèi)部噪聲很小，當(dāng)G≥100時(shí)，0.1Hz到10Hz的低頻噪聲輸出的電壓信號(hào)大約只有0.2μVp-p,這比目前最新的低噪聲斬波放大器還要小很多。為減小外部干擾和電源噪聲的影響，應(yīng)在緊靠電源引腳的地方接去耦電容器。

失調(diào)補(bǔ)償

INA128經(jīng)過激光校正，因此，失調(diào)和溫漂都很小，多數(shù)情況下無需調(diào)整，必要時(shí)可對(duì)電路進(jìn)行外部補(bǔ)償。加電壓跟隨器將調(diào)零電路與儀表放大器加以隔離，維持引腳Ref的低阻抗，保證了放大器良好的共模抑制比。

共模輸入信號(hào)范圍

若輸入信號(hào)中的共模電壓過大時(shí)，會(huì)使輸入放大器飽和。在臨界飽和時(shí)，VO的輸出電壓為VO=VCM－VO/2。INA128的線性輸入范圍大約從電源-1.7V到+1.4V。對(duì)于確定的電源電壓，輸出電壓Vo越大，允許的共模信號(hào)越小。

低電壓運(yùn)行

INA128的最大特點(diǎn)是適用的電源電壓范圍很寬。電源電壓從±2.25V到±18V變化時(shí)，大部分參數(shù)仍能維持很好的性能，其具體電路如圖6所示。

濾波電路設(shè)計(jì)

壓力傳感器的信號(hào)經(jīng)過調(diào)平衡電路和儀表放大器之后為了達(dá)到比較理想的測(cè)量效果，往往還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，去除信號(hào)中疊加的噪聲干擾。本文計(jì)劃采用二階壓控低通濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器信號(hào)的濾波。測(cè)量系統(tǒng)從傳感器拾取的信號(hào)中，往往包含噪聲和許多與被測(cè)量無關(guān)的信號(hào)，并且原始的測(cè)量信號(hào)經(jīng)傳輸、放大、交換、運(yùn)算及各種其他處理過程，也會(huì)混入各種不同的噪聲，從而影響測(cè)量的精度。這些噪聲一般隨機(jī)性很強(qiáng)，很難分布于頻率域中某一特定的頻帶中。信號(hào)分離電路一般利用濾波器從頻率域中實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的抑制，提取所需的測(cè)量信號(hào)，是各種測(cè)量系統(tǒng)中必可少的組成部分。在實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)中，如果要求我們放大的是微弱的小信號(hào)，在放大的同時(shí)一些干擾信號(hào)也隨之放大，嚴(yán)重的影響了我們的測(cè)試質(zhì)量，因此，需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。前置濾波電路(抗混疊濾波器)是我們削弱噪聲一種常用手段。濾波器的主要功能是讓指定頻段信號(hào)能較順利地通過，而對(duì)其它頻段信號(hào)起到衰減作用。在高沖擊場(chǎng)的測(cè)試中，前期需要抑制的主要是高頻信號(hào)，以避免在一定的采樣頻率下造成信號(hào)頻譜的混疊。需要設(shè)計(jì)低通濾波器來進(jìn)行預(yù)處理。低通濾波器的作用是使高頻信號(hào)盡可能的衰減，而使有用的低頻信號(hào)順利通過。

濾波器的類型

按照所處理信號(hào)形式的不同，濾波器可分為模擬與數(shù)字兩大類。二者在功能特性方面，有許多相似之處，在結(jié)構(gòu)組成方面有又有很大的區(qū)別。前者處理對(duì)象為連續(xù)的模擬信號(hào)，而后者則為離散的數(shù)字信號(hào)。

濾波器對(duì)不同的頻率的信號(hào)有三種不同的選擇作用：

（1） 在通頻帶內(nèi)信號(hào)受到很小的衰減而通過。

（2） 在阻帶內(nèi)使信號(hào)受到很大的衰減而抑制。

（3） 在通帶和阻帶之間的一段過渡帶受到不同程度的衰減。

濾波器對(duì)不同頻率帶在全頻帶中分布的位置不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率信號(hào)的選擇作用。根據(jù)所選擇的頻率濾波器四種類型即：高通、低通、帶通、帶阻。此外還有一種全通濾波器，各種信號(hào)都內(nèi)能夠通過，但相位有不通的變化，他實(shí)際是一種移相器。根據(jù)電路的組成又可以分為L(zhǎng)C無源濾波器、RC無源濾波器、LC有源濾波器和RC有源濾波器。根據(jù)傳遞函數(shù)則可分為一階濾波器，二階濾波器和高階濾波器。

電源電路介紹與信號(hào)調(diào)理電路的仿真

任何電子設(shè)備都離不開電源，為了使壓力傳感器中的惠斯通電橋能夠正常工作，我們需要提供比較準(zhǔn)確的電源，并且其紋波電壓一定要非常小。

電源電路的作用

電源控制技術(shù)是放入式電子測(cè)試儀器實(shí)現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵技術(shù)。簡(jiǎn)言之，即電路在需要工作時(shí)給其供電，在不需工作時(shí)斷電，減小電路無效操作時(shí)功耗的比例。此時(shí)系統(tǒng)有多種電源供電，采用單電池電源實(shí)現(xiàn)多分支電源網(wǎng)絡(luò)管理，使得系統(tǒng)各功能模塊的電源相對(duì)獨(dú)立供電，在不工作時(shí)可以分別斷電，以節(jié)省功耗，但此時(shí)需要注意帶電部分和不帶電部分的兼容問題。

電源芯片的選擇

目前比較常用的電源芯片有7325、7333、7350、AD587等，這些電源芯片分別能夠輸出穩(wěn)定的2.5V、3.3V、5V、10V電壓，通過旁路電容的設(shè)計(jì)，其紋波電壓較小，比較適合用來做電源控制電路。

電橋采用恒壓電源供電時(shí)必須保證供電電壓在采樣頻率，負(fù)載等諸多外部環(huán)境改變的情況下保持高度穩(wěn)定，在實(shí)際應(yīng)用中不使用專門的穩(wěn)壓電源很難做到這一點(diǎn)，因此，本設(shè)計(jì)中采用LP2987作為專門的電源。

信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)及仿真

仿真的過程可分為以下幾個(gè)步驟：

1.數(shù)據(jù)輸入：將用戶創(chuàng)建的電路圖結(jié)構(gòu)、元件數(shù)據(jù)讀入，選擇分析方法；

2.參數(shù)設(shè)置：程序會(huì)檢查輸入數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及電路中闡述的內(nèi)容對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.電路分析：對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分析，它是電路仿真的關(guān)鍵。它將形成電路的數(shù)值解，并將所得數(shù)據(jù)送到輸出極。

4.數(shù)據(jù)輸出：從測(cè)試儀器如示波器等上點(diǎn)獲得仿真運(yùn)行結(jié)果。并進(jìn)行分析。
 

由于在仿真庫中無法找到INA128芯片，所以，根據(jù)該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可采取應(yīng)用具體芯片連接的方法進(jìn)行放大部分的仿真。放大器由兩級(jí)串聯(lián)，前級(jí)是兩個(gè)同項(xiàng)放大器，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，輸入信號(hào)加在A1、A2的同項(xiàng)輸入端，從而具有高擬制共模干擾的能力和高輸入阻抗。后級(jí)是差動(dòng)放大器，它不僅切斷共模干擾的傳輸，還將雙端輸入方式變換成單端輸出的方式，適應(yīng)對(duì)地負(fù)載的需要.其輸入基準(zhǔn)電壓值根據(jù)設(shè)計(jì)的需要值為125V。

(1)具體波形從濾波器可以看出輸入波形的幅度為20mV，偏置電壓值為0.25V，而輸出波形的幅度則為2.4V，約為輸入波形的幅度的100倍，與設(shè)計(jì)要求基本相一致。如圖11所示輸出波形為A通道，量程為2V/格。輸入波形為B通道，量程為2mV/格。

(2)從圖中我們可以看出：

a 幅頻特性：

如圖12，在截止頻率158.7KHz處，幅頻特性為3.024dB,在平直段則為6.032dB。3.024-6.032≈-3dB。

b 相頻特性 ：

由公式得抗混疊濾波器的截止頻率。仿真結(jié)果（圖13）中，相位在-90.17°處，頻率為159.4KHZ，與理論值160KHz近似相等。

總結(jié)

本文在分析國內(nèi)外壓力測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)電阻應(yīng)變式測(cè)壓傳感器設(shè)計(jì)了電橋的調(diào)平電路、信號(hào)放大電路、濾波電路以及電源電路。壓力傳感器輸出信號(hào)非常微弱，難于測(cè)量和分析，測(cè)試結(jié)果誤差較大，設(shè)計(jì)壓力傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路和恒壓電源電路得到穩(wěn)定、放大、不失真的輸出信號(hào)有理論價(jià)值和實(shí)際意義。采用由X9C103、全橋電路以及附加適當(dāng)?shù)拈T電路組成自動(dòng)調(diào)平電路；采用儀表放大器INA128為核心構(gòu)成放大電路；采用放大器OPA340構(gòu)成二階低通濾波器；采用專用電源芯片構(gòu)成恒壓電源電路。使用Protel專用電路設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)了電路設(shè)計(jì)，使用EWB電路仿真軟件完成信號(hào)調(diào)理電路的仿真。仿真結(jié)果表明，放大電路實(shí)現(xiàn)了信號(hào)100倍的放大，低通濾波電路截止頻率為159Hz，與理論值相同，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。將各模塊進(jìn)行綜合，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器的調(diào)平、濾波和電源控制，并且繪制原理圖，對(duì)該電路進(jìn)行仿真。