压电式传感器频率补偿电路设计

摘 要：文章介绍了一种压电传感器频率补偿电路，本电路主要由模拟压电传感器电路与其频率补偿电路组成。模拟压电传感器电路以双运放OPA2134PA芯片为核心，主要模拟压电传感器的频率特性；频率补偿电路以单运放THS4001芯片为核心，能够实现对模拟压电传感器电路的频率补偿。本电路为低噪声设计，噪声均方根电压Vn为8mV，保证了电路基本无噪声的干扰，该电路-3dB高频截止频率为100kHz，频率0-70kHz范围内的电压增益A（f）的波动在±10%以内。

关键词：压电传感器；频率补偿；自激震荡

目前，传感器技术是全球研究的热点问题，人们希望通过传感器检测到形形色色的有用信息，作为电子计算机的“感觉器官”。其中压电式传感器由于高灵敏度、宽频带响应、宽测量范围、抗高过载等特点使其在很多领域得到广泛的应用。但压电传感器低频响应特性较差，其上限响应频率取决于机械部分的固有频率，下限响应频率取决于压电晶片本身以及所使用的放大器，提高压电传感器的低频响应特性是提高其测量精度的关键技术。

本设计旨在通过模拟电路，使压电传感器获得较为理想的频率补偿，使其在？3dB高频截止频率为100kHz，频率0～70kHz范围内的电压增益A（f）的波动在±10%以内。

1 设计指标

1.1 模拟压电传感器电路

输入信号为200Hz、峰值为10V时，模拟压电传感器输出信号没有明显失真；以200Hz为基准输入信号的-3dB高频截止频率为4.5 kHz±0.5kHz。

1.2 压电传感器频率补偿电路

频率为200Hz时的电压增益A（200Hz）=|Vo/Vs|=1±0.05；以电压增益A（200Hz）为基准，将A（f）=|Vo/Vs|的-3dB高频截止频率扩展到大于100kHz；以电压增益A（200Hz）为基准，频率0～70kHz范围内的电压增益A（f）的波动在±5%以内；将输入信号接地，输出信号的噪声均方根电压Vn≤10mV。

2 设计方案

电路主要由模拟模块和补偿模块组成。模拟模块主要是指信号发生器/接地产生的信号作为被测量的信号，经过运模拟电路后的输出信号与压电传感器具有一样频率特性。

模拟电路单指在实际调试和测试时信号经过的某一电路，输出信号与经过压电传感器有相同频率响应特性，这一电路就是本文中的模拟电路。

补偿模块主要由放大电路和滤波电路组成，就是一个针对模拟电路的校正网络电路。这个电路是根据模拟电路的传递函数计算而得到的，对信号具有校正作用。本文中的频率补偿电路实际上就是对信号的频率展宽。其中放大电路的增益，就是模拟电路的衰减倍数，主要是放大被衰减的信号；滤波电路主要根据设计要求中的-3dB高频截止频率得到上限截止频率，主要是为了防止信号经过放大电路后在高频率时产生自激震荡。电路总框图如见图1所示。

2.1 模拟电路设计

压电加速度传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，从而产生的有用信号也十分微弱，因此一般在其测量电路前需要接入1个高输入阻抗的前置放大器。加速度计使用的上限频率取决于幅频曲线中的共振频率。压电加速度传感器的-3dB高频截止频率大概在4-5kHz之间，可以把压电加速度传感器看作一个特殊的低通滤波器。同时由于压电传感器本身的内阻抗很高，因此模拟的压电传感器的输入阻抗要很大。由此设计了如图2所示的模拟压电加速度传感器特性的电路模块中的运放电路，具体电路图如下所示：本系统设计选用TI的OPA2134PA芯片作为模拟电路的运放芯片。

2.2 补偿模块设计

采用有源滤波低通运放串联构成频率补偿电路，实现频率补偿电路的功能。通过在每一级运放前加一个衰减网络，避免输出产生自激震荡。在理论计算电路具体参数时，计算公式简单，电路板的制作简单，频率补偿较为理想。

滤波电路主要是指低通滤波器，其主要作用是为了防止信号经过放大电路后，在高频段产生自激震荡。为使滤波器在通频带内具有最大平坦的幅频特性，选用二阶择巴特沃斯滤波器，设置其增益为1，具体电路图如图4所示。

2.3 防止高频自激和去噪声

2.3.1 防止自激的方法

通过对负反馈放大电路稳定性的分析可知，电路产生了自激振荡时，如果采取某种方法能够改变AF的频率特性，使之根本不存在f0，或者即使存在f0，但f0>fc，那么自激振荡必然被消除。消除自激震荡采用超前补偿的方法，将超前补偿电容加在反馈回路，若RC取值得当，这样不仅可以消除自激振荡，而且频带大大变宽，符合要求。

2.3.2 PCB设计时降低噪声方法

在印制板制作模拟电路的印刷板时，由于使用的电容只有4.7pf，因此尽量使用大于90°的折线布线以减小导线与地、导线与导线之间的电容。印制板按有源和无源特性分区，有源元件之间的距离要远一些。同时印刷板的接地线和电源线应该粗一些。有用信号传输的线不要与接电源的线平行。信号线尽量不要形成环路，最好是由左到右的一条直线。每个集成运放芯片的电源都要有去耦电容。元器件与导线的焊点尽量不要有尖锐的突起，要圆滑。

3 电路调试与测试

简单来讲，本电路就是由一个运算放大器组成的模拟电路和四个运算放大器组成的补偿电路串联构成。由于本电路使用模拟电路代替了压电传感器，在实际信号传输过程时，它们的幅频特性并非完全一致，所以有必要测试模拟电路的幅频特性。

制作的模拟电路在200Hz时，输出电压Vb无失真，增益为1。模拟电路输出电压Vb的-3dB高频截止频率在4.1kHz～4.3kHz之间，满足设计要求。由实测数据可知，信号在200Hz之后就开始衰减，-3dB高频截止频率约为4.2kHz。电压增益A（200Hz）为1时，A（f）的-3dB高频截止频率在97k-98KHz之间；同时电路在频率0～70KHz范围内输出电压的最大误差是在20k时，误差为0.3V，电压增益A（f）的相对误差为3%，满足设计要求。

补偿电路的-3dB高频截止频率约为100kHz，具有很好的稳定性和频率特性。将输入端接地，测得输出信号Vo的噪声峰峰值为50mV，经计算可得噪声均方根Vn为8.3mV，满足设计要求。

4 结束语

本文简单论述了压电传感器的工作原理，并根据其频率特性设计了模拟电路和与之相对应的频率补偿电路。该电路主要由模拟电路和补偿电路构成，实现了对压电传感器的频率特性模拟和频率补偿。它将模拟电路的3dB高频截止频率由4.5kHz扩展为97KHz，并且保证其在频率0～70kHz范围内的电压增益A（f）的波动为10%之内，说明电路有很好的稳定性。除此以外，电路为低噪声设计，输出信号的噪声均方根电压仅为8.3mV。

参考文献

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