摘要：設(shè)計(jì)PVDF壓電傳感器信號(hào)調(diào)理電路，詳細(xì)介紹前置放大、工頻陷波和低通濾波電路的設(shè)計(jì)原理。利用數(shù)字示波器 對(duì)PVDF壓電傳感器信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行測定。試驗(yàn)結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路工作穩(wěn)定可霏、重復(fù)性好、噪聲小,抗干擾 能力強(qiáng)，工頻及工頻倍頻陷波效果明顯，信號(hào)處理實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，PVDF壓電傳感器能夠用于工業(yè)現(xiàn)場信號(hào)檢測。

　　關(guān)鍵詞:信號(hào)調(diào)理 前置放大器 工頻陷波器

　　1　 引 言

　　PVDF傳感器輸出電荷量很小、內(nèi)阻抗十分髙、抗 電磁干擾能力較差，要把來自傳感器的模擬信號(hào)變換 為數(shù)字信號(hào)必須進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。目前國內(nèi)壓電晶體型 傳感器信號(hào)調(diào)理裝置大多數(shù)采用集成運(yùn)算放大器及電 容、電阻等元件搭建，電路具有集成度低、電路復(fù)雜、穩(wěn) 定性較差、噪聲大等問題。為克服傳統(tǒng)信號(hào)調(diào)理電 路上述缺點(diǎn)，研制了以集成芯片AD745、LMF90、 MAX7410為核心元器件的PVDF傳感器信號(hào)調(diào)理電 路，該電路工作穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好、噪聲小，抗干擾能 力強(qiáng)，工頻及工頻倍頻陷波效果明顯，信號(hào)處理實(shí)時(shí)、 準(zhǔn)確，能夠用于工業(yè)現(xiàn)場PVDF壓電傳感器信號(hào)檢測。

　　2 　信號(hào)調(diào)理電路

　　PVDF傳感器信號(hào)調(diào)理電路主要由前置放大器、 工頻及工頻倍頻陷波器、低通濾波器等部分組成，完成信號(hào)的放大、濾波、電荷電壓的轉(zhuǎn)換

　　2.1前置放大電路

　　前置放大電路有兩個(gè)作用：一是實(shí)現(xiàn)阻抗變換，把 壓電元件的髙輸出阻抗變換為低阻抗輸出；二是實(shí)現(xiàn) 信號(hào)放大。PVDF壓電傳感器壓電晶片電容值較 小——產(chǎn)生的電荷量很小、壓電晶片的漏電阻很 髙——內(nèi)阻抗十分髙，所以傳感器必須和髙輸人阻抗 的前置放大器配合使用才能有效的檢測并輸出信號(hào)。

　　AD745是美國AD公司生產(chǎn)的具有超低噪聲、髙 速場效應(yīng)管輸入型放大器，優(yōu)化的內(nèi)部補(bǔ)償結(jié)構(gòu)使它 具有髙增益、頻帶寬和轉(zhuǎn)換速率快等特性，髙達(dá)i〇'°n 的輸人阻抗非常適合作為壓電傳感器的前置放大器。

　　2.2工頻及倍頻陷波電路

　　實(shí)踐證明：PVDF壓電傳感器極易受電磁干擾，其 中501^和150Hz干擾最為明顯。PVDF壓電傳感器 信號(hào)調(diào)理電路采用了以集成芯片LMF90為核心器件 的陷波器來抑制或消除工頻及其倍頻干擾信號(hào)。

　　LMF90 是美國 National Semiconductor 公司生產(chǎn)的一種4階橢圓陷波器，它具有如下特點(diǎn)：陷波中心頻 率f�？梢酝ㄟ^外部晶振設(shè)置>響應(yīng)特性只需要調(diào)整引 腳極性無需其他外部元器件設(shè)置;可分別設(shè)定陷波帶寬、衰減幅度、時(shí)鐘和陷波中心頻率比值等參數(shù)。

　　2.3低通濾波器

　　PVDF壓電傳感器的頻率響應(yīng)曲線或電導(dǎo)曲線常 表現(xiàn)出高的尖峰，當(dāng)動(dòng)態(tài)力作用于傳感器時(shí)，唯一的阻 尼源是材料的內(nèi)摩擦力，因此傳感器工作頻率必須遠(yuǎn) 低于機(jī)械諧振頻率并且其輸出信號(hào)需低通濾波。

　　美國DALLAS SEMICONDUCTOR公司生產(chǎn)的 MAX半導(dǎo)體集成芯片系列可實(shí)現(xiàn)低通、帶通、髙通濾 波的功能。采用MAX7410芯片，只需要在引腳CLK 和GND之間外接電容，通過改變電容值可實(shí)現(xiàn)不同濾 波器截至頻率。

　　圖1 PVDF壓電傳感器信號(hào)調(diào)理電路原理圖
　　

　　2.4阻抗匹配和信號(hào)調(diào)理電路

　　PVDF壓電傳感器信號(hào)調(diào)理電路其前置放大器、50Hz和150Hz陷波器和低通濾波器的電路連接必須 符合阻抗匹配要求。

　　圖1所示，為優(yōu)化AD745的DC響應(yīng)特性和AC 響應(yīng)特性，減少偏置電流誤差和AC響應(yīng)誤差達(dá)到超 低噪聲性能的要求，前置放大電路設(shè)計(jì)需平衡AD745 輸人源電阻（電阻和電抗），要求：C13和傳感器壓電晶 片的電容值相等（Si輸人端口接傳感器）= 108山民和民取值遠(yuǎn)小于民，前置放大增益值為：1 + R,/R2。設(shè)計(jì)的PVDF壓電傳感器輸出阻抗值為io8n 數(shù)量級(jí)，前置放大器輸人阻抗髙達(dá)lown數(shù)量級(jí)， PVDF壓電傳感器的輸出阻抗和前置放大器的輸人阻 抗能夠達(dá)到很好的阻抗匹配。前置放大器輸人阻抗越 髙，傳感器的最小分辨頻率越低、傳感器輸出信號(hào)信噪 比越髙。

　　前置放大器的輸出阻抗一般很小，50Hz和150Hz 陷波器的輸人阻抗大于222kf2,前置放大器和陷波器 阻抗匹配良好。
MAX7410濾波器輸人阻抗為476kfi，50Hz和 150Hz陷波器的輸出阻抗很低，二者阻抗匹配符合 要求。

　　3 　實(shí)驗(yàn)實(shí)例

　　設(shè)計(jì)PVDF壓電傳感器，其源阻抗（容抗和阻抗） 約為500MI2,按圖1設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理器。利用穩(wěn)壓電源 (PH1718)、數(shù)字示波器(TDS3032B)、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器 (Agilent 33120A)、計(jì)算機(jī)搭建PVDF壓電傳感器信號(hào)調(diào)理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。PVDF壓電傳感器接受隨機(jī)聲發(fā)射信 號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理器使傳感器輸出電壓信號(hào)在數(shù)宇示 波器上顯示，并通過串口通訊把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸?shù)接?jì)算 機(jī)，然后利用Matlab軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)信號(hào)的 重現(xiàn)和分析。

　　圖2、3所示，隨機(jī)聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后前 置放大增益約為30dB; 50HZI頻及其倍頻抑制效果明顯。

　　4 　結(jié) 論

　　基于高輸出阻抗PVDF壓電傳感器信號(hào)調(diào)理的需 要，研制了以集成芯片AD745、LMF90、MAX7410為 核心元器件的信號(hào)調(diào)理電路，該電路搭建容易、集成度 髙。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：信號(hào)調(diào)理電路具有嗓聲低、信噪比 髙、工頻及其倍頻陷波效果明顯、重復(fù)穩(wěn)定性好等優(yōu) 點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用于相關(guān)信號(hào)檢測領(lǐng)域。（作者：王慶鋒；吳斌；宋吟蔚；何存富）

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