电荷放大器+低通滤波器

摘要 以掌握电荷放大器及低通滤波器的功能和电路工作原理为目的，完成了电荷放大器的电路焊接和低通滤波器的电路焊接。首先对电荷放大器的电路工作原理和低通滤波器的电路工作原理做了理论分析，然后使用示波器对各个电路测试点的波形进行测试，验证了理论分析的正确性，进一步加深了对电路的理解。分析各种出现电路故障与波形输出不符的原因，进一步改进电路板，得到预期的实验结果。得到了预期的实验结果。

电荷放大器+低通滤波器

1.系统总体架构

设计的电荷放大器+低通滤波器系统如图1所示，压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。压电传感器元件是力敏感元件，在压力、应力、加速等外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量的测量。压电式传感器提供电荷量，经过电荷放大器将压电器件高内阻的电荷源变化为传感器低内阻的电压源。再经过低通滤波器进行高频去除过滤，最终将再从示波器中验证信号截止波形。

图1 电荷放大器+低通滤波器系统

2.电荷放大器电路分析

实验中采用的相敏检波器电路如图2-1所示，由CA3410运算放大器、一个电位器以及电阻、电容等外围电路组成。

图2-1 电荷放大器电路

2.1电荷放大器功能与基本电路原理分析

图2-2 电荷放大器的等效电路

        电荷放大器的特点是把压电器件高内阻的电荷源变化为传感器低内阻的电压源，来实现阻抗匹配，并使其输出电压与输入电荷成正比。在该等效电路中把Ra和Ri看做无限大，忽略了Ra和Ri，如图所示，它实际上是由并联的电阻Rf与电容Cf组成的积分负反馈运算放大器。

        分析电路可知，与并联，阻抗采用复数形式：表示，其中实数部分为电阻，虚数部分为电容。并联计算阻抗为：

                        ​​​​​​​        ​​​​​​​        ​​​​​​​        

当反馈电阻足够大时， ≈ jXc

总电荷Q等于电路中每个电容上电荷的总和，即

当k足够大时，

则

        由此可见电荷放大器本身的电容大小与电缆长短将不影响电荷放大器的输出，输出电压只取决于输入电荷Q以及反馈电容有关。其中反馈电阻Rf提供了直流反馈的功能,因为在电荷放大器中采用电容负反馈,对直流工作点相当于开路,故零漂比较大而产生误差,为了减小零漂,使放大器工作稳定,应并联电阻Rf。

                                                

2.2 CA3140芯片电路管脚分析

        CA3140高输入阻抗运算放大器，是美国无线电公司研制开发的一种BiMOS高电压的运算放大器在一片集成芯片上，该CA3140A和CA3140BiMOS运算放大器功能保护MOSFET的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能。操作电源电压从4V至36V（无论单或双电源），它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点。芯片手册中给的标准电源电压为±15V。（互补对称金属氧化物半导体）卓越性能的运放。

图2-3 CA3140运放管脚功能图

图2-4 CA3140管脚功能表

2.3 实际焊接电荷放大器电路原理分析

图2-5 电荷放大器电路

图2-6 电路板布局图

        电路板电荷放大器（图2-6蓝色框）的实际焊接参考图2-5，对比图2-2所分析的电荷放大器以及基本原理电路图可知：R4相当于Rf；C6、C7组合相当于Cf（由于C6相对于C7太小，转换为等效电路图时可忽略不计）；C8、R2是为了抑制压电传感器的零点漂移；W是CA3140的调零（抑制集成运放电路的零点漂移），同时通过与CA3140的4脚所相连的2脚不断改变，W的阻值改变使得4脚电位变化，起到调节放大倍数的作用；CA3140的7脚、4脚分别接+15V、-15V，为增益提供能量；C1、C2组成的电路是为了退耦（C3、C4同理），如图所示：

 

图2-7 电荷放大器电路标注

把Rf只要只够大，则在计算时可忽略其他的电容和电阻，只保留关键器件，电路等效为图2-8所示：

图2-8 等效电路图

R1与50欧的电缆匹配，由虚短虚断可得V+=V-=0V,则（Vi - V-）/R2=（V- - Vo）/Zf,化简可得Vo=-Zf/R2*Vi。且根据2.2电荷放大器基本电路原理分析以及两者电路图比较，有：
Vo≈-QC

2.4 电荷放大器功能检测

电路接线：将压电传感器的信号输出至电荷放大器的输入端Vi，把示波器的两根输入线分别接至电荷放大器的输出Vo和地，同时把电荷放大器的+15V -15V接好，其余接地，组成一个测量线路。

测试步骤：测试开始前先接实验箱上的电荷放大器，观察示波器波形，确保示波器没问题。调整好示波器，开启主电源，调整波形的幅度旋钮，观察输入和输出波形的相位和幅度值关系。当波形稳定时，调整实验箱低频振荡器的频率调节旋钮，观察波形。

测试结果：在频率小的时候，输入和输出波形相反，且波形随着频率的增大而增大，但是增大到一定数值时输出波形会失真。

电荷放大器输出波形如下：

图2-9 电荷放大器输出波形图

3.低通滤波器设计

3.1 低通滤波器原理

滤波器主要有低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器三种，按照电路工作原理又可分为无源和有源滤波器两大类。

电感阻止高频信号通过而允许低频信号通过，电容的特性却相反。信号能够通过电感的滤波器、或者通过电容连接到地的滤波器对于低频信号的衰减要比高频信号小，称为低通滤波器。低通滤波器利用电容通高频阻低频、电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频，利用电容吸收电感、阻碍的方法不使它通过；对于需要放行的低频，利用电容高阻、电感低阻的特点让它通过。

最简单的低通滤波器由电阻和电容元件构成，如下图。该低通滤波器的作用是让低于转折频率f0的低频段信号通过， 而将高于转折频率f0的信号去掉。

 

图3-1 RC无源低通滤波器及其幅频特性曲线

当输入信号Vin中频率低于转折频率f0的信号加到电路中时，由于C的容抗很大而无分流作用，所以这一低频信号经R输出。当Vin中频率高于转折频率f0时，因C的容抗已很小，故通过R的高频信号由C分流到地而无输出，达到低通的目的。这一RC低通滤波器的转折频率f，由下式决定

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3.2 二阶有源低通滤波器电路原理

它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率f>>fH时(fH为截止频率)，电路的每级RC电路的相移趋于-90°，两级RC电路的移相到-180°，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容C引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。电路原理图如图3-2所示。

 

图3-2压控电压滤源二阶有源低通波电路

对比一阶有源低通滤波器和压控电压源型二阶有源低通滤波电路:一阶电路的过渡带较宽，幅频特性的最大衰减斜率仅为-20dB/十倍频程:而压控电压源二阶带通滤波电路中，其衰减斜率可达-40dB/+倍频程，幅频特性曲线过渡带相对较窄，有利于滤波电路更好的实现滤波功能。所以通过对比压控电压源型二阶有源低通滤波器具有比一阶有源低通滤波器更好的滤波特性，所以在实际焊接电路板时选择压控电压源型二阶有源低通滤波器。

3.3 选择电容器

    由于设计的低通滤波器截止频率是40HZ，故根据滤波器工作频率与滤波电容取值对应表可知，电容器选用的是1-0.1uf，这里选择0.1uf。

 

表1 滤波器工作频率与滤波电容取值对应表

3.4 计算电阻器阻值

    选取R1=R2=Rf，通带截止计算公式为：

    电容C1=C2=Cf=0.1uf，计算得R1=R2=39.8KΩ，根据常用电阻则可以取30KΩ与10KΩ串联。

        品质因数Q的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。由Q值的有源低通滤波电路的幅频特性曲线图可知，当Q=0.707时，滤波器的幅频特性最为平坦；如果Q＞0.707时，幅频特性将出现峰值。为了幅频特性曲线能够更好的平稳，设计电路Q值为0.707

                             

图3-3 不同Q值的有源低通滤波电路的幅频特性曲线

        由增益G与品质因素Q的公式得增益G为1.6的二阶有源低通滤波器。：

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        取R3=5k,

        根据理论计算确定的参数画出仿真电路图，如下图所示：

  

图3-4 二阶有源低通滤波器仿真电路图

当频率为20HZ时，二阶有源低通滤波器仿真电路图如下，得知输入电压是4V，经过低通滤波器后是6.2V，增益G约为1.6，基本符合。 

图3-5 20hz二阶有源低通滤波器仿真电路图

当频率为40HZ时，二阶有源低通滤波器仿真电路图如下，得知输入电压是4V，经过低通滤波器后约是4V，截止频率为40HZ，基本符合。

图3-5 20hz二阶有源低通滤波器仿真电路图

4 电荷放大器与低通滤波器测试电路

 本电路由电荷放大器及低通滤波器组成，器件图及焊接走线图如下图所示： 

 

图4-1 器件图

 

图4-2 走线图

4.1 测试步骤

1. 先对示波器两个输入口进行测试，检查输入口以及两根线是否有用
2. 将压电式传感器和示波器进行连接，检测示波器的波形图是否正常，以及正常情况下波形是如何走动的；
3. 接线，根据图4-3进行接线，将面包板上的+15V以及-15V跟实验箱上对应的电压相连接，同时将电荷放大器的输出端与低通滤波器的输入端进行连接，再通过地线的连接，将面包板和示波器连在一起；
4. 观察示波器的波形，得出结果。 

图4-3 接线图

4.2 测试结果分析

图4-4 实验波形图

在测试完电路无短路现象之后，按照上述实验步骤测试得到图4-4实验波形，可以看到在149KHz时候，频率已经几乎全部截止了，但信号中还是参杂着干扰。实际波形与理论波形存在很大的差距。通过检查分析，总结出以下两种可能原因：

1. 焊接技术不过关，有许多焊点不符合焊接规范，导致在面包板上的许多点多次吸锡重焊，重焊下面包板的小铁圈脱落，焊接完之后的锡也存在许多黑点，给电路带来了许多干扰，致使干扰信号过大；
2. 电容过滤效果不好，由于截止频率40Hz过高，电容的选取范围是0.1uf到1uf，把0.1uf换成0.33uf可能效果会更好；

5 结论

本次课设主要是通过了解电荷放大器和低通滤波器的原理，自行设计制作一个电荷放大器和低通滤波器，从而代替实验箱上的电荷放大器和低通滤波器。课设首先是焊接，在焊接的时候需要根据电路图进行分析，部分电容的正负极必须接正常，否则很容易引起短路。此次课设也暴露出了我电路分析上和电焊存在的一些不足，第一次测试无信号就是因为焊接技术不到位，从而出现了虚焊和多次在原万能板上改动电路导致干扰过大得到初次实验波形失真很大，后通过重新设计电路和低通滤波器重焊验证自己的错误分析是对的，得到了预期的实验结果。