CN113252942A - 一种用于icp加速度计的宽频高精度信号调理器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于ICP加速度计的宽频高精度信号调理器，包括恒流源电路、高通滤波电路、电压跟随电路、单端转差分电路、放大电路；恒流源电路中设置多组恒流值，可以根据工程中实际使用的加速度计，切换至合适的电流值，使加速度计发挥出更好的性能。放大电路中设置有多组放大倍数，可以根据工程中实际需要关注的加速度信号大小，切换至合适的放大倍数，同时通过调节AD8221的供电电源来设定输出电压的范围。通过设置AD8221电源电压和放大倍数的大小，将振动加速度信号调整为±5V的标准电压信号，并输出到数据采集设备。采用放大电路可以提高后续数据采集的精度。本发明电路简单、成本低。
Description
技术领域
本发明属于加速度计信号调理技术领域，涉及一种用于ICP加速度计的宽频高精度信号调理器。
背景技术
在航空航天等领域的应用中，振动问题突出。在某些场合，主动控制要求对振动进行精密测量。由于振动具有频带宽的特点，需要设计一种宽频高精度信号调理器来满足后续采集设备的需求。压电加速度计输出信号是微弱的电荷量，其输出阻抗高达108Ω以上，不利于信号的采集和处理。ICP加速度计是一种集成了微型IC放大器的压电加速度计，其通过内置的微型IC放大器将压电加速度计输出的高阻抗电荷量转换成低阻抗的电压量。由于其具有抗干扰能力强、精度高、噪声低、长线传输误差小等优越的性能，被广泛应用于航空航天、车辆船舶、工业检测及地震预测等领域的宽频振动测量中。
ICP加速度计通常为两线制输出形式，信号输出和IC放大器供电共用一根线，信号地和电源地共用另一根线，输出信号线可采用同轴电缆或普通双绞线。由于ICP加速度计内置微型IC放大器，需要恒流源对其进行供电，而不是传统电路中的恒压源供电。ICP加速度计输出的有用信号为与振动加速度成正比的交流信号，其叠加在输出直流偏压上，不是通常意义上的以地为参考点，需要采用高通滤波电路将直流偏值干扰进行滤除。高通滤波电路的输出信号直接与数据采集设备进行通信时，后续数据采集精度较低，可以通过放大电路将较弱的有用电压信号进行放大，以提高后续数据采集的精度。由于以上原因需要设计ICP加速度计信号调理器，为加速度计提供激励源，同时对加速度计的信号进行调理，其性能的优劣将直接影响后级数据采集设备的整体测量精度。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于ICP加速度计的宽频高精度信号调理器，用于宽频振动环境下，重点关注0.5g以内的加速度信号。
技术方案
一种用于ICP加速度计的宽频高精度信号调理器，其特征在于包括连接接收ICP加速度计信号的高通滤波电路，通过顺序连接的电压跟随电路、单端转差分电路和放大电路至输出端，以及为ICP加速度计提供恒流供电的恒流源电路；所述高通滤波电路采用RC电路，下限截止频率f＝1/(2*π*R3*C1)；所述电压跟随电路采用AC706芯片，高阻抗3端子连接高通滤波电路输出端，1端子和2端子为低阻抗输出端，5端子接地；所述单端转差分电路采用采用AC706芯片，3端子连接电压跟随电路的低阻抗输出端，1端子和2端子为正输出端，7端子为负输出端，6端子通过R6电阻连接负输出端，通过R5电阻反馈连接输入3端子；所述放大电路采用AD8221芯片，1端子连接差分电路正输出端，4端子连接差分电路负输出端，2端子与3端子之间连接放大倍数选择开关和电阻群组，7端子为放大带你路输出端，信号正负7伏满足要求，最大输出电压为正负16伏；所述恒流源电路采用三端可调恒流源，提供ICP加速度计工作电源。
所述恒流源电路外围电路包括2个电阻和1个硅二极管，2、3、6和7端子通过硅二极管连接输出电压端，输出电压端通过Ri电阻反馈1端子，Ri电阻在R2、R4、R6和R8之间选择，硅二极管另一端通过Rj电阻反馈1端子，Rj电阻在R1、R3、R5和R7之间选择；所述Rj＝10*Ri，U1的输出电流值遵循Iset≈0.134V/Ri，输出的电流值在2mA、4mA、6mA和8mA之间切换。
所述放大电路的放大倍数选择开关S2和5个电阻组成的电阻组，S2为单刀六掷开关，放大倍数遵循G＝1+49.4KΩ/Rk，Rk为电阻群组内任意电阻R12、R13、R14、R15或R16，放大倍数在991、495、100、50.4、10和1之间切换。
所述AC706芯片的4端子和8端子分别通过C5和C2电容接地。
所述三端可调恒流源电路采用LM134、LM234或LM334。
有益效果
本发明提出的一种用于ICP加速度计的宽频高精度信号调理器，包括恒流源电路、高通滤波电路、电压跟随电路、单端转差分电路、放大电路；恒流源电路用于为ICP加速度计提供恒流供电，高通滤波电路用于滤除ICP加速度计输出信号中的直流偏置，电压跟随电路用于对经过高通滤波电路后输出的高阻抗信号进行缓冲，单端转差分电路用于将经过电压跟随电路后输出的单端信号转化为差分信号，更好的抑制和滤除共模干扰信号，放大电路用于对经过单端转差分电路后输出的差分信号进行放大，提高后级数据采集的精度。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明电路简单、成本低。
2、恒流源电路中设置多组恒流值，可以根据工程中实际使用的加速度计，切换至合适的电流值，使加速度计发挥出更好的性能。
3、放大电路中设置有多组放大倍数，可以根据工程中实际需要关注的加速度信号大小，切换至合适的放大倍数，同时通过调节AD8221的供电电源来设定输出电压的范围。通过设置AD8221电源电压和放大倍数的大小，将振动加速度信号调整为±5V的标准电压信号，并输出到数据采集设备。采用放大电路可以提高后续数据采集的精度。
附图说明
图1是本发明中ICP加速度计的宽频高精度信号调理器原理框图；
图2是本发明中恒流源电路的原理框图；
图3是本发明中高通滤波电路的原理框图；
图4是本发明中电压跟随电路的原理框图；
图5是本发明中单端转差分电路的原理框图；
图6是本发明中放大电路的原理框图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种用于ICP加速度计的宽频高精度信号调理器，包括恒流源电路、高通滤波电路、电压跟随电路、单端转差分电路、放大电路；
所述恒流源电路用于为ICP加速度计提供恒流供电，并分别与ICP加速度计和高通滤波电路相连；
所述高通滤波电路用于滤除ICP加速度计输出信号中的直流偏置，并分别与ICP加速度计、恒流源电路和电压跟随电路相连；
所述电压跟随电路用于对经过高通滤波电路后输出的高阻抗信号进行缓冲，并分别与高通滤波电路和单端转差分电路相连；
所述单端转差分电路用于将经过电压跟随电路后输出的单端信号转化为差分信号，更好的抑制和滤除共模干扰信号，并分别与电压跟随电路和放大电路相连；
所述放大电路用于对经过单端转差分电路后输出的差分信号进行放大，提高后级数据采集的精度，并与单端转差分电路相连。
进一步的，所述恒流源电路包括8个不同阻值的电阻，分别为R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8，可以根据不同工程项目的需要接入不同阻值的电阻，实现输出的电流值在2mA、4mA、6mA和8mA之间切换。
进一步的，所述恒流源电路中8个不同阻值的电阻分为4组，通过两个电阻控制电流值的切换，其中R1和R2为一组、R3和R4为一组、R5和R6为一组、R7和R8为一组。
进一步的，所述高通滤波电路采用一阶RC高通滤波器，用于滤除直流偏置电压信号，使后续电路的输入信号为加速度计输出的交流信号。
进一步的，所述电压跟随电路为同相电压跟随电路，其可以对信号进行缓冲，用于电路的阻抗匹配。
进一步的，所述单端转差分电路包括同相电压跟随电路和反相放大器电路，其可以抑制共模干扰对有用信号的影响。
进一步的，所述放大电路包括5个不同阻值的电阻，分别为R12、R13、R14、R15和R16，可以根据不同工程项目的需要接入不同阻值的电阻，实现有用电压信号的放大倍数在991、495、100、50.4、10之间切换。
进一步的，所述放大电路不接入增益电阻时，放大倍数默认为1，此时的放大倍数误差和放大倍数漂移为最小值，可以实现有用电压信号的放大倍数在991、495、100、50.4、10和1之间切换。
本实施例公开了一种ICP加速度计的宽频高精度信号调理器，如附图1所示，图1是本发明中ICP加速度计的宽频高精度信号调理器原理框图。图1所示的ICP加速度计的宽频高精度信号调理器，用于宽频振动环境下设备的加速度测量问题，该调理器具体包括恒流源电路、高通滤波电路、电压跟随电路、单端转差分电路及放大电路。
1、恒流源电路
ICP加速度计通常为两线制输出形式。信号输出和IC放大器共用一根线，信号地和电源地共用另一条线。输出信号线可采用同轴电缆或普通双绞线。由于内置微型IC放大器，ICP加速度计不是传统电路中的恒压源供电，而需要恒流源对其进行供电。因此需要设计一个恒流源电路，实现输出的电流值在2mA、4mA、6mA和8mA之间切换，如图2所示。
由于LM134、LM234和LM334都是同一系列的三端可调恒流源，其工作电压范围是1V～40V，恒定电流的调节范围是1μA～10mA，外围电路只需2个电阻和1个硅二极管，就可构成接近于零温漂的恒流源。此系列芯片构成的恒流源电路具有结构简单，稳流特性好的优点。
由于ICP加速计不需要特别精确的恒流值，同时LM134、LM234、LM334能产生的最大恒流值为10mA，因此硅二极管D1选择反向击穿电压大于50V同时正向电流大于100mA的常用硅二极管即可，例如硅开关二极管1N4002W。
由于LM134、LM234和LM334的电路原理图一致，只是工作温度范围和价格不同，图1中U1可根据实际工程项目的需要选择合适的型号。当双刀四掷开关S1使R1和R2导通，同时使R3和R4、R5和R6、R7和R8断开时，U1的输出电流值遵循以下公式：
Iset≈0.134V/Ri (1)
Rj＝10*Ri (2)
式中Iset为U1的输出电流值，R1、R2为电阻阻值。
同理可得，R3和R4导通，其他路电阻断开时，U1的输出电流值；R5和R6导通，其他路电阻断开时，U1的输出电流值；R7和R8导通，其他路电阻断开时，U1的输出电流值。
由于输出的电流值在2mA、4mA、6mA和8mA之间切换，如果R1和R2导通，输出2mA恒流值；R3和R4导通，输出4mA恒流值；R5和R6导通，输出6mA恒流值；R7和R8导通，输出8mA恒流值；此时R1≈68Ω，R2≈680Ω，R3≈33Ω，R4≈330Ω，R5≈22Ω，R6≈220Ω，R7≈16Ω，R8≈160Ω。可根据实际工程项目的需要选择其他阻值的电阻，设计恒流源电路，得到所需的恒流值。
2、高通滤波电路
由于ICP加速度计输出的电压信号存在直流偏值，其有用信号叠加在直流偏值电压上，是脉动直流信号。而加速度计的有用信号为与振动加速度成正比的交流信号，其中的直流偏值为干扰需要滤除。直流偏值是平稳直流非脉动直流，可以看作是频率为0Hz的信号。高通滤波电路采用一阶RC高通滤波器，使用该电路将直流偏值干扰信号滤除。如图3所示，截止频率遵循以下公式：
f＝1/(2*π*R3*C1) (3)
式中，f为截止频率，R3为电阻阻值，C1为电容容值。
因为该设计应用于宽频振动领域，为了保留更多的低频交流有用信号，能更好的满足需要的性能，将截止频率设置的很低，其中R3取值为1MΩ，C1取值为47uF，计算得到的截止频率约为0.00339Hz。在实际使用中，可以根据不同项目的需求，选择合适的电阻和电容值。
3、电压跟随电路
经过高通滤波电路后，信号的阻抗有了变化，为了电路的阻抗匹配，需要使用电压跟随电路对信号进行缓冲。该电路的具有高输入阻抗、低输出阻抗、抗干扰能力强、电压增益近似为1的特点，能够起到缓冲、隔离和提高带载能力的作用。如图3所示为电压跟随电路的原理框图，其中运算放大器U2选用型号为AD706；C2和C5为瓷片电容，C2＝0.1uF、C5＝0.1uF用于U2电源的滤波。
4、单端转差分电路
由于本发明应用于宽频振动领域，加速度计采集到的有用信号容易受到共模干扰的影响。因为差分信号具有抗共模干扰能力强的特点，为了抑制信号中的共模干扰，需要使用单端转差分电路，将实际单端信号转换为差分信号，输出给后级电路进行放大。如图4所示为单端转差分电路的原理框图，其中运算放大器U3选用型号为AD706；C3和C4为瓷片电容，C3＝0.1uF、C4＝0.1uF用于U3电源的滤波；R4＝499Ω、R5＝1KΩ、R6＝1KΩ。
5、放大电路
对于较弱的有用电压信号可以通过放大以提高后续数据采集的精度。放大电路采用的是专用高性能可变增益仪表放大器AD8221，具有增益精度高、共模抑制比大、噪声低和增益可编程等优点，可广泛应用于精确数据采集、航空航天仪器系统和生物医学信号分析中。如图6所示为放大电路的原理框图，该电路只需通过改变增益电阻的大小，就可以轻松而精确地设置所需要的增益。当不使用增益电阻时，AD8221的增益默认设置为1，这时的放大倍数误差和放大倍数漂移保持最小值。其中U4选用可变增益仪表放大器AD8221；C5和C6为瓷片电容，C5＝0.1uF、C6＝0.1uF用于U4的电源滤波；C7为钽电容，C7＝22uF用于U4的电源滤波；S2为单刀六掷开关通过切换R12、R13、R14、R15、R16和无电阻通路，实现有用电压信号的放大倍数在991、495、100、50.4、10和1之间切换。当S2使R12导通，其他路断开时，U4的放大倍数遵循以下公式：
G＝1+49.4KΩ/Rk (4)
式中，G为AD8221的放大倍数，R12为电阻阻值。
同理可得，R13导通，其他路断开时，U4的放大倍数；R14导通，其他路断开时，U4的放大倍数；R15导通，其他路断开时，U4的放大倍数；R16导通，其他路断开时，U4的放大倍数；无电阻路导通，其他路断开时，U4的放大倍数。
由于有用电压信号的放大倍数在991、495、100、50.4、10和1之间切换，如果R12导通，其他路断开时，U4的放大倍数为991；如果R13导通，其他路断开时，U4的放大倍数为495；R14导通，其他路断开时，U4的放大倍数为100；R15导通，其他路断开时，U4的放大倍数为50.4；R16导通，其他路断开时，U4的放大倍数为10；无电阻路导通，其他路断开时，U4的放大倍数为1；此时R12≈49.9Ω，R13≈100Ω，R14≈499Ω，R15≈1KΩ，R16≈5.49KΩ。可根据实际工程项目的需要选择其他阻值的电阻，设计放大电路，得到所需的放大倍数。
本发明可扩展至多个通道，各个通道可有不同的电压激励、不同的电流激励、不同的截止频率及不同的电压放大倍数满足不同工程项目的需要。
Claims (5)
1.一种用于ICP加速度计的宽频高精度信号调理器，其特征在于包括连接接收ICP加速度计信号的高通滤波电路，通过顺序连接的电压跟随电路、单端转差分电路和放大电路至输出端，以及为ICP加速度计提供恒流供电的恒流源电路；所述高通滤波电路采用RC电路，下限截止频率f＝1/(2*π*R3*C1)；所述电压跟随电路采用AC706芯片，高阻抗3端子连接高通滤波电路输出端，1端子和2端子为低阻抗输出端，5端子接地；所述单端转差分电路采用采用AC706芯片，3端子连接电压跟随电路的低阻抗输出端，1端子和2端子为正输出端，7端子为负输出端，6端子通过R6电阻连接负输出端，通过R5电阻反馈连接输入3端子；所述放大电路采用AD8221芯片，1端子连接差分电路正输出端，4端子连接差分电路负输出端，2端子与3端子之间连接放大倍数选择开关和电阻群组，7端子为放大带你路输出端，信号正负7伏满足要求，最大输出电压为正负16伏；所述恒流源电路采用三端可调恒流源，提供ICP加速度计工作电源。
2.根据权利要求1所述用于ICP加速度计的宽频高精度信号调理器，其特征在于：所述恒流源电路外围电路包括2个电阻和1个硅二极管，2、3、6和7端子通过硅二极管连接输出电压端，输出电压端通过Ri电阻反馈1端子，Ri电阻在R2、R4、R6和R8之间选择，硅二极管另一端通过Rj电阻反馈1端子，Rj电阻在R1、R3、R5和R7之间选择；所述Rj＝10*Ri，U1的输出电流值遵循Iset≈0.134V/Ri，输出的电流值在2mA、4mA、6mA和8mA之间切换。
3.根据权利要求1所述用于ICP加速度计的宽频高精度信号调理器，其特征在于：所述放大电路的放大倍数选择开关S2和5个电阻组成的电阻组，S2为单刀六掷开关，放大倍数遵循G＝1+49.4KΩ/Rk，Rk为电阻群组内任意电阻R12、R13、R14、R15或R16，放大倍数在991、495、100、50.4、10和1之间切换。
4.根据权利要求1所述用于ICP加速度计的宽频高精度信号调理器，其特征在于：所述AC706芯片的4端子和8端子分别通过C5和C2电容接地。
5.根据权利要求1所述用于ICP加速度计的宽频高精度信号调理器，其特征在于：所述三端可调恒流源电路采用LM134、LM234或LM334。
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