静电传感器信号处理电路设计及仿真分析.docx

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静电传感器信号处理电路设计及仿真分析

《工程信号处理》课程论文

论文题目静电传感器信号处理电路设计及仿真分析

所在学院：

汽车工程学院

所学专业：

车辆工程

作者姓名：

作者学号：

2017年6月

静电传感器信号处理电路设计及仿真分析

摘要:

针对航空发动机静电传感器输出信号微弱且易受外在噪声影响的特点，设计了一种新型静电信号处理电路。

基于静电传感器感应电极的等效电路模型，采集输入信号并实现电流值到电压值的转换。

进一步利用低噪声测量放大器作为信号放大模块将微弱信号放大。

对电路的增益、带宽及噪声特性进行分析，通过Multisim软件进行电路仿真。

最后通过实际信号测试对电路的信号处理效果进行验证，以及对仿真结果进行分析。

关键词:

静电传感器;信号处理;Multisim仿真;噪声分析

Abstract:

Electrostaticsensoroutputsignalisweakandsusceptibletoextrinsicandintrinsicnoisecharacteristics，anewtypeofelectrostaticsignalprocessingcircuitwasproposed．Basedontheequivalentcircuitmodelofelectrostaticsensorsensingelectrode，Low-noiseinstrumentationsimplifierwasusedassignalamplificationmoduletomagnifyweaksignal．ThesignalconditioningcircuitwassimulatedwiththeMultisimsimulatortoinvestigatethecircuitforitsgaink，bandwidthandnoiseproperties．Atlast，circuitsignalprocessingeffectwasverifiedthroughtheactualsignaltest．

Keywords:

electrostaticsensor;signalprocessing;Multisimsimulator;noiseanalysis

1静电信号采集原理

当发动机尾气中的带电颗粒经过静电传感器敏感元件时，将会在传感器的电极上产生感应电荷，感应电荷受荷电颗粒的靠近或远离影响，在敏感元件的内外侧感应出极性相反、数量相同的静电荷，电荷的聚集或者流动则形成了感应电流。

通常可以使用电容收集静电电荷，并保持其原来形态;或者使用电阻收集静电电荷，转化为电压或电流。

图1使用电容收集电荷，粒子经过电极探测区域，由于电容的充放电，产生尖峰输出信号。

输出电压是电极的感生电荷的函数:

式中:

Q为电极的感生电荷，C为电容器的电容。

图1静电电荷采集电路

电流值I为电极表面电荷值的导数

电流经过电阻，形成R×I的压差。

测试系统中，对微弱电流进行测量时，通过微电流对运算放大器充电，测量运算放大器的输出电压，如图2所示。

图2放大器中电流值转化为电压值

由于在测试系统中引入电阻会产生相对误差，增大放大器的偏移电压，因此本文中采用运算放大器的方式实现电流值到电压值的转换。

2电路设计

2.1静电传感器的等效电路

设计信号处理电路，首先要建立带电粒子和感应电极的电路模型，将探测到的感应电荷转化为电信号。

Gajewski为此建立了图3中的三分支电路来模拟静电传感器。

图3三分支电路模拟静电传感器

2.2信号处理电路设计

为实现电流值到电压值转换,在传感器电路模型接入了运算放大器。

电阻Rf和电容Cf并联接入反馈电路，控制增益和频率带宽。

其中电阻Rf决定运放的增益，输出为Rf×Is，单位为V。

截止频率为

在低频时，电容Cf断开，电流经过电阻Rf;频率高于fc时，Cf能显著减少输出增益。

反馈电容和反馈电阻同时影响放大器频率带宽，选择恰当的Rf得到预期的增益，因此，带宽的调整通过选择合适的反馈电容Cf实现。

Gajewski发现，静电传感器电极类似于低通滤波器，典型的环形电极只能通过300Hz以下的信号。

其作为低通滤波器，放大器中通常不需要加入反馈电容来过滤高频。

然而，在静电传感器的实际应用中，高频噪声可能从振动等别的方式被引入电路中，颗粒对电极的直接碰撞也会向电路引入压电噪声。

因此，必须通过放大器的滤波电路过滤高频的噪声，同时也可以显著降低电路组件引入的噪声量级。

反馈电路中使用电阻会引起偏移电流，偏移电流经过电阻，将产生偏移电压。

选用低偏置电流运放，同时运放正输入选用相同的电阻电容，防止出现偏移电压。

图4静电传感器的信号处理电路

因此图4中，Rf=Rb，Cf=Cb。

由于颗粒材料、密度、形状与管壁的撞击不同会产生不同的电荷值，因此无法预计管道中移动颗粒表面电荷。

而之前研究的静电传感器的信号处理电路，其放大增益均为固定值，无法适用于各种情况。

这样便可能会出现测量高静电荷值时，电压值已饱和的情况。

为解决这一问题，在第二部分采用增益可调节的运算放大器。

在信号处理电路中接入测量放大器，从而能够更大范围地探测和放大静电信号。

测量放大器由三运放同向并联构成，分为两级，其中对称的同相放大器A1，A2构成第一级，第二级为差动放大器A3。

在R1=R2，R3=R4=R5=R6的条件下，电路的增益为

由上式可见，可以通过改变Rg阻值实现电路增益的调节。

由此可以得到电路总增益为

3信号处理电路仿真

Multisim10用于电路仿真分析，可以测试和演示各种电子电路，可以进行电路的时域/频域分析、直流/交流分析、电路的噪声分析等。

本文采用Multisim10仿真分析电路各个模块的功能，如图5所示。

电极电路模型选择5nA，200Hz的电流源Is，串联1个100pF的电容Cs，这与Gajewski的模型建议值相符。

在反馈电路中，将20MΩ的R1和10pF的C1并联。

同时同向输入端接入等值的电阻电容并接地，补偿偏置电流的影响。

电极的电流模型采用高输入阻抗的电流源。

为了尽可能增大增益，选择高输入阻抗的FET放大器OPA2604AP来实现信号采集。

OPA2604AP运算放大器具有超低谐波失真、低噪声、高增益带宽等特点，其输入阻抗为1012Ω‖8pF。

图5信号处理电路Multisim仿真原理图

信号处理电路的第二部分选择精密测量放大器AMP02FP，其增益由一个外部电阻设定。

激光调整使输入失调电压降至100μV以下，增益为1000时，输出失调电压低于4mV，增益精度高于0．5%。

运放的增益公式如下:

式中:

VIN+为运放的正向输入端电压；VIN－为运放的反向输入端电压。

为防止输出电压饱和，将可调电阻50kΩ串联1kΩ电阻，则式中RG=R3+R4。

信号采集级的增益为R1的值，为20MΩ，测量放大器的增益为1．98～51。

此时电路的总增益为3．96×107～1．02×109。

通过Multisim仿真的交流小信号分析，研究电路的频率特性，以交流正弦波作为输出信号，得到电路频率响应，如图6所示。

这验证了计算的电路增益，以及当电路实现最大增益时的系统带宽。

图6信号处理电路分析

电路的供电电压为±9V，Multisim仿真结果显示，输出负载10kΩ时，输出信号在±7V之间。

当电路增益最大时，5nA的输入源信号可以得到最大为5.1V的电压。

当增益过高时，一些粒子将引起静电噪声，导致输出信号饱和。

通过简单地调低增益，即可得到预期的信号。

4噪声分析

4.1固有噪声分析

噪声会影响主信号。

通过Multisim的噪声分析，可以计算每一个电阻对输出节点的噪声贡献，同时可以发现电路中滤波器设计的有效性。

为研究噪声，将增益调至最大，此时，噪声也被最大化地放大至输出信号中。

实际电路中，R1，R2，R3为电路主要噪声源，3个电阻噪声源各自对输出节点产生噪声的均方根之和，再除以增益得到等价的输入噪声，则得到总噪声。

图7为R1，R2，R3作为噪声源以及总噪声对电路输出端的影响曲线

图7R1，R2，R3以及总噪声的噪声频谱

图7中噪声谱在800Hz幅值锐减，即在电路截止频率处锐减。

电路总噪声幅值随着增益的减小而降低。

4.2外在噪声分析

外部干扰产生的噪声通过电磁耦合等方式进入信号检测电路，并通过电路中的放大电路，得到进一步的放大，系统将受到严重影响。

同时，放大器在工作中也可能受到各种外部干扰，可能来自地线、电源以及空间电磁场，这些干扰有时大幅度地超过了器件内部的固有噪声，会严重影响检测微弱信号。

实际工作环境中可能主要存在以下几种外部噪声:

（1）工频干扰:

是指来自50Hz交流电源的干扰，来自电网工频信号的干扰会严重妨碍对微弱信号中有用信号的检测。

（2）电磁干扰:

电磁信号可以通过各种耦合途径进入电路，干扰检测系统，影响测量精度。

（3）地电位差噪声:

若检测系统的不同部件的接地点各不相同，则这些接地点之间会存在一定的地电位差。

50Hz的工频信号干扰，由于其频率正处于有效信号之间，不能通过电路的低通滤波器滤除。

通常选择金属屏蔽盒等来防止外部电场源的干扰，但其笨重且不一定可靠。

本文采用ICL7660作为分压器（图8），通过1个9V电池为运算放大器提供±9V双电源，避免了交流转直流电源的交流电场，也避免了50Hz的工频干扰。

其中Output1输出采集放大器后的信号，Output2输出测量放大器后的信号。

图8ICL7660实现对2个运放供电

5实验测试

将设计的信号处理电路连接至静电传感器与NI数据采集卡，将设计电路的放大增益调至最大，并对实际的信号进行处理测试。

为了将信号处理前后的效果进行对比，测试实验的结果包括未接信号处理电路和接信号处理电路，分别见图9和图10。

从图9、图10对比可以看出，设计的信号处理电路能够实现微弱电流信号到可测电压信号的转换，即有效实现静电信号的放大，并且有效减少毛刺噪声。

图9未接处理电路的信号

图10接处理电路后的信号

6结论

本文基于静电传感器感应电极的等效电路模型，采用高输入阻抗FET运算放大器将微弱电流信号转化为电压信号，并通过低噪声的测量放大器实现信号增益可调节放大。

使用池提供双电源，隔绝外在电缆的噪声。

实现了5nA的微弱电流信号转化为0．2～6．35V的电压信号。

通过低通滤波器滤除来自电子组件或粒子与电极之间碰撞产生的高频噪声，通过采用电池供电，去除来自电源线等其他的外部噪声。

仿真和实验表明，该电路具有稳定性好、噪声小、共模抑制比小以及适用性广等特点，能够实现对静电信号的有效提取和放大。

对电路的增益、带宽及噪声特性进行分析，并通过实际信号测试对电路的信号处理效果进行验证，表明设计的电路能够有效放大静电信号并滤除毛刺噪声，具有良好的处理效果。

7参考文献

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