基于精密积分器的传感器电路设计

1  引言

接收换能器包括标量水听器和矢量水听器[1-3]。顾名思义，标量水听器只可测得声场中的标量信息，而矢量水听器，作为一种新兴的水听器，可以测出声场中矢量参数。在理想流体中，没有切应力，所以，声压为标量，质点振速为矢量[4]。因此，声场中的基本信息既有标量参数，又有矢量参数，单单测得声场的标量参数是不够的，无法完整的表述声场的全部信息，所以矢量水听器的研究越来越得到重视。

利用矢量水听器获取质点振速的参数，传统上是直接利用矢量水听器中的振速传感器（速度传感器）获取[5]，具有便于信号处理的特点，但是由于其工作频带较窄，不适合直接使用。本设计针对这点，利用加速度信号具有在高频段有高灵敏度的特性，用加速度计获取加速度信号，利用精密积分器进行积分，可使改良后的速度传感器兼具易于信号处理和工作频带宽的特点，性能更加优越。

2  技术优势

积分芯片 ACF2101 是双路积分器，具有很高的精确度。通过积分器，每路积分器可以利用内部或者外部的电容器，将输入电流转换为输出电压。芯片内部包含了高精度的 100 pF 电容、保持开关、复位开关以及多路输出复用器。积分芯片 ACF2101 作为一个完整的电路，它消除了很多诸如泄漏电流引起的误差和噪声等在分立元件搭建的电路中经常遇到的问题。较于传统的积分方式，ACF2101 芯片的噪声更小，并且也省去了高性能、高阻值的反馈电阻。极低的偏置电流、低噪声、ACF2101 的差动放大器，以及用激光装配的补偿和漂移，保证了电流到电压转换的精度。

3  系统的整体设计思路

本设计共有四路电路，分别是声压 P 路，加速度X 路，加速度 Y 路和加速度 Z 路。在声压 P 路的电路设计中，只需对所得到的信号进行放大工作，不需要进行信号转换的工作，因此，此路电路只包含放大电路以及驱动电路。

加速度电路的输入信号为加速度信号，该电路应有两种状态：进行信号转换状态和直接输出状态。积分状态下，在对接信号发生器时，由于积分器的输入不能很大（实测是输入为 10 mV 以上就会有失真），而且信号发生器的工艺限制了其输出不能太小，因此放大电路置于积分电路之后并且在积分电路之前加入了衰减电路。使用的衰减电路为π型衰减电路，为了使输入内阻变大，在最前端加入了电压跟随器，如图 1 中虚框位置。而在对接加速度振子时，由于传感器的输出信号不大，此时可以去除衰减电路和电压跟随器直接进行信号的转换。在不积分状态下，信号越过积分部分直接进入放大部分，如图 1 所示。 

4  系统各硬件模块的实现

4.1 加速度信号转换模块

作为整个积分电路的核心，积分电路在电路中起着至关重要的作用，积分工作主要由积分芯片ACF2101 承担，积分电路图以及积分芯片内部电路图见图 2。

输入信号与 Sw In 管脚连接，通过积分器积分，从 Out 管脚输出，电源正电压与13管脚连接，电源负电压与 12 管脚连接。芯片内部存在两个开关：Hold开关和 Reset 开关，在进行积分时，需要保持芯片内部 Hold 开关闭合，Reset  开关断开。积分芯片内存在 100 pF 的内部积分电容，由于积分电容较小，所以在 In 管脚和 Out 管脚之间接入了一个外部积分电容，与内部的积分电容并联，增大了积分电容，保障了积分器的正常工作[6]。供电电源的两路都放置了滤波电容，使积分效果更好。

在实际测量中，当给积分芯片输入电压大于 10 mV 时，积分波形发生失真，在电路中增加了电压跟随器和衰减电路部分，衰减电路见图 3。

4.2 放大电路模块

在进行积分后，在不同频率下，由加速度信号积分出的速度信号的幅值有可能过小致使后续的芯片产生失真，所以在积分电路后加入放大电路，放大工作主要由放大芯片 INA620 承担。放大电路见图 4。

放大芯片的输入为双路输入，一路连接传感器信号（声压信号、加速度信号或者是速度信号），另一路接地，这两个信号的输入构成了伪差分放大，减少电噪声对于传感器信号的干扰，提高设计的精确度。

4.3 驱动电路模块

在矢量水听器的实际使用中，往往需要将水听器放入水下较深的位置。驱动电路增强了整个电路的长线驱动能力。驱动工作主要由芯片 DRV135 承担。驱动电路见图 5。

信号由 4 管脚流入驱动芯片，驱动后的信号由 1 管脚和 2 管脚流出，电源正电压从 6 管脚进入，电源负电压从 5 管脚流入。

4.4 拨码开关模块

在实际的应用中，在测量声场时，不但需要由加速度信号积分后获得的速度信号，还有时需要加速度信号。于是本设计中采取开关电路来对是否积分进行控制，主要由两个开关承担此任务，电源开关以及积分开关。开关电路见图 6。开关 S1 控制信号是否通过积分电路，即是否进行积分工作。开关 S2 控制电源，即是否给积分电路供电。当不需要积分电路工作时，开关 S2 直接断掉了积分电路的供电，大大减少了元件之间的干扰，提高了整套电路的精密性。

5 测试数据和结果分析

从信号源分别发出一方波信号和正弦波信号，频率为 1 kHz，幅值为 50 mV，输入信号的波形与最终通过接插件的输出信号波形的结合图像如图 7 所示。输入信号为方波时，输出信号为一个清晰的三角波；输入信号为正弦波时，输出信号为一个清晰的正弦波，与输入信号的正弦波相差 90°。接着在固定输入信号的幅值的情况下，在指定的频段下（20 Hz 到 2 kHz）改变输入信号的频率，随着输入信号频率的增大，输出信号的幅值减小，随着输入信号频率的减小，输出信号的幅值增大。

为了说明本设计在对接传感器后是否会出现理想的灵敏度，将实测的加速度传感器的灵敏度与本课题测得的增益相结合，如图 8（a）所示。

通过图 8 可发现：对接传感器后，速度传感器灵敏度近似是一条平直的直线，加速度传感器的灵敏度随频率近似呈线性变化。两种传感器的图像都与理论推导吻合。

6  结语

矢量水听器不仅能测量声场中声压的标量信息，还可以测量质点振速的矢量信息[7]。在测量质点振速过程中，有加速度传感器和速度传感器两类传感器，加速度传感器灵敏度随频率增大而增大，速度传感器灵敏度不随频率变化，由于速度传感器体型较大、不易加工，所以很少直接应用[8]。本设计针对这点，利用加速度和速度之间的转换关系，利用加速度传感器构成速度传感器，使得其灵敏度为一恒定值，极大地方便了实验的使用和数据的处理。