声振动信号调理电路设计

声振动信号调理电路设计1 设计目的和意义振动测试技术在近十年来获得了突飞猛进的发展，在工业、科研、教学、医学等领域得到了广泛的应用。振动的测量可以利用各类传感器将振动的加速度、位移等参量转换为可以测量的电信号，经过电路调理放大以后读出数据，并将数据送至处理器进行处理。现存的振动测量系统也大都相近，由振动传感器、信号调理电路、上位机处理显示部分组成。考虑到测量系统的精度和所测信号的微弱，在对测量信号处理前需要进行放大滤波调理，所以调理电路是振动测量系统中必不可少的部分。本文在选择了振动测量传感器后，设计了传感器后端的信号调理电路，实现对测量到的微弱信号进行放大和滤波，在一定程度上提高了振动信号的测量精度。2 指标要求本文所设计的信号调理电路是激振检振一体化系统中检振部分的信号调理电路。由于系统的激励源发出的激振信号是频率为20Hz20KHz的正弦信号，所以在测得的振动信号中，只有在激振信号频带内的信息才是有用信息。由于振动传感器测得的信号比较微弱，幅值大都在20mV以下，必须将其经放大器放大后才能进行测量。考虑到方便测量和测量精度，需要将微弱交流信号放大到2V左右，因此要求该放大电路具有高增益、低噪声、高稳定性等特点。根据上述情况，提出以下指标要求：（1）带宽：20Hz20KHz；（2）电路增益：100倍左右；3 电路设计根据系统整体结构，振动信号到来后，由振动传感器测得，然后经调理电路调理后，再经数据采集部分将信号送至上位机，在上位机将数据进行相应处理。根据指标要求，采用有源二阶带通滤波器来对信号进行滤波；由于放大倍数较大，采用一级放大电路至100倍，容易引起自激现象，使电路不稳定，所以采用两级放大电路级联的方式；最后为了数据采集系统进行匹配，采用了电压跟随器与后级采集系统进行隔离，防止影响调理电路性能，信号调理电路框图如图3-1所示。信号调理电路总电路图如图3-2所示。图3-1 信号调理电路框图图3-2 信号调理总电路图3.1 前置放大电路前置放大器是许多传感器信号调理电路中的基本单元，前置放大器的噪声系数对放大器的总噪声系数影响最大。故要求前置放大器必须噪声小、增益稳定、精确、抗干扰能力强。微弱信号放大电路的前置放大器的设计方法通常为两种。一种是采用一般的集成运算放大器构成差分输入的具有抑制共模干扰的放大电路，由于该电路采用分立元件构成，噪声进入系统的渠道很多，对系统的精度影响较大。随着低噪声运放技术的不断发展, 直接选用低噪声运放设计传感器前置放大器, 成为一种重要的发展趋势，本设计采用了高精度、低噪声的仪表放大器INA118芯片来设计前置放大电路。INA118是一款小功率通用仪表放大器，是美国B-B公司生产的精密仪表放大器系列中的一种，它具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作频带宽等优点，适合对各种微小信号进行放大；INA118独特的电流反馈结构使得它在较高的增益下也能保持很高的频带宽度（G=100时带宽为70kHz）。该放大器仅需设置一个外部电阻，即可获得从1到10000的任何增益，方便外部电路的设计。由于需要放大的是微弱信号，如果将INA118的放大倍数调的过大，就会导致后续放大电路的饱和，将信号淹没，所以本设计选取仪表放大器的放大倍数为10倍以下。根据芯片手册，考虑到电阻的方便选取，根据增益公式为，增益配置电阻选择，此时电路放大倍数为。前置放大电路图如图3-1所示，其中电容C1、C2为电源去耦电容；为了获得更好的共模抑制比，根据芯片手册在Ref引脚与地之间串接一个小电阻，即为图中R1电阻。图3-1 前置放大电路图3.2 去直高通滤波及第二级放大电路去直高通滤波采用一阶RC高通滤波器，将高通截止频率设置为16Hz以去除直流分量和低于音频频率的噪声，同时将高通滤波后的信号放大至正负2V左右，便于后续进行数据采集。去直高通滤波及第二级放大电路图如图3-2所示，由R2、C3构成了去直高通滤波器，高通截止频率为;放大电路是由OP07构成的同相比例运算电路，放大倍数，图中是为了进行阻抗匹配，,由于非标准阻值，在设计中选取。图3-2 去直高通滤波及第二级放大电路图3.3 抗混叠滤波器按照“奈奎斯特采样定律”，在对模拟信号进行离散化时，采样频率至少应大于被测的信号最高频率的二倍，否则可能出现因采样频率不够高，造成模拟信号中的高频信号混叠到低频段，出现虚假频率成分的现象。在振动检测过程中，振动信号频率范围为音频范围20Hz20KHz，为了防止其他高频噪声对数据采集精度的影响，因此，有必要进行抗混叠滤波处理。抗混叠滤波器采用Maxim公司的基于开关电容滤波技术的八阶巴特沃兹低通滤波器MAX291，使传感器在工作频带内保证足够的平坦。采用简单方便的内部时钟方式产生截止频率。由于有效信号的最高频率为20KHz，因此截止频率设置为20KHz，根据芯片手册中对应的时钟频率和拐角截止频率的比值可得，时钟频率选择2MHz，此时对应的截止频率为20KHz，符合本系统的抗混叠滤波要求。抗混叠滤波器电路图如图3-3所示。图3-3 抗混叠滤波器电路图3.4 电压跟随器为了符合模块化设计原则，使传感器和信号调理单元组成的传感器模块更具有通用性，满足不同A/D转换器输入阻抗的要求，采用电压跟随器使传感器的输出阻抗降至最低。电压跟随器电路图如图3-4所示。图3-4 电压跟随器电路图4 电路参数分析在放大电路设计中，电路参数分析必不可少的环节之一。组要包括噪声、增益、带宽、输入电阻、输出电阻、稳定性等等。4.1 噪声分析在测量电路中，噪声会导致信号质量下降以及影响测量精度等问题，在电路设计时，需要对电路噪声进行分析估计，并找到降低噪声的方法。电路中噪声的来源有很多，包括采集信号中本身存在的噪声、热噪声、运算放大器的噪声、A/D采集的量化噪声等等。本设计的信号调理电路的噪声来源主要是热噪声和运算放大器的噪声。在多级放大电路级联的情况下，只计算第一级的输出噪声即可，所以在此只考虑由INA118构成的前置放大电路的输出噪声。4.1.1 热噪声热噪声是导电材料中载流子做不规则热运动时在材料两端产生的随机涨落电压。热噪声是电阻的一个本征属性，不存在不含热噪声的电阻。热噪声电压均方根(RMS)取决于材料的温度、电阻和等效噪声带宽，其关系式为其中k为波尔兹曼常数()；T为材料的绝对温度；R为产生热噪声的电阻值；为等效噪声带宽。上式也说明了在低噪声电路中尽可能采用低电阻元件的重要性。根据上式，电阻热噪声。4.1.2 运算放大器噪声一般运算放大器的噪声包括电流噪声和电压噪声，电流噪声包括宽带电流白噪声和1/f电流噪声，电压噪声包括宽带电压白噪声和1/f电压噪声。这几个噪声源基本上是相互独立的，可将实际运算放大器等效成输入端加有这几个噪声源的无噪声理想放大器。分析的第一步就是测定电路的噪声增益和噪声带宽，有前置放大电路的电路可知噪声增益；信号带宽受到运算放大器的闭环带宽的影响，根据芯片手册，如图4-1所示，当增益在小于10时，放大器对应的带宽为500kHz。由于放大器的闭环响应为一阶函数，放大器等效噪声带宽为原来带宽的1.57倍。图4-1 INA118噪声频谱密度参数（1）计算电压噪声参考输入的幅度宽带电压噪声成分，；1/f电压噪声成分电压总噪声（2）下面，将电流噪声转变为等效输入参考电压噪声。首先要将电流噪声频谱密度转变为电流源，然后将电流源乘以等效输入电阻，及可得到输入电压噪声。宽带电流噪声成分，由于放大器输入为J-FET输入，通常不含有1/f电流噪声，则宽带电流噪声即为总电流噪声。电流总噪声（3）计算输出总噪声输入总噪声输出总噪声则前置放大电路的输出噪声为6.36uV。4.2 电路环路增益本设计中的信号调理电路主要由两级放大电路组成，第一级前置放大电路的为放大倍数为6倍，第二级放大电路的放大倍数为21倍，则电路的总增益为倍。则电路的环路增益为。4.3 输入输出电阻调理电路的输入电阻为第一级放大的输入电阻，由INA118芯片手册可知，输入电阻，即调理电路输入电阻为。调理电路的输出电阻为最后一级的输出电阻，由于本设计中最后一级为电压跟随器，使得输出阻抗降到很低。4.4 带宽本设计中电路进行了两次滤波，第一阶滤波是去直高通滤波器，是由一阶RC无源滤波器构成，高通截止频率为16Hz；第二阶滤波是抗混叠滤波，是采用MAX291构成的低通滤波器，低通截止频率为20kHz；所以电路的通频带为16Hz20kHz，带宽为20kHz。4.5 电路的稳定性前置放大电路的稳定性分析，由于采用集成的仪表放大器INA118，根据芯片手册，前置放大电路增益与频率关系如图4-2所示，在增益处于110之间频率低于20kHz时，放大倍数保持不变，电路稳定性良好。图4-2 增益与频率关系图5 电路仿真及数据验证按照第3部分介绍原理设计电路，调理电路图如图3-2所示。采用Multisim软件，对所设计的调理电路进行仿真。假设当振动传感器垂直安装于地面时，传感器采集到的振动信号即为调理电路的输入信号，在仿真中以频率为10kHz、幅值为5mV的正弦信号（如图5-1(a)所示）来模拟传感器采集到的信号，传感器模拟采集的信号波形如图5-1(b)所示，经过调理电路后的信号波形如图5-1(c)所示。由图5-1可知，在电路带宽内，信号经调理电路后放大120倍左右，至1.22V，放大倍数符合设计要求。在截止频率16Hz和20kHz处，信号分别被放大至880mV左右，放大倍数降为原来的0.7倍，分别如图5-2、5-3所示，电路带宽为16Hz20kHz，符合设计要求。 (a)模拟信号 (b)模拟信号波形 (c)调理后波形图5-1 带宽内信号和调理后信号图5-2 16Hz的信号和调理后信号图5-2 20kHz的信号和调理后信号6 PCB制版利用Altium Designer软件进行PCB设计。原理图如图6-1所示。PCB如图6-2所示。图6-1 信号调理电路原理图图6-2 信号调理电路PCB图