CN108768310B - 一种用于压电传感器的低噪声电荷放大器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于压电传感器的低噪声电荷放大器及其实现方法，属于电荷‑电压信号调理领域，本发明要解决的技术问题为如何采集放大压电晶体传感器产生的微弱电荷信号，采用的技术方案为：其结构包括机壳，机壳内设置有电荷到电压转换模块电压信号调理模块、低通滤波模块、输出缓冲模块和内部低噪声电源调理模块，电荷到电压转换模块的输出端与电压信号调理模块连接，电压信号调理模块的输出端与低通滤波模块连接，低通滤波模块的输出经过输出缓冲模块送到输出端口；内部低噪声电源调理模块分别连接电荷到电压转换模块、电压信号调理模块、低通滤波模块和输出缓冲模块为其供电。本发明还公开了用于压电传感器的低噪声电荷放大器的实现方法。

Description

一种用于压电传感器的低噪声电荷放大器及其实现方法

技术领域

本发明涉及电荷-电压信号调理领域，具体地说是一种用于压电传感器的低噪声电荷放大器及其实现方法。

背景技术

压电晶体可以将力、位移、加速度等输入物理量变换成电荷量输出，由这一特性所设计的压电晶体传感器具有广泛的应用，例如测量加速度、振动、物体形变、压力等。

根据压电传感器的工作原理，可以将其等效成一个具有高输出阻抗的微弱电荷源。如何采集放大压电晶体传感器产生的微弱电荷信号是目前存在的技术问题。

专利号为CN1770627A的专利文献公开了自适应型偏置可变增益低噪声放大器的自动反馈控制方法，该方法由电荷泵充电网络将低噪声放大器输出信号转换成直流信号，反馈控制低噪声放大器第一级的增益和第一级的偏置电流。但是是一种“电压”放大器，其输入阻抗较低，无法有效地对压电传感器的高内阻信号进行放大，因此无法实现“电荷”放大器的功能。

专利号为CN104270108A的专利文献公开了一种电荷放大器，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。该技术方案存在如下不足之处：

(1)、电荷放大器设计核心是利用反馈电容和反馈电阻并联构成集成运算放大器的负反馈网络，放大器下限截止频率取决于反馈电阻和反馈电容的乘积，要实现比较小的低频截止频率需要大的反馈电容或反馈电阻；但是，反馈电容增大会降低电荷放大器的灵敏度，而反馈电阻的增加会增加电路噪声、导致零点漂移、增加生产成本；

(2)、低通滤波模块采用了一阶低通滤波方案，其过渡带较宽、阻带衰减较小；

(3)、该技术方案未考虑对50Hz工频干扰进行抑制，50Hz工频干扰极易通过容性耦合向放大器注入显著电流，这会极大地降低信噪比。

发明内容

本发明的技术任务是提供一种用于压电传感器的低噪声电荷放大器及其实现方法，来解决如何采集放大压电晶体传感器产生的微弱电荷信号的问题。

本发明的技术任务是按以下方式实现的，一种用于压电传感器的低噪声电荷放大器，该放大器包括机壳，机壳内设置有电荷到电压转换模块(Q/V转换模块)、电压信号调理模块、低通滤波模块、输出缓冲模块和内部低噪声电源调理模块，电荷到电压转换模块的输出端与电压信号调理模块连接，电压信号调理模块的输出端与低通滤波模块连接，低通滤波模块的输出经过输出缓冲模块送到输出端口；

内部低噪声电源调理模块分别连接电荷到电压转换模块、电压信号调理模块、低通滤波模块和输出缓冲模块为其供电。

作为优选，所述电荷到电压转换模块包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、反馈电容Cf、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2；

其中，运算放大器U1A和反馈电容Cf组成电荷转电压核心电路；运算放大器U1B、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2构成有源T型反馈网络，可以向下扩展低频截止频率并稳定零点漂移。

作为优选，所述电压信号调理模块包括运算放大器U1C、运算放大器U1D、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电位器R10、电阻R11、电阻R12和电位器R13；

其中，运算放大器U1C、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电位器R10组成第一级电压放大电路；运算放大器U1D、电阻R11、电阻R12和电位器R13组成第二级电压放大电路，最高可实现126dB的电压增益。

作为优选，所述低通滤波模块包括运算放大器U2A、运算放大器U2B、运算放大器U2C、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7；其中，电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7组成五阶巴特沃斯滤波器，实现比较陡峭的频域特性。

作为优选，所述输出缓冲模块包括运算放大器U2D、电阻R19和电阻R20，可以提升输出电流能力、降低输出电阻。

作为优选，所述内部低噪声电源调理模块由第一级稳压转换模块和第二级稳压转换模块组成，第一级稳压转换模块由高频DC-DC开关稳压芯片产生正电压和负电压，第二级稳压转换模块由线性稳压芯片产生低噪声正电压和负电压。

更优地，所述内部低噪声电源调理模块连接有外部电源适配器，外部电源适配器采用单极性直流电源，避免将50Hz电磁干扰引入屏蔽机壳内部，有效降低50Hz工频干扰、改善信噪比。

作为优选，所述机壳的一侧侧面上设置有电荷放大器信号输出接口和电荷放大器信号输入接口，机壳相对的另一侧侧面上设置有外部电源适配器输入插座、内部低噪声电源调理模块的线性稳压负电源输出VEE指示灯安装孔和内部低噪声电源调理模块的线性稳压正电源输出VCC指示灯安装孔。

更优地，所述机壳采用金属机壳，金属机壳实现外部电磁屏蔽，优选铝合金机壳。

一种用于压电传感器的低噪声电荷放大器的实现方法，该实现方法包括如下步骤：

(1)、压电传感器输出的电荷信号送入电荷到电压转换模块；

(2)、电荷到电压转换模块将压电传感器输出的电荷信号转变成微弱电压信号；

(3)、通过电压信号调理模块将该微弱电压信号的幅度放大到合适的大小；

(4)、调理后的电压信号进一步送入低通滤波模块进行滤波，来降低高频干扰；

(5)、滤波后的信号经由输出缓冲模块从信号输出端口输出信号。

本发明的用于压电传感器的低噪声电荷放大器及其实现方法与现有技术相比具有以下优点：

(一)、本发明采用由运算放大器U1B、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2构成有源T型反馈网络，显著降低电荷到电压转换模块所需的反馈电阻的阻值，从而降低了电荷到电压转换模块中电路的电阻热噪声，并且通过有源T型反馈网络可以抑制电压输出零点漂移，同时可以利用较小的反馈电阻实现较低的下限截止频率；

(二)、低通滤波模块采用了由电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7组成五阶巴特沃斯滤波器，实现比较陡峭的频域特性；同时采用高阶滤波方案，可以实现较窄的过渡带和更大的阻带衰减；

(三)、内部低噪声电源调理模块中采用DC-DC开关稳压和线性稳压两级调理显著降低了电源噪声，有效降低了50Hz工频干扰，提高了信噪比；

(四)、本发明不仅减轻了电荷放大器的重量，缩小了电荷放大器的体积，而且降低了电荷放大器的成本，同时采集并放大了压电晶体传感器产生的微弱电荷信号。

故本发明具有设计合理、结构简单、体积小、使用方便、一物多用等特点，因而，具有很好的推广使用价值。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

附图1为用于压电传感器的低噪声电荷放大器结构框图；

附图2为本发明的AC信号分析曲线图；

附图3为电荷到电压转换模块的电路原理图；

附图4为电压信号调理模块的电路原理图；

附图5为电压信号调理模块的第一级电压放大电路与电位器R10接入系数α之间的关系曲线图；

附图6为低通滤波器模块的电路原理；

附图7为输出缓冲模块的电路原理图；

附图8为内部低噪声电源调理模块的原理框图；

附图9为机壳的结构示意图；

附图10为机壳的另一角度结构示意图；。

图中：1、压电传感器，2、电荷到电压转换模块，3、电压信号调理模块，4、低通滤波模块，5、输出缓冲模块，6、内部低噪声电源调理模块，7、机壳，8、外部电源适配器，9、电荷放大器信号输出接口，10、电荷放大器信号输入接口，11、外部电源适配器输入插座，12、内部低噪声电源调理模块的线性稳压负电源输出VEE指示灯安装孔，13、内部低噪声电源调理模块的线性稳压正电源输出VCC指示灯安装孔。

具体实施方式

参照说明书附图和具体实施例对本发明的一种用于压电传感器的低噪声电荷放大器及其实现方法作以下详细地说明。

实施例：

如附图1所示，本发明的用于压电传感器的低噪声电荷放大器,其结构包括机壳7，机壳7内有电荷到电压转换模块2、电压信号调理模块3、低通滤波模块4、输出缓冲模块5和内部低噪声电源调理模块6，电荷到电压转换模块2的输出端与电压信号调理模块3连接，电压信号调理模块3的输出端与低通滤波模块4连接，低通滤波模块4的输出经过输出缓冲模块5送到输出端口；内部低噪声电源调理模块6分别连接电荷到电压转换模块2、电压信号调理模块3、低通滤波模块4和输出缓冲模块5为其供电。

如附图9和10所示，机壳7的一侧侧面上设有电荷放大器信号输出接口9和电荷放大器信号输入接口10，机壳7相对的另一侧侧面上设有外部电源适配器输入插座11、内部低噪声电源调理模块的线性稳压负电源输出VEE指示灯安装孔12和内部低噪声电源调理模块的线性稳压正电源输出VCC指示灯安装孔13。机壳7采用铝合金机壳，金属机壳7实现外部电磁屏蔽。机壳7的尺寸120(L)×90(W)×75(H)mm。

如附图3所示，电荷到电压转换模块2包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、反馈电容Cf、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2；其中，运算放大器U1A和反馈电容Cf组成电荷转电压核心电路；运算放大器U1B、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2构成有源T型反馈网络，可以向下扩展低频截止频率并稳定零点漂移。

反馈电容Cf跨接到运算放大器U1A的管脚二和管脚一之间，电阻R1和电阻R2串联起来后再与反馈电容Cf并联；电阻R1和电阻R2的公共连接端再与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端连接到运算放大器U1B的管脚七；电阻R4的一端连接到运算放大器U1B的反相输入管脚六，电阻R4的另一端接地；电容C1跨接在运算放大器U1B的管脚六和管脚七之间；电阻R5一端连接到运算放大器U1B的同相输入管脚五，电阻R5另一端连接到运算放大器U1A的输出管脚一；电容C2一端连接到运算放大器U1B的同相输入管脚五，电容C2另一端接地。

具体地，送入Q/V转换模块2的电荷经过反馈电容Cf转化成电压量，输出电压为：

其中，C_s表示压电传感器的等效电容，q_s表示压电传感器产生的电荷量，u_s表示压电传感器产生的电压，Cf表示反馈电容的容量。

具体地，该电路的电压放大倍数为：

其中，j代表虚数单位，即j²＝-1；ω为角频率；

当R₄＝R₅、C₁＝C₂、R₁﹥﹥1、R₁﹥﹥1时，Q/V转换模块的电压放大倍数近似为其下限工作频率为/>

如附图4所示，电压信号调理模块3包括运算放大器U1C、运算放大器U1D、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电位器R10、电阻R11、电阻R12和电位器R13；其中，运算放大器U1C、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电位器R10组成第一级电压放大电路；电压信号调理模块3的第一级电压放大电路与电位器R10接入系数α之间的关系曲线图，如附图5所示，该电荷放大器在输出Out1至Out4处的典型频率响应曲线，其中，低通滤波模块4输出Out4的截止频率为10kHz，在15kHz处衰减40dB。

根据附图4可知，可以得到第一级电压放大输入电压Vout1与输出电压Vout2之间的关系为：

根据该公式，当R₆＝3.9kΩ、R₈＝3.3kΩ、R₉＝1kΩ、R₁₀＝100kΩ时，可以得到电压信号调理模块3的第一级电压放大电路与电位器R10接入系数α之间的关系曲线图，如附图5所示，可知当α＝0.5时，最大增益可达106dB。

其中，电压信号调理模块3的第二级电压放大电路由运算放大器U1C、电阻R11、电阻R12和电位器R13组成同相比例放大电路，实现约20dB的电压增益，可以对第一级电压放大电路输出的电压进一步放大；电阻R11的一端连接第一级电压放大电路中的运算放大器U1D的管脚十四，电阻R11的另一端连接运算放大器U1C的同相输入管脚十；电位器R13两端分别连接运算放大器U1C的反相输入管脚九和输出管脚八，电位器R13的中间管脚连接到运算放大器U1C的反相输入管脚九。

如附图6所示，低通滤波模块4包括运算放大器U2A、运算放大器U2B、运算放大器U2C、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7；其中，电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7组成五阶巴特沃斯滤波器，实现比较陡峭的频域特性，如附图2所示，该电荷放大器在输出Out1至Out4处的典型频率响应曲线，其中，低通滤波模块4输出Out4的截止频率为10kHz，在15kHz处衰减40dB。

其中，低通滤波模块4是5阶巴特沃斯低通滤波器，围绕运算放大器U2A、运算放大器U2B和运算放大器U2C构成；电阻R14的一端连接到电压信号调理模块的输出端，电阻R14的另一端连接运算放大器U2A的反向输入管脚三以及电容C3的一端，电容C3的另一端接地；运算放大器U2A的输出管脚一与反相输入管脚二以及电容R15的一端连接；电容R16一端连接电阻R15，电容R16另一端连接运算放大器U2B的同相输入管脚三和电容C4的一端，电容C4另一端接地；电容C5跨接运算放大器U2B输出管脚七和电阻R16及电阻R15的连接端；运算放大器U2B的输出管脚七与反相输入管脚六以及电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端与电阻R18串联，电阻R18的另一端连接到运算放大器U2C的同相输入管脚十和电容C6的一端，电容C6的另一端接地；电容C7跨接运算放大器U2C的输出管脚八和电阻R17及电阻R18的连接端；运算放大器U2C的输出管脚八反馈至反相输入管脚九。其中，调整电阻和电容数值可以实现上限截止频率的调整。

如附图7所示，输出缓冲模块5包括运算放大器U2D、电阻R19和电阻R20，可以提升输出电流能力、降低输出电阻。低通滤波器模块4的输出送给由运算放大器U2D构成的电压跟随器，通过输出缓冲模块5，电路的输出电流典型数值为10mA(取决于实际所选择运算放大器的输出能力)。

如附图8所示，内部低噪声电源调理模块6由第一级稳压转换模块和第二级稳压转换模块组成，第一级稳压转换模块由高频DC-DC开关稳压芯片产生正电压和负电压，第二级稳压转换模块由线性稳压芯片产生低噪声正电压和负电压。内部低噪声电源调理模块6连接有外部电源适配器8，外部电源适配器8采用单极性直流电源，避免将50Hz电磁干扰引入屏蔽机壳内部，有效降低50Hz工频干扰、改善信噪比。

外部电源适配器8的单极性电源送入内部低噪声电源调理模块6，再利用第一级稳压转换模块和第二级稳压转换模块这两级调理模式进一步稳定电压、减小电源噪声。第一级稳压转换模块由开关稳压芯片设计而成，实现正电源到正负电源的转换，典型输出电压为正负12V。第二级稳压转换模块由线性稳压模块进行进一步稳压至正负12V，使得供应给信号调理电路的电源噪声低于5mV。

实施例2：

基于实施例1的用于压电传感器的低噪声电荷放大器的实现方法，该实现方法包括如下步骤：

(1)、压电传感器1输出的电荷信号送入电荷到电压转换模块2；

(2)、电荷到电压转换模块2将压电传感器1输出的电荷信号转变成微弱电压信号；

(3)、通过电压信号调理模块3将该微弱电压信号的幅度放大到合适的大小；

(4)、调理后的电压信号进一步送入低通滤波模块4进行滤波，来降低高频干扰；

(5)、滤波后的信号经由输出缓冲模块5从信号输出端口输出信号。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种用于压电传感器的低噪声电荷放大器，其特征在于，该放大器包括机壳，机壳内设置有电荷到电压转换模块、电压信号调理模块、低通滤波模块、输出缓冲模块和内部低噪声电源调理模块，电荷到电压转换模块的输出端与电压信号调理模块连接，电压信号调理模块的输出端与低通滤波模块连接，低通滤波模块的输出经过输出缓冲模块送到输出端口；

内部低噪声电源调理模块分别连接电荷到电压转换模块、电压信号调理模块、低通滤波模块和输出缓冲模块为其供电；

电荷到电压转换模块包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、反馈电容Cf、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2；

其中，运算放大器U1A和反馈电容Cf组成电荷转电压核心电路；运算放大器U1B、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2构成有源T型反馈网络，向下扩展低频截止频率并稳定零点漂移；反馈电容Cf跨接到运算放大器U1A的管脚二和管脚一之间，电阻R1和电阻R2串联起来后再与反馈电容Cf并联；电阻R1和电阻R2的公共连接端再与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端连接到运算放大器U1B的管脚七；电阻R4的一端连接到运算放大器U1B的反相输入管脚六，电阻R4的另一端接地；电容C1跨接在运算放大器U1B的管脚六和管脚七之间；电阻R5一端连接到运算放大器U1B的同相输入管脚五，电阻R5另一端连接到运算放大器U1A的输出管脚一；电容C2一端连接到运算放大器U1B的同相输入管脚五，电容C2另一端接地；

电压信号调理模块包括运算放大器U1C、运算放大器U1D、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电位器R10、电阻R11、电阻R12和电位器R13；

其中，运算放大器U1C、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电位器R10组成第一级电压放大电路；运算放大器U1D、电阻R11、电阻R12和电位器R13组成第二级电压放大电路；

低通滤波模块包括运算放大器U2A、运算放大器U2B、运算放大器U2C、电阻R14 、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻 R18、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7；其中，电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7组成五阶巴特沃斯滤波器；

内部低噪声电源调理模块由第一级稳压转换模块和第二级稳压转换模块组成，第一级稳压转换模块由高频DC-DC开关稳压芯片产生正电压和负电压，第二级稳压转换模块由线性稳压芯片产生低噪声正电压和负电压。

2.根据权利要求1所述的用于压电传感器的低噪声电荷放大器，其特征在于，所述输出缓冲模块包括运算放大器U2D、电阻R19和电阻R20。

3.根据权利要求1或2所述的用于压电传感器的低噪声电荷放大器，其特征在于，所述内部低噪声电源调理模块连接有外部电源适配器，外部电源适配器采用单极性直流电源。

4.根据权利要求1所述的用于压电传感器的低噪声电荷放大器，其特征在于，所述机壳的一侧侧面上设置有电荷放大器信号输出接口和电荷放大器信号输入接口，机壳相对的另一侧侧面上设置有外部电源适配器输入插座、内部低噪声电源调理模块的线性稳压负电源输出VEE指示灯安装孔和内部低噪声电源调理模块的线性稳压正电源输出VCC指示灯安装孔。

5.根据权利要求1或4所述的用于压电传感器的低噪声电荷放大器，其特征在于，所述机壳采用金属机壳。

6.一种用于压电传感器的低噪声电荷放大器的实现方法，其特征在于，该实现方法包括如下步骤：

（1）、压电传感器输出的电荷信号送入电荷到电压转换模块；

（2）、电荷到电压转换模块将压电传感器输出的电荷信号转变成微弱电压信号；

（3）、通过电压信号调理模块将该微弱电压信号的幅度放大到合适的大小；

（4）、调理后的电压信号进一步送入低通滤波模块进行滤波，来降低高频干扰；

（5）、滤波后的信号经由输出缓冲模块从信号输出端口输出信号；

其中，电荷到电压转换模块包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、反馈电容Cf、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2；运算放大器U1A和反馈电容Cf组成电荷转电压核心电路；运算放大器U1B、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2构成有源T型反馈网络，向下扩展低频截止频率并稳定零点漂移；反馈电容Cf跨接到运算放大器U1A的管脚二和管脚一之间，电阻R1和电阻R2串联起来后再与反馈电容Cf并联；电阻R1和电阻R2的公共连接端再与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端连接到运算放大器U1B的管脚七；电阻R4的一端连接到运算放大器U1B的反相输入管脚六，电阻R4的另一端接地；电容C1跨接在运算放大器U1B的管脚六和管脚七之间；电阻R5一端连接到运算放大器U1B的同相输入管脚五，电阻R5另一端连接到运算放大器U1A的输出管脚一；电容C2一端连接到运算放大器U1B的同相输入管脚五，电容C2另一端接地；

电压信号调理模块包括运算放大器U1C、运算放大器U1D、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电位器R10、电阻R11、电阻R12和电位器R13；

其中，运算放大器U1C、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电位器R10组成第一级电压放大电路；运算放大器U1D、电阻R11、电阻R12和电位器R13组成第二级电压放大电路；

低通滤波模块包括运算放大器U2A、运算放大器U2B、运算放大器U2C、电阻R14 、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻 R18、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7；其中，电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7组成五阶巴特沃斯滤波器；

内部低噪声电源调理模块由第一级稳压转换模块和第二级稳压转换模块组成，第一级稳压转换模块由高频DC-DC开关稳压芯片产生正电压和负电压，第二级稳压转换模块由线性稳压芯片产生低噪声正电压和负电压。