抗高频大信号两线制电荷放大电路的制作方法

1.本实用新型涉及电路控制领域技术，尤其是指一种抗高频大信号两线制电荷放大电路。


背景技术：

2.在航空发动机或其它内燃动力机械中，都需要振动测量。目前在高温环境下，用于测量振动的传感器多采用具有优越特性的输出为电荷的压电效应型加速度传感器。因电荷信号无法直接检测，因此还需配用电荷放大器将电荷信号转换为电压信号，以便对输出的电压信号进行放大、滤波、微积分运算等处理，并进一步输送到后端采集系统中。
3.现有电荷-电压信号转换技术，一般由集成运放加反馈电容构成主体电路再加二级信号增益调节达到用户需要的信号电压范围。现有电荷-电压信号转换技术的主要缺陷在于：
4.1、传统电路结构需要电源单端或双端供电，供电线、信号线及地线需要单独走线，对信号线的数量、布线及成本要求较多。
5.2、由于运算放大器的输出电压及电流的电气性能指标的限制，当输出电压信号的幅度较大时则会因饱和现象而引起非线性失真。
6.3、当传感器因受诸如温度剧变、电磁干扰、共振等原因，必然会产生远大于电荷放大器设定测量范围的等效输出电荷量，从而引起电荷放大器的削波失真甚至达到深度饱和。
7.因此，有必要研究一种方案以解决上述问题。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本实用新型针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种抗高频大信号两线制电荷放大电路，其可减少线束，确保信号不削波失真及深度饱和。
9.为实现上述目的，本实用新型采用如下之技术方案：
10.一种抗高频大信号两线制电荷放大电路，包括有电荷转电压电路、低通滤波电路、交流放大电路以及供电处理电路；该低通滤波电路为六阶低通滤波电路，该电荷转电压电路的输出端与低通滤波电路连接，该低通滤波电路与交流放大电路连接，该交流放大电路与供电处理电路连接，该供电处理电路的电流激励输入端同时也是信号输出端，该供电处理电路分别连接到电荷转电压电路、低通滤波电路和交流放大电路，供电处理电路为电荷转电压电路、低通滤波电路和交流放大电路供电。
11.优选的，所述电荷转电压电路包括场效应管q3、反馈电容cf1、电容c3、电阻r2、电阻r3、电阻r5、电阻r7、电阻r11、电阻r12、电容cf1、电容c4、运算放大器u1a；其中场效应管q3、反馈电容cf1、电阻r2、电阻r3、电阻r7、电容c3、电阻r11组成电荷转电压核心电路；运算放大器u1a、电容c4和r12构成电压跟随电路。
12.优选的，所述供电处理电路的稳压二极管d1经耦合电阻r5给电荷转电压电路供
电，电荷转电压电路的增益由电容c3和反馈电容cf1共同决定，当电容c3容值大于反馈电容cf1容值10倍以上时，输出电压vq≈q/cf1，式中q为压电式加速度传感器的输出电荷；该电荷转电压电路的输出直流电压由场效应管q3的栅源极电压vgs、电阻r3、电阻r7决定，即vq
(dc)
＝vgs
(q3)
*(1+r3/r7)；该电荷转电压电路的低频下限截止频率f
l
＝r7/(2*pi*r2*(r3+r7)*cf1)。
13.优选的，所述低通滤波电路包括运算放大器u1b、运算放大器u2a、运算放大器u2b、运算放大器u3a、电阻r13、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17、电阻r18、电容c6、电容c7、电容c8、电容c9、电容c10和电容c11，其中u3a为电压跟随器。
14.优选的，所述交流放大电路包括运算放大器u3b、电阻r6、电阻r9和电容c1，其中运算放大器u3b的同相输入端pin5由供电处理电路的稳压二极管d1经电阻r8和电阻r11分压后提供。
15.优选的，所述供电处理电路由稳压二极管d1、达林顿管q1、达林顿管q2、电阻r1、电阻r4、电阻r8、电阻r11和保护二极管cr1构成。
16.优选的，所述达林顿管q1和达林顿管q2均采用npn型，该稳压二极管d1选用低稳压电流型二极管。
17.优选的，所述稳压二极管d1的输出电压vz经耦合电阻r5给电荷转电压部分电路供电，同时，稳压二极管d1的输出电压vz连接到运算放大器u1a的同相输入端pin3，为低通滤波部分电路提供直流偏置电压，输出电压vo同时也是给各运算放大器供电的电源vcc。
18.优选的，所述供电处理电路的最终输出直流电压vo＝v
r1
+v1’＝vr1+vz+vbe’＝vz*r11*r1/((r8+r11)*r4)+vz+vbe’，其中v
r1
为电阻r1上的压降，v1’为达林顿管q1的基极电压，vbe’为达林顿管q的基极和发射极之间的电压。当r8＝r11时，vo＝vz*r1/(2*r4)+vz+vbe’。一般情况下，vbe’≈1.4v；该供电处理电路中电阻r1、电阻r4、达林顿管q1组成了信号放大电路，放大倍数为r1/r4，因此，交流放大电路和供电处理电路的信号总增益为r6*r1/(r9*r4)。
19.本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：
20.通过采用恒流源两线制供电，以减少线束，前级电荷转电压电路采用基于场效应管为核心的电路，对信号进行转换和衰减，以降低后续信号处理电路中对运算放大器的电气性能指标要求，并采用基于信号衰减、低通滤波、信号放大、供电处理的信号链路，实现在保证所要求工作频带的幅频特性条件下对高频大信号的抑制，确保信号不削波失真及深度饱和。
附图说明
21.图1是本实用新型之较佳实施例的结构示意框图；
22.图2是本实用新型之较佳实施例的具体电路示意图；
23.图3是本实用新型之较佳实施例中电荷转电压电路的放大示意图；
24.图4是本实用新型之较佳实施例中低通滤波电路的放大示意图；
25.图5是本实用新型之较佳实施例中交流放大电路的放大示意图；
26.图6是本实用新型之较佳实施例中供电处理电路的放大示意图；
27.图7是本实用新型之较佳实施例中低通滤波电路的幅频曲线图。
28.附图标识说明：
29.10、电荷转电压电路
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20、低通滤波电路
30.30、交流放大电路
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40、供电处理电路
31.50、恒流源
具体实施方式
32.请参照图1至图6所示，其显示出了本实用新型之较佳实施例一种抗高频大信号两线制电荷放大电路的具体结构，包括有电荷转电压电路10、低通滤波电路20、交流放大电路30以及供电处理电路40。
33.该电荷转电压电路10采用基于fet的分立器件组成的电荷转电压电路，增益调整为衰减，使得当高频时，输入大信号(电荷)，输出不饱和失真，具体而言，如图3所示，所述电荷转电压电路10包括场效应管q3(n-mosfet)、反馈电容cf1、电容c3、电阻r2、电阻r3、电阻r5、电阻r7、电阻r11、电阻r12、电容cf1、电容c4、运算放大器u1a；其中场效应管q3、反馈电容cf1、电阻r2、电阻r3、电阻r7、电容c3、电阻r11组成电荷转电压核心电路；运算放大器u1a、电容c4和r12构成电压跟随电路；所述供电处理电路40的稳压二极管d1经耦合电阻r5给电荷转电压电路供电，电荷转电压电路10的增益由电容c3和反馈电容cf1共同决定，当电容c3容值大于反馈电容cf1容值10倍以上时，输出电压vq≈q/cf1，式中q为压电式加速度传感器的输出电荷；该电荷转电压电路的输出直流电压由场效应管q3的栅源极电压vgs、电阻r3、电阻r7决定，即vq
(dc)
＝vgs
(q3)
*(1+r3/r7)；该电荷转电压电路的低频下限截止频率f
l
＝r7/(2*pi*r2*(r3+r7)*cf1)。
34.该低通滤波电路20为六阶低通滤波电路，该电荷转电压电路10的输出端与低通滤波电路20连接，该低通滤波电路20与交流放大电路30连接，该低通滤波电路20使得高频时急剧衰减，而工作频带不受影响，以尽可能使高频大信号衰减到可接受范围；具体而言，如图4所示，所述低通滤波电路20包括运算放大器u1b、运算放大器u2a、运算放大器u2b、运算放大器u3a、电阻r13、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17、电阻r18、电容c6、电容c7、电容c8、电容c9、电容c10和电容c11，其中u3a为电压跟随器。
35.该交流放大电路30与供电处理电路40连接，该供电处理电路40的电流激励输入端同时也是信号输出端，该供电处理电路40分别连接到电荷转电压电路10、低通滤波电路20和交流放大电路30，供电处理电路40为电荷转电压电路10、低通滤波电路20和交流放大电路30供电。
36.所述交流放大电路30通过基本的反向放大电路，调节其增益，使得信号链上满足最终增益要求，具体而言，如图5所示，所述交流放大电路30包括运算放大器u3b、电阻r6、电阻r9和电容c1，其中运算放大器u3b的同相输入端pin5由供电处理电路的稳压二极管d1经电阻r8和电阻r11分压后提供。
37.该供电处理电路40接受恒流源50供电，提供电源和电压基准给其它部分电路，恒流源50可以输出5-10ma的电流，同时实现最终输出电压信号和电流激励信号共线，具体而言，如图6所示，所述供电处理电路40由稳压二极管d1、达林顿管q1、达林顿管q2、电阻r1、电阻r4、电阻r8、电阻r11和保护二极管cr1构成。所述达林顿管q1和达林顿管q2均采用npn型，
该稳压二极管d1选用低稳压电流型二极管，以降低恒流源50激励电流的下限。所述稳压二极管d1的输出电压vz经耦合电阻r5给电荷转电压部分电路供电，同时，稳压二极管d1的输出电压vz连接到运算放大器u1a的同相输入端pin3，为低通滤波部分电路提供直流偏置电压，输出电压vo同时也是给各运算放大器供电的电源vcc。所述供电处理电路的最终输出直流电压vo＝v
r1
+v1’＝vr1+vz+vbe’＝vz*r11*r1/((r8+r11)*r4)+vz+vbe’，其中v
r1
为电阻r1上的压降，v1’为达林顿管q1的基极电压，vbe’为达林顿管q的基极和发射极之间的电压。当r8＝r11时，vo＝vz*r1/(2*r4)+vz+vbe’。一般情况下，vbe’≈1.4v；该供电处理电路中电阻r1、电阻r4、达林顿管q1组成了信号放大电路，放大倍数为r1/r4，因此，交流放大电路和供电处理电路的信号总增益为r6*r1/(r9*r4)。
38.本实用新型还公开了一种前述抗高频大信号两线制电荷放大电路的实现方法，包括有以下步骤：
39.(1)压电传感器输出的电荷信号送入电荷转电压电路10。
40.(2)电荷转电压电路10将压电传感器输出的电荷信号转变成电压信号。
41.(3)通过低通滤波电路20将该电压信号进行高频滤波，降低高频干扰。
42.(4)通过交流放大电路30将滤波处理后的信号幅度放大到合适的大小。
43.(5)将放大后的信号经由供电处理电路40从信号输出端口输出信号，信号输出端口同时也是激励电流输入端口。
44.详述本实施例的工作原理如下：
45.工作时，信号通过第一级电荷转电压电路将电荷信号按设定衰减为对应电压信号输出，接着，通过第二级低通滤波电路将高频信号滤除，同时确保所需工作频带不衰减，最后通过第三级交流信号放大电路和供电处理电路实现按规定增益的最终信号输出，这样既能够抑制了高频大信号成分，同时又确保所需工作频率内信号的要求。具体而言：
46.首先，对于电荷转电压电路10部分，该部分信号灵敏度由电容c3及反馈电容cf1共同决定，当电容c3容值大于10倍的cf1容值时，基本上由cf1决定，vq
(ac)
≈q/cf1，其中vq
(ac)
为电荷转电压输出值，q为电荷变化量。通过合理设置反馈电容cf1，使得该部分增益衰减。合理设置增益的目的是确保在大信号输入的情况下，该部分输出不饱和失真。该部分的直流输出电压由fet的开启电压vgs和r3、r7电阻值相关，vq
(dc)
＝vgs*(1+r3/r7)。合理选择电阻r3和电阻r7阻值，使得输出直流电压在合理的水平。该部分供电由供电处理电路40的稳压二极管d1的稳压值vz通过耦合电阻r5提供，提供给该部分的电流为i＝(vz-vq)/r5。该部分的低频下限截止频率：f
l1
＝r7/(2*pi*r2*(r3+r7)*cf1)。
47.经电荷转电压vq后，需要经过电压跟随器后再进入后端低通滤波部分。这里u1a为电压跟随器，vq经过c4和r12高通滤波电路后，仅交流部分vq
(ac)
进入后端电路，而vz为u1a提供了直流电压偏置，也即最终u1a的输出vfi为vz叠加vq交流部分，vfi＝vz+vq
(ac)
。该部分高频的截止频率由电容c4和电阻r12决定，假定电容c4＝0.1uf，电阻r12＝20mω，则f
l
＝1/(2pi*c4*r12)＝0.08hz。
48.其次，对于低通滤波电路20部分，如图7所示，该部分电路的幅频特性举例如下，15khz频点为-1db，25khz频点为-20db，工作频带10khz内为0db。
49.再者，对于交流放大电路30部分，这是一个典型的反相放大电路，如电容c1容值足够大，则工作频带内交流增益为v7
(ac)
/vfo
(ac)
＝r6/r9。同相输入端pin5的电压vref为vz经
电阻r8和电阻r11分压后的电压，即vref＝vz*r11/(r8+r11)。假定电阻r8＝电阻r11，所以vref＝vz/2。该部分输出v7为直流偏压电压vref叠加交流放大信号，即v7＝vref+v7
(ac)
＝vref+vfo
(ac)
*r6/r9。
50.此外，对于供电处理电路40部分，因为供电为恒流源50两线制，激励电流和输出电压信号为同一根线，所以不同于电压供电电路，需对电源部分做处理。激励电流由out端进入后，经达林顿管q1的ce端给稳压二极管d1提供稳压电流，使得d1端产生稳压电压vz。vz经r8和r11分压后产生电压基准vref给运算放大器u3b的同相输入端pin5。由上所述，假定r8＝r11，则vref＝vz/2。u3b部分为交流放大电路，对于直流不放大，所以直流输出为v7
(dc)
＝vref。因此直流条件下，q2的b极电压为v2’＝vref+vbe，其中vbe为达林顿管q2的be极电压，约1.4v。而q1的b极电压v1’＝vz+vbe’，其中vbe’为达林顿管q1的be极电压，约1.4v。因此，r4电阻上的降压为v
r4
＝v1
’‑
v2’＝vz+vbe
’‑
(vref+vbe)＝vz-vref＝vz/2。而流过r1的电流和r4的电流几乎相等，故r1电阻上的压降v
r1
＝v
r4
*r1/r4＝vz*r1/(2*r4)。所以最终输出直流电压vo＝v
r1
+v1’＝v
r1
+vz+vbe’＝vz*r1/(2*r4)+vz+1.4v。假设vz＝7.5v，r1＝62k，r4＝36k，代入计算得vo＝15.36v。
51.该部分电路中，r1和r4既能够放大直流信号，亦能够放大交流信号，放大增益为r1/r4，所以结合交流放大电路30部分，两部分电路的交流总增益为(r6/r9)*(r1/r4)。
52.该部分vo既为最终输出电压，同时也是各运算放大器的供电电源vcc。由于本实用新型涉及电路具有抗高频大信号功能，所以最终vcc上的高频电压将被抑制，vcc上的电压波动不影响运算放大器供电，不影响运算放大器的基本性能，不会引起失真。
53.该部分vz同时经过耦合电阻r5给第一部分电路供电，由于vz为固定电压，可以使得电荷转电压电路10稳定工作。
54.本实用新型的设计重点是：通过采用恒流源两线制供电，以减少线束，前级电荷转电压电路采用基于场效应管为核心的电路，对信号进行转换和衰减，以降低后续信号处理电路中对运算放大器的电气性能指标要求，并采用基于信号衰减、低通滤波、信号放大、供电处理的信号链路，实现在保证所要求工作频带的幅频特性条件下对高频大信号的抑制，确保信号不削波失真及深度饱和。
55.以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。