使用電壓換能器測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，電荷放大器是一個(gè)必不可少的信號(hào)調(diào)節(jié)器。它能夠直接將微弱電荷量轉(zhuǎn)換為低阻抗電壓信號(hào)的運(yùn)算放大器，故常常被用做換能器的轉(zhuǎn)換電路。

對(duì)于氣體超聲波流量計(jì)而言任何一個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)都會(huì)影響測(cè)量的精度。因此需要利用Multisim12 對(duì)電荷放大器仿真，在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在不同信號(hào)強(qiáng)度下，電荷放大器的延時(shí)是在變化，這樣對(duì)測(cè)量精度造成了嚴(yán)重影響。所以必須在電荷放大器電路中采用增益補(bǔ)償措施，設(shè)計(jì)一個(gè)增益補(bǔ)償電路，使得每次測(cè)量的延時(shí)都是相等，這樣可以大大提高超聲波氣體流計(jì)的計(jì)量精度。同時(shí)利用電路仿真軟件對(duì)增益補(bǔ)償電路。進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證參數(shù)選取的合理性。

壓電換能器的等效電路

壓電換能器是指利用壓電材料的正逆壓電效應(yīng)制成的換能器，換能器顧名思義就是指可以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件12。壓電換能器的等效電路與它的振動(dòng)模式有關(guān)，這個(gè)就是著名的梅森的等效電路。在諧振頻率附近，壓電傳感器的等效電路如圖1所示。

在圖1中，CO為換能器并聯(lián)電容，C1、L1和R1分別表示換能器串聯(lián)電容、串聯(lián)電感和串聯(lián)電阻。在等效電路中換能器的串聯(lián)諧振頻率為fs，串聯(lián)電感LI 與串聯(lián)電容CI 的電抗相互抵消，換能器的阻抗Z= =R1。在串聯(lián)諧振頻率下，換能器相當(dāng)一個(gè)的發(fā)射體。而并聯(lián)諧振頻率為f，換能器的阻抗達(dá)到最大值，此時(shí)換能器相當(dāng)一個(gè)接收器。在本文電荷放大器中，壓電換能器相當(dāng)一個(gè)接收器。通過(guò)電橋測(cè)出電壓換能器在串聯(lián)諧振頻率為f; 200kHz，電壓為1V 時(shí)，測(cè)得的R，=1.441k8，C; 2.107nF。由于電荷放大器沒(méi)有直接的電荷源信號(hào)，考慮到壓電換能器是以電流形式輸出，所以可以把傳感器看作是電流源因。電流值的大小是根據(jù)接收電路的靈敏度和聲壓值來(lái)計(jì)算得到。其壓電換能器簡(jiǎn)化等效電路如圖2 所示。

高阻抗運(yùn)放的選取原則

超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是壓電晶體，當(dāng)壓力傳感器受力后產(chǎn)生極其微弱的電荷量，這給后接電路帶來(lái)一定困難“，因此我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)新型的電荷放大器。先要把壓電傳感器發(fā)出的信號(hào)先輸入到極高輸人阻抗、極低的偏置電流和帶寬寬的電荷放大器中。只有在極高輸人阻抗的條件下，電荷放大器的輸人端幾乎沒(méi)有分流作用，因此運(yùn)算電流都流入反饋回路，只有這樣電荷量的泄漏才能減少到我們所要求的范圍之內(nèi)以。根據(jù)上面敘述集成運(yùn)放的選擇要求，設(shè)計(jì)時(shí)我選用了LMC662，AD823，LMC6041和AD8606 芯片主要參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比（如表1所示），并進(jìn)行了相關(guān)的仿真，經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比驗(yàn)證選用了AD8606 這款芯片作為電荷放大器的芯片。

電荷放大器電路的設(shè)計(jì)

圖3 為本文設(shè)計(jì)實(shí)際電荷放大器仿真電路圖。圖中，電荷放大器內(nèi)部只能做到非完全補(bǔ)償，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，在運(yùn)算放大器中接人由電容C1組成的補(bǔ)償電路，可以消除自激振蕩。

新型電荷放大器電路可以看作是一個(gè)電容負(fù)反饋增益積分放大器，所以電荷放大器反饋電容C9的品選擇必須與積分網(wǎng)絡(luò)的反饋電容基本要相同h 新型電荷放大器輸出靈敏度是通過(guò)調(diào)節(jié)電荷放大器的反饋電容C9 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。要求反饋電容C9 的值不能取太小，否則分布電容會(huì)產(chǎn)生很大的影響;但是反饋電容C9 的值也不能取太大，否則漏電太大。電荷放大器是采用了電容負(fù)反饋，所以電荷放大器對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，導(dǎo)致零點(diǎn)漂移較大;為了減少零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定，一般在反饋電容兩端并聯(lián)一個(gè)積分漂移泄漏電阻R5 （10“ 以上） 做反饋，提供直流反饋，以保持電荷放大器電路正常工作7。

仿真與分析

本文采用Multisiml2 仿真軟件對(duì)電荷放大器電路進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真電路主要有兩個(gè)目的：第，要注意電荷放大器在不同信號(hào)強(qiáng)度下延時(shí)變化情況。第二，同時(shí)要求檢測(cè)信號(hào)通過(guò)電荷放大器放大的效果。因?yàn)闀r(shí)間測(cè)量的精度決定了超聲波氣體流量計(jì)傳播時(shí)間的測(cè)量精度，所以要求在不同的電流強(qiáng)度下，看信號(hào)相位差變化大小。相位差測(cè)量方法一般有閾值法、峰峰值測(cè)量法和過(guò)零檢測(cè)法。閾值法是先假定一個(gè)值，當(dāng)信號(hào)都經(jīng)過(guò)這個(gè)值時(shí)作為測(cè)量的依據(jù)，但是在不同信號(hào)強(qiáng)度下的電流，電壓值在不停的變化，我們根本無(wú)法用閾值法來(lái)測(cè)量小信號(hào)相位差。峰峰值測(cè)量法是測(cè)量?jī)蓚€(gè)波形的最大正值或是最大負(fù)值。然而對(duì)于小信號(hào)用峰峰值進(jìn)行測(cè)量時(shí)，噪聲會(huì)對(duì)峰峰值檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生很大的影響，這個(gè)測(cè)量方法雖然簡(jiǎn)單，但是準(zhǔn)確度不是很高。過(guò)零檢測(cè)法是一種經(jīng)典的調(diào)制域分析方法，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻率信號(hào)過(guò)零的時(shí)間差，從而確定電荷放大器的時(shí)間延時(shí)，如圖4所示。此方法簡(jiǎn)單可靠，實(shí)用性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測(cè)量。

本文采取以第二波過(guò)零為基準(zhǔn)來(lái)測(cè)量時(shí)間延時(shí)的大小。用Multisim12 仿真電荷放大器在不同的信號(hào)強(qiáng)度下測(cè)得時(shí)間延時(shí)的大小，如表2 所示。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，用MATLAB 編寫(xiě)信號(hào)強(qiáng)度與時(shí)間延時(shí)曲線圖如圖5 所示。

如圖5 所示，電荷放大器的延時(shí)時(shí)間會(huì)隨著信號(hào)強(qiáng)度呈指數(shù)規(guī)律衰減，因此電荷放大器引起延時(shí)變化很大，故對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果造成嚴(yán)重的影響。為了克服這一缺陷，需要設(shè)計(jì)一種增益補(bǔ)償電路來(lái)提高測(cè)量超聲波氣體流量計(jì)傳播時(shí)間的精度。我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)間增益補(bǔ)償電路如圖6 所示。主要是利用通滑動(dòng)變阻器和電荷放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)增益補(bǔ)償。壓電傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)具有連續(xù)性，根據(jù)每次接收到超聲波信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)調(diào)整滑動(dòng)變阻器的阻值，使電荷放大器的延時(shí)保持在一個(gè)固定值。這樣可以保證每次檢測(cè)信號(hào)通過(guò)電荷放大器的延時(shí)都是一樣，提高測(cè)量的精度。所以只要選擇合理的芯公畢分歧上息講人優(yōu)民悅出片和反饋電阻的大小，使前面的西線不降和后面的曲線上升，就可以實(shí)現(xiàn)增益補(bǔ)償?shù)哪康?，這樣就可以很好的補(bǔ)償電荷放大器造成的時(shí)間延時(shí)。

在圖6 中，在不同信號(hào)強(qiáng)度下電流的大小，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電容與可變電阻使得電荷放大器延時(shí)保證致。如表3 所示。

由圖7 可知，信號(hào)通過(guò)增益補(bǔ)償后不論通過(guò)電荷放大器信號(hào)強(qiáng)弱，時(shí)間延時(shí)都是相等。這樣使得測(cè)量時(shí)間更加精確。信號(hào)在200kHz，1uA 條件下，通過(guò)電荷放大器和濾波器電路以后的波形如圖8 所示。

由圖8我們可以看到信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器放大的波形的效果很好，原始信號(hào)的電壓值大約在300多u V，而放大后的信號(hào)大概在20mV 左右。實(shí)際應(yīng)用效果由于仿真為實(shí)際應(yīng)用提供了可靠的理論基礎(chǔ)，電荷放大器在實(shí)際應(yīng)用效果很好，圖9就是信號(hào)放大后通過(guò)示波器得到的實(shí)際波形，由圖9 可知雜波干擾基本是在200mV 以內(nèi)，信噪比很高。

實(shí)際應(yīng)用效果

由于仿真為實(shí)際應(yīng)用提供了可靠的理論基礎(chǔ)，電荷放大器在實(shí)際應(yīng)用效果很好，圖9就是信號(hào)放大后通過(guò)示波器得到的實(shí)際波形，由圖9 可知雜波干擾基本是在200mV 以內(nèi)，信噪比很高。

本文設(shè)計(jì)的電荷放大器是針對(duì)超聲波等體流量計(jì)小信號(hào)的放大。信號(hào)在經(jīng)過(guò)電荷放大器時(shí)時(shí)間延時(shí)是變化，因此增益補(bǔ)償是電荷放大器電路中一個(gè)重要的部分，本文給出了一種補(bǔ)償增益電路設(shè)計(jì)方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明它具有很好的增益補(bǔ)償效果。