加速度傳感器信號(hào)增益的軟件實(shí)時(shí)控制

張建新，張 合

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京210094)

電荷放大器作為一種直接將電荷量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的放大電路，廣泛應(yīng)用于壓電傳感器、光電傳感器等類型傳感器的信號(hào)調(diào)理電路中，而且，電荷放大器也是壓電式加速度傳感器信號(hào)調(diào)理電路中最常用的前置放大電路［1］。壓電式加速度傳感器的信號(hào)調(diào)理電路在設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)輸出電壓靈敏度進(jìn)行標(biāo)定，在標(biāo)定過(guò)程中，由于不同的傳感器具有不同的電荷靈敏度，而又希望進(jìn)入采樣的電壓輸出信號(hào)具有相同的電壓靈敏度，這中間就要不斷的調(diào)整電荷放大器的反饋電容等電路元器件來(lái)調(diào)整電荷放大器輸出信號(hào)的增益［2－3］。同時(shí)，在某些測(cè)試過(guò)程中不同階段要求有不同輸出的靈敏度，要求系統(tǒng)能夠隨著信號(hào)的變化相應(yīng)地自動(dòng)改變放大系統(tǒng)的增益。而此時(shí)，通過(guò)改變硬件上的任何元器件，都已經(jīng)是不可行的了［4］。

為了實(shí)現(xiàn)電荷放大器的便捷標(biāo)定與增益的軟件實(shí)時(shí)控制，本文通過(guò)分析壓電式加速度傳感器調(diào)整電路的特點(diǎn)，在前級(jí)電荷放大器后增加一個(gè)由微控制器控制的可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器組成的可調(diào)增益的后級(jí)電壓放大電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)加速度傳感器輸出信號(hào)的自動(dòng)標(biāo)定和增益的可變控制。

1 壓電加速度傳感器的信號(hào)調(diào)理

電荷放大器可以看作是一個(gè)具有深度電容負(fù)反饋的高增益放大器，通常它的前級(jí)采用了一個(gè)運(yùn)算放大器作輸入級(jí)，通常其等效應(yīng)用電路如圖1所示［5］。

圖1 壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路

放大器的輸出電壓

考慮到運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益足夠大，則運(yùn)算放大器的反向輸入端的電位接近于“零”電位;而集成運(yùn)算放大器的輸入阻抗都很高，放大器的輸入端幾乎沒(méi)有分流，電荷q只對(duì)反饋電容Cf充電，充電電壓接近于放大器的輸出電壓，即

式中，Uo為電荷放大器的輸出電壓;q為傳感器輸出的電荷量;Cf為電荷放大器的反饋電容。

由式(2)可以看出，電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容的大小有關(guān)，而與放大器開(kāi)環(huán)增益、反饋電阻或電纜電容等均無(wú)關(guān)。因此，對(duì)于特定的傳感器，要調(diào)整其輸出靈敏度的大小，必須選擇容量適當(dāng)?shù)碾娙葑鳛榉答侂娙荩?］。而在傳感器標(biāo)定過(guò)程中，要改變調(diào)理電路輸出靈敏度的大小以及元器件的大小是比較繁瑣的工作;同時(shí)對(duì)于有些要求在測(cè)試過(guò)程中改變輸出電壓靈敏度的應(yīng)用情況，反饋電容的實(shí)時(shí)改變就更是不可行的了，因?yàn)殡姾煞糯笃魇强糠答侂娙軨f來(lái)調(diào)整增益的，在改變量程時(shí)反饋電容Cf上必須沒(méi)有電荷，輸出為0 V，否則電容Cf帶走的電荷將給增益增加后的輸出信號(hào)帶來(lái)很大的誤差。

對(duì)于電壓放大電路，由可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，則可以實(shí)時(shí)的改變控制電壓的大小來(lái)改變放大電路的增益。因此，可以將壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)經(jīng)由電荷放大器構(gòu)成的一級(jí)信號(hào)放大后，再經(jīng)過(guò)可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大電路，實(shí)現(xiàn)二級(jí)可變?cè)鲆娣糯蟆?/p>

2 可變?cè)鲆娴膶?shí)現(xiàn)

2.1 可變?cè)鲆娴膶?shí)現(xiàn)方法

可變?cè)鲆娴膶?shí)現(xiàn)方法，通常采用如圖2所示的反向比例運(yùn)算電路，是靠改變集成運(yùn)算放大的反饋電阻Rf或者輸入電阻R來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法往往需要外接多路模擬開(kāi)關(guān)改變電阻［7－9］。但這種方法所實(shí)現(xiàn)的增益變化連續(xù)性差，需要同時(shí)改變電阻Rf和R′的大小，因此需要同時(shí)改變兩個(gè)通道的阻值。

圖2 反向比例運(yùn)算電路

如果采用由電壓控制的可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆?，則只需改變放大器的控制電壓，即可實(shí)現(xiàn)增益的連續(xù)變化［10－11］。

2.2 可變?cè)鲆娴淖饔眠^(guò)程

圖3是能夠?qū)崿F(xiàn)可變?cè)鲆婵刂乒δ艿膲弘娂铀俣葌鞲衅餍盘?hào)調(diào)理系統(tǒng)的工作原理圖。

圖3 加速度傳感器信號(hào)調(diào)理可變?cè)鲆婵刂乒ぷ髟?/p>

壓電加速度傳感器感受到其所受的過(guò)載信號(hào)以電荷量q輸出，經(jīng)過(guò)電荷放大器將電荷信號(hào)q轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的初級(jí)放大;然后經(jīng)過(guò)可變?cè)鲆嬲{(diào)整部分，將電壓信號(hào)進(jìn)一步放大到適當(dāng)?shù)姆秶?，再?jīng)濾波電路，輸入到微處理器進(jìn)行AD采樣。微處理器根據(jù)采樣值的大小，控制增益調(diào)整部分，從而實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆妗?/p>

2.3 用可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆婵刂?/h3>

可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器可以通過(guò)微處理器控制，提供較大的增益范圍，而且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)整，在可變?cè)鲆嬲{(diào)理電路中實(shí)現(xiàn)增益的連續(xù)可調(diào)。

AD603是AD(ANALOG DEVICES)公司推出的一種低噪聲電壓控制增益的運(yùn)算放大器。它提供精確的、可由管腳選擇的增益，且增益是線性變化的，增益變化范圍為40 dB，增益控制轉(zhuǎn)換比例為25 mV/dB，變化范圍所需時(shí)間小于1 μs。此芯片的詳細(xì)參數(shù)信息及使用方法在此不作過(guò)多介紹。

3 硬件電路實(shí)現(xiàn)

電路的主要器件采用一個(gè)微處理器C8051F410、一個(gè)可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器AD603和一個(gè)雙通道的集成運(yùn)算放大器TLC2262和電源芯片構(gòu)成，其中微控制器C8051F410集成了兩個(gè)12位的電流模式數(shù)/模轉(zhuǎn)模塊(IDAC)，將兩個(gè)電流輸出引腳接到電阻，通過(guò)軟件指令控制輸出電流的變化來(lái)控制微控制器輸出腳兩端電壓的變化，從而來(lái)控制可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器的增益。集成運(yùn)算放大器中的兩個(gè)通道分別用來(lái)構(gòu)成電荷放大器和一個(gè)二階的低通濾波器。

可變運(yùn)算放大器的增益計(jì)算如下:

式中，VG是差動(dòng)式輸入的增益控制電壓(引腳GPOS和GNEG之間的電壓)，范圍是－0.5 V～+0.5 V;G0增益起點(diǎn)，與所接的反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，可以是10 dB，20 dB，30 dB。根據(jù)前級(jí)電荷放大器輸出信號(hào)的范圍，此處可以選擇相應(yīng)的增益調(diào)整范圍，例如將引腳FDBK通過(guò)一個(gè)18 pF的電容接地，則G0=30，則增益可調(diào)范圍是+10 dB～+50 dB。

壓電加速度傳感器輸出電荷量q，經(jīng)電荷放大器進(jìn)行初級(jí)放大，初級(jí)放大倍數(shù)為固定值，信號(hào)經(jīng)過(guò)初級(jí)放大一定倍數(shù)后進(jìn)入可變?cè)鲆孢\(yùn)算電路，進(jìn)行二級(jí)放大。二級(jí)放大電路的增益控制端由微處理器輸出電流模式數(shù)/模轉(zhuǎn)模塊(IDAC)來(lái)控制其大小。

4 可變?cè)鲆婵刂频膽?yīng)用

4.1 在加速度傳感器標(biāo)定系統(tǒng)中的應(yīng)用

對(duì)于傳感器—放大器系統(tǒng)，為了使不同靈敏度的傳感器對(duì)同一加速度測(cè)量都有相同的輸出，實(shí)現(xiàn)歸一化輸出，也為了確定系統(tǒng)輸出的電壓值所代表的實(shí)際加速度值，需要對(duì)傳感器—放大器系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定［12］。通常的標(biāo)定過(guò)程是先通過(guò)理論計(jì)算出電荷放大器的反饋電容值Cf，然后在沖擊臺(tái)上通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出的加速度值作對(duì)比，改變Cf來(lái)調(diào)整電荷放大器的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)待標(biāo)定系統(tǒng)的輸出。由于電容大小的不連續(xù)性，使電荷放大器的增益經(jīng)常不能在需要的范圍內(nèi)。

在可變?cè)鲆婵刂葡到y(tǒng)中，改變系統(tǒng)增益是靠改變可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆婵刂颇_兩端電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此電荷放大部分的反饋電容Cf不用改變。本試驗(yàn)用的壓電傳感器電荷靈敏度范圍分布在0.02～0.065 pC/g，要將傳感器系統(tǒng)的輸出范圍調(diào)整到測(cè)試 ±30 000 g時(shí)輸出電壓在1.6±1.5 V，即每1 V電壓對(duì)應(yīng)于20 000 g過(guò)載。電荷放大器反饋電容選擇4.7 nF，則可變運(yùn)算放大器的增益調(diào)整范圍為+11.16 dB ～ +21.40 dB，因此，可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器的增益范圍可選擇為+10 dB～+50 dB，增益計(jì)算公式:

標(biāo)定過(guò)程為:先將可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆婵刂齐妷汗潭ㄔ冢?.45 V，即將增益設(shè)為12 dB，使可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)較小，然后給加速度傳感器一次沖擊信號(hào)，微控制器通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集到加速度傳感器的輸出信號(hào)，從信號(hào)幅值計(jì)算此時(shí)加速度傳感器的輸出電壓靈敏度，如果不是所需靈敏度，則通過(guò)計(jì)算程序，計(jì)算出可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)，重新調(diào)理可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆娲笮?，此時(shí)的增益大小即為所需要的值，整個(gè)標(biāo)定過(guò)程只需一次沖擊測(cè)試即可，實(shí)現(xiàn)了待測(cè)加速度傳感器與標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器輸出的一致。表1和表2分別是在標(biāo)定傳感器前后信號(hào)調(diào)理電路的輸出情況，圖4和圖5是用示波器采集的對(duì)應(yīng)輸出電壓波形。

表1 調(diào)整增益前的信號(hào)輸出

表2 調(diào)整增益后的信號(hào)輸出

4.2 在多量程測(cè)試中的應(yīng)用

在測(cè)試彈體在整個(gè)彈道環(huán)境中的加速度過(guò)載過(guò)程中，加速度傳感器在不同階段所受的沖擊過(guò)載相差極大，因此，隨著信號(hào)的變化相應(yīng)地自動(dòng)改變傳感器—放大器系統(tǒng)的增益是很有必要的。

圖4 調(diào)整增益前的標(biāo)定信號(hào)輸出波形

圖5 調(diào)整增益后的標(biāo)定信號(hào)輸出波形

應(yīng)用此可變?cè)鲆婵刂葡到y(tǒng)測(cè)試了迫彈在侵徹混凝土過(guò)程中的加速度過(guò)載。彈體膛內(nèi)的加速度值為2 000 gn～3 000 gn，飛行過(guò)程中的加速度值接近于0、侵徹混凝土過(guò)程中的加速度值為20 000 gn～30 000 gn，發(fā)射過(guò)載與侵徹過(guò)載的幅值相差近10倍。由此特點(diǎn)，可以采取彈在不同階段采用不同增益的方法，充分利用信號(hào)的量程，提高信號(hào)的分辨率:標(biāo)定傳感器系統(tǒng)正常輸出電壓靈敏度為20 000 gn/V，此時(shí)可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆鏋?5.2 dB。當(dāng)彈在膛內(nèi)發(fā)射時(shí)，將放大倍數(shù)擴(kuò)大10倍，可變?cè)鲆娣糯笃髟鲆鏋?5.2 dB，此時(shí) VG=0.380 V。當(dāng)微處理器檢測(cè)到彈發(fā)射過(guò)載的下降沿后，開(kāi)始記錄并存儲(chǔ)加速度傳感器輸出的信號(hào)值，經(jīng)過(guò)50 ms后，微處理器再將可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆嬲{(diào)整到標(biāo)定時(shí)設(shè)置的25.2 dB，恢復(fù)到原來(lái)增益的大小，微處理器繼續(xù)采樣并存儲(chǔ)加速度傳感器輸出的信號(hào)值。存儲(chǔ)測(cè)試過(guò)程采用了負(fù)延時(shí)觸發(fā)的方式，完整記錄下了整個(gè)彈道過(guò)程中彈體所受加速度信號(hào)的變化。圖6是彈載存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)記錄下的過(guò)載數(shù)據(jù)，在膛內(nèi)發(fā)射階段過(guò)載值比較小，采用電壓靈敏度比較大的增益，可以充分利用信號(hào)調(diào)理空間，提高膛內(nèi)小信號(hào)的分辨率。圖7是將膛內(nèi)過(guò)載恢復(fù)到實(shí)際值后的過(guò)載曲線。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)記錄的過(guò)載數(shù)據(jù)曲線

圖7 膛內(nèi)過(guò)載恢復(fù)到實(shí)際值后的過(guò)載曲線

5 結(jié)論

在壓電加速度傳感器信號(hào)調(diào)理電路中采用兩級(jí)放大的方法，第一級(jí)電荷放大器實(shí)現(xiàn)固定增益的輸出，第二級(jí)可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆孑敵觯渲胁恍枰淖內(nèi)魏斡布娐吩骷?，只需要通過(guò)微處理器指令控制其電流模式數(shù)/模轉(zhuǎn)模塊(IDAC)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)信號(hào)處理電路的可變?cè)鲆孢M(jìn)行軟件實(shí)時(shí)控制。壓電加速度傳感器輸出信號(hào)可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器法可變?cè)鲆婵刂圃趥鞲衅鳂?biāo)定過(guò)程中能夠方便、快捷、準(zhǔn)確的計(jì)算出電壓增益，去除了繁瑣的硬件元件變動(dòng);同時(shí)其增益的實(shí)時(shí)可調(diào)性也在可變?cè)鲆嫘盘?hào)調(diào)理中具有很好的應(yīng)用性。

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