电荷放大器仿真和设计

　　使用电压换能器测试系统时，电荷放大器是一个必不可少的信号调节器。它能够直接将微弱电荷量转换为低阻抗电压信号的运算放大器，故常常被用做换能器的转换电路。

　　对于气体超声波流量计而言任何一个测试环节都会影响测量的精度。因此需要利用Multisim12 对电荷放大器仿真，在仿真过程中发现在不同信号强度下，电荷放大器的延时是在变化，这样对测量精度造成了严重影响。所以必须在电荷放大器电路中采用增益补偿措施，设计一个增益补偿电路，使得每次测量的延时都是相等，这样可以大大提高超声波气体流计的计量精度。同时利用电路仿真软件对增益补偿电路。进行仿真，以验证参数选取的合理性。

　　压电换能器的等效电路

　　压电换能器是指利用压电材料的正逆压电效应制成的换能器，换能器顾名思义就是指可以进行能量转换的器件12。压电换能器的等效电路与它的振动模式有关，这个就是著名的梅森的等效电路。在谐振频率附近，压电传感器的等效电路如图1所示。

　　

　　在图1中，CO为换能器并联电容，C1、L1和R1分别表示换能器串联电容、串联电感和串联电阻。在等效电路中换能器的串联谐振频率为fs，串联电感LI 与串联电容CI 的电抗相互抵消，换能器的阻抗Z= =R1。在串联谐振频率下，换能器相当一个的发射体。而并联谐振频率为f，换能器的阻抗达到最大值，此时换能器相当一个接收器。在本文电荷放大器中，压电换能器相当一个接收器。通过电桥测出电压换能器在串联谐振频率为f; 200kHz，电压为1V 时，测得的R，=1.441k8，C; 2.107nF。由于电荷放大器没有直接的电荷源信号，考虑到压电换能器是以电流形式输出，所以可以把传感器看作是电流源因。电流值的大小是根据接收电路的灵敏度和声压值来计算得到。其压电换能器简化等效电路如图2 所示。

　　

　　高阻抗运放的选取原则

　　超声波传感器内部结构是压电晶体，当压力传感器受力后产生极其微弱的电荷量，这给后接电路带来一定困难“，因此我们需要设计一个新型的电荷放大器。先要把压电传感器发出的信号先输入到极高输人阻抗、极低的偏置电流和带宽宽的电荷放大器中。只有在极高输人阻抗的条件下，电荷放大器的输人端几乎没有分流作用，因此运算电流都流入反馈回路，只有这样电荷量的泄漏才能减少到我们所要求的范围之内以。根据上面叙述集成运放的选择要求，设计时我选用了LMC662，AD823，LMC6041和AD8606 芯片主要参数进行了对比（如表1所示），并进行了相关的仿真，经过综合对比验证选用了AD8606 这款芯片作为电荷放大器的芯片。

　　

　　电荷放大器电路的设计

　　图3 为本文设计实际电荷放大器仿真电路图。图中，电荷放大器内部只能做到非完全补偿，势必会产生自激振荡，在运算放大器中接人由电容C1组成的补偿电路，可以消除自激振荡。

　　

　　新型电荷放大器电路可以看作是一个电容负反馈增益积分放大器，所以电荷放大器反馈电容C9的品选择必须与积分网络的反馈电容基本要相同h 新型电荷放大器输出灵敏度是通过调节电荷放大器的反馈电容C9 来实现的。要求反馈电容C9 的值不能取太小，否则分布电容会产生很大的影响;但是反馈电容C9 的值也不能取太大，否则漏电太大。电荷放大器是采用了电容负反馈，所以电荷放大器对直流工作点相当于开环，导致零点漂移较大;为了减少零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容两端并联一个积分漂移泄漏电阻R5 （10“ 以上） 做反馈，提供直流反馈，以保持电荷放大器电路正常工作7。

　　仿真与分析

　　本文采用Multisiml2 仿真软件对电荷放大器电路进行仿真测试。仿真电路主要有两个目的：第，要注意电荷放大器在不同信号强度下延时变化情况。第二，同时要求检测信号通过电荷放大器放大的效果。因为时间测量的精度决定了超声波气体流量计传播时间的测量精度，所以要求在不同的电流强度下，看信号相位差变化大小。相位差测量方法一般有阈值法、峰峰值测量法和过零检测法。阈值法是先假定一个值，当信号都经过这个值时作为测量的依据，但是在不同信号强度下的电流，电压值在不停的变化，我们根本无法用阈值法来测量小信号相位差。峰峰值测量法是测量两个波形的最大正值或是最大负值。然而对于小信号用峰峰值进行测量时，噪声会对峰峰值检测会产生很大的影响，这个测量方法虽然简单，但是准确度不是很高。过零检测法是一种经典的调制域分析方法，通过测量两个同频率信号过零的时间差，从而确定电荷放大器的时间延时，如图4所示。此方法简单可靠，实用性强，能够实现高精度测量。

　　

　　本文采取以第二波过零为基准来测量时间延时的大小。用Multisim12 仿真电荷放大器在不同的信号强度下测得时间延时的大小，如表2 所示。

　　

　　根据表1的数据，用MATLAB 编写信号强度与时间延时曲线图如图5 所示。

　　

　　如图5 所示，电荷放大器的延时时间会随着信号强度呈指数规律衰减，因此电荷放大器引起延时变化很大，故对实验测量的结果造成严重的影响。为了克服这一缺陷，需要设计一种增益补偿电路来提高测量超声波气体流量计传播时间的精度。我们设计的时间增益补偿电路如图6 所示。主要是利用通滑动变阻器和电荷放大器来实现增益补偿。压电传感器发射超声波信号具有连续性，根据每次接收到超声波信号的强弱来调整滑动变阻器的阻值，使电荷放大器的延时保持在一个固定值。这样可以保证每次检测信号通过电荷放大器的延时都是一样，提高测量的精度。所以只要选择合理的芯公毕分歧上息讲人优民悦出片和反馈电阻的大小，使前面的西线不降和后面的曲线上升，就可以实现增益补偿的目的，这样就可以很好的补偿电荷放大器造成的时间延时。

　　

　　在图6 中，在不同信号强度下电流的大小，通过调节可变电容与可变电阻使得电荷放大器延时保证致。如表3 所示。

　　

　　由图7 可知，信号通过增益补偿后不论通过电荷放大器信号强弱，时间延时都是相等。这样使得测量时间更加精确。信号在200kHz，1uA 条件下，通过电荷放大器和滤波器电路以后的波形如图8 所示。

　　

　　由图8我们可以看到信号经过电荷放大器放大的波形的效果很好，原始信号的电压值大约在300多u V，而放大后的信号大概在20mV 左右。实际应用效果由于仿真为实际应用提供了可靠的理论基础，电荷放大器在实际应用效果很好，图9就是信号放大后通过示波器得到的实际波形，由图9 可知杂波干扰基本是在200mV 以内，信噪比很高。

　　

　　实际应用效果

　　由于仿真为实际应用提供了可靠的理论基础，电荷放大器在实际应用效果很好，图9就是信号放大后通过示波器得到的实际波形，由图9 可知杂波干扰基本是在200mV 以内，信噪比很高。

　　本文设计的电荷放大器是针对超声波等体流量计小信号的放大。信号在经过电荷放大器时时间延时是变化，因此增益补偿是电荷放大器电路中一个重要的部分，本文给出了一种补偿增益电路设计方案，通过实验表明它具有很好的增益补偿效果。