CN104270108B - 一种电荷放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电荷放大器，其解决了现有电荷放大器噪音大、输出信号不可调、无法和微控制器等数字电路直接连接的技术问题，其包括电荷转电压模块、可调电压放大模块、可调低通滤波模块、AD转换模块和模拟输出接口模块，可调电压放大模块与电荷转电压模块连接，可调低通滤波模块与可调电压放大模块连接，AD转换模块和模拟输出接口模块分别与可调低通滤波模块连接。其广泛用于电荷量信号的转换和放大处理。

Description

一种电荷放大器
技术领域
本发明涉及一种信号处理电路，具体说是一种电荷放大器。
背景技术
目前，如压电式加速度传感器、压力传感器、压电式水听器等电容性传感器在工作时，输出正比于被测物理量的电荷量，而且具有较好的线性度。然而，产生的电荷量都比较微弱，因此需要一种电荷放大器，对产生的电荷量进行转换和放大处理。
申请号为201310700690.7，申请公布号为CN 103633956 A的中国发明专利，公开了一种电荷放大器，其存在以下三点缺陷：
(1)将低通滤波电路放置在功率放大电路之前，由于低通滤波电路自身也会产生噪音，经过功率放大电路后噪音被放大，将影响输出信号的信噪比；
(2)其中的信号调整电路十分简单，无法有效实现调整功能；
(3)该电荷放大器只具有模拟输出接口，无法和微控制器等数字电路直接连接。
发明内容
本发明就是为了解决现有电荷放大器噪音大、输出信号不可调、无法和微控制器等数字电路直接连接的技术问题，提供一种极低噪音、输出信号幅度可调、输出信号带宽可调、兼具模拟输出和数字输出的电荷放大器。
本发明的技术方案是，提供一种电荷放大器，包括电荷转电压模块、可调电压放大模块、可调低通滤波模块、AD转换模块和模拟输出接口模块，可调电压放大模块的输入端与电荷转电压模块的输出端连接，可调电压放大模块的输出端与可调低通滤波模块的输入端连接，可调低通滤波模块的输出端分别与AD转换模块和模拟输出接口模块的输入端连接；
电荷转电压模块包括第一运算放大器、第一电容、第二电容、第一电阻和第二电阻；第二电容和第二电阻并联后一端与第一运算放大器的正相输入端连接，另一端接地；第一电容和第一电阻并联后一端与第一运算放大器的反相输入端连接，另一端与第一运算放大器的输出端连接；第一运算放大器的反相输入端用于与压电传感器的输出端连接；
可调电压放大模块包括第二运算放大器、第三电阻、第五电阻和第一可调电阻，第二运算放大器的反相输入端与第一运算放大器的输出端之间通过第三电阻连接；第二运算放大器的正相输入端通过第五电阻接地，第二运算放大器的反相输入端和第二运算放大器的输出端之间通过第一可调电阻连接；
可调低通滤波模块包括第三运算放大器、第八电阻、第三电容、第二可调电阻和第三可调电阻；第三运算放大器的正相输入端与第二运算放大器的输出端之间通过第八电阻连接，第三运算放大器的反相输入端通过第二可调电阻接地；第三电容和第三可调电阻并联后一端与第三运算放大器反相输入端连接，另一端与第三运算放大器的输出端连接。
本发明的有益效果是，可以匹配不同的压电传感器，具有广泛的适应性，可以根据不同的被测物理量特性选择不同的带宽具有最佳的信噪比，同时具备模拟接口和数字接口，使用更方便。本发明大幅提高了信噪比。
本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是电荷转电压模块的电路原理图；
图3是可调电压放大模块的电路原理图；
图4是可调低通滤波模块的电路原理图。
图中符号说明：
1.压电传感器；2.电荷转电压模块；3.可调电压放大模块；4.可调低通滤波模块；5.AD转换模块；6.微控制器；7.通信接口模块；8.模拟输出接口模块；9.压电传感器等效电路；C1.第一电容，C2.第二电容，C3.第三电容；R1.第一电阻，R2.第二电阻，R3.第三电阻，R4.第一可调电阻，R5.第五电阻，R6.第二可调电阻，R7.第三可调电阻，R8.第八电阻；U1.第一运算放大器，U2.第二运算放大器，U3.第三运算放大器。
具体实施方式
以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，压电传感器1的输出端与电荷转电压模块2连接，可调电压放大模块3与电荷转电压模块2连接，可调低通滤波模块4与可调电压放大模块3连接，AD转换模块5与可调低通滤波模块4连接，微控制器6与AD转换模块5连接，通信接口模块7与微控制器6连接，模拟输出接口模块8与可调低通滤波模块4连接。
压电传感器1输出的电荷量经过电荷转电压模块2转化成电压量，经可调电压放大模块3放大到一定幅度，可调低通滤波模块4将可调电压放大模块3输出的信号中的高频噪音信号滤除。可调低通滤波模块4输出的模拟信号分成两路，一路经模拟输出接口模块8输出；另一路经AD转换模块5转换成数字量，该数字量信号被微控制器6读取并经通信接口模块7输出。
如图2所示，压电传感器等效电路9的输出端与第一运算放大器U1的反相输入端(第2引脚)连接，第二电容C2和第二电阻R2并联后一端与第一运算放大器U1的正相输入端(第3引脚)连接，另一端与地连接。第一电容C1和第一电阻R1并联后一端与第一运算放大器U1的反相输入端连接，另一端与第一运算放大器U1的输出端(第6引脚)连接。该电路的第二电阻R2的作用是匹配第一电阻R1，避免第一运算放大器U1出现较大失调，第二电容C2的作用是吸收第二电阻R2产生的噪音。
该电路的输出电压为-Ct×ut/C1＝-q/C1，其中q为压电传感器1输出的电荷量。该电路对应的最低工作频率为1/2πR1C1。
如图3所示，第三电阻R3的一端与第一运算放大器U1的输出端连接，另一端与第二运算放大器U2的反相输入端(第2引脚)连接。第二运算放大器U2的正相输入端(第3引脚)通过第五电阻R5接地，第二运算放大器U2的反相输入端和输出端之间连接有第一可调电阻R4。该电路实现反相放大功能，放大倍数为-R4/R3。
如图4所示，第八电阻R8的一端与第二运算放大器U2的输出端连接，另一端与第三运算放大器U3的正相输入端(第3引脚)连接。第三运算放大器U3的反相输入端(第2引脚)通过第二可调电阻R6接地。第三电容C3和第三可调电阻R7并联后一端与第三运算放大器U3反相输入端连接，另一端与第三运算放大器U3的输出端连接。
该电路的高频截止频率为1/2πR7C3，通过调整第三可调电阻R7可实现对高频截止频率的调整，从而实现不同的低通滤波带宽。第二可调电阻R6的作用是匹配第三可调电阻R7的阻值，使其阻值与第三可调电阻R7的阻值相同。
需要说明的是，AD转换模块5可选用LTC2201芯片，微控制器6可选用SUM3U4E芯片，通信接口模块7可选用USB接口。
以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种电荷放大器，其特征是，包括电荷转电压模块、可调电压放大模块、可调低通滤波模块、AD转换模块和模拟输出接口模块，所述可调电压放大模块的输入端与所述电荷转电压模块的输出端连接，所述可调电压放大模块的输出端与所述可调低通滤波模块的输入端连接，所述可调低通滤波模块的输出端分别与所述AD转换模块和所述模拟输出接口模块的输入端连接；
所述电荷转电压模块包括第一运算放大器、第一电容、第二电容、第一电阻和第二电阻；所述第二电容和所述第二电阻并联后一端与所述第一运算放大器的正相输入端连接，另一端接地；所述第一电容和所述第一电阻并联后一端与所述第一运算放大器的反相输入端连接，另一端与所述第一运算放大器的输出端连接；所述第一运算放大器的反相输入端用于与压电传感器的输出端连接；
所述可调电压放大模块包括第二运算放大器、第三电阻、第五电阻和第一可调电阻，所述第二运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端之间通过所述第三电阻连接；所述第二运算放大器的正相输入端通过所述第五电阻接地，所述第二运算放大器的反相输入端和所述第二运算放大器的输出端之间通过所述第一可调电阻连接；
所述可调低通滤波模块包括第三运算放大器、第八电阻、第三电容、第二可调电阻和第三可调电阻；所述第三运算放大器的正相输入端与所述第二运算放大器的输出端之间通过所述第八电阻连接，所述第三运算放大器的反相输入端通过所述第二可调电阻接地；所述第三电容和所述第三可调电阻并联后一端与所述第三运算放大器反相输入端连接，另一端与所述第三运算放大器的输出端连接。
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