劉 鑫，任勇峰

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024）

振動(dòng)信號(hào)變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉 鑫1，2，任勇峰1

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024）

多傳感器采編器能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下對(duì)飛行體在發(fā)射過程中振動(dòng)加速度、沖擊加速度、壓力、溫度等動(dòng)態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄。傳感變換器電路的性能直接影響采集系統(tǒng)的采樣精度。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中的高階集成開關(guān)電容濾波器產(chǎn)生的混疊效應(yīng)的抑制方法進(jìn)行分析及實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)了一種可程控放大、具有穩(wěn)定通帶截止頻率的振動(dòng)信號(hào)變換器設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該變換器電路具有體積小、集成度高、濾波衰減陡度大，頻率測(cè)試精度高等特點(diǎn)。

振動(dòng)加速度，精密放大器，開關(guān)電容集成濾波器，階梯噪聲，抗混疊濾波

引言

加速度信號(hào)是表征運(yùn)動(dòng)體的一個(gè)基本物理量。通?？梢酝ㄟ^對(duì)加速度測(cè)量了解物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。加速度測(cè)量已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)、地震檢測(cè)、航空、航天等慣性導(dǎo)航及武器制導(dǎo)系統(tǒng)［1-3］。例如在機(jī)械系統(tǒng)中通過測(cè)量加速度判斷運(yùn)動(dòng)機(jī)械的載荷大小并控制其狀態(tài)。在測(cè)控系統(tǒng)中，通過測(cè)量飛行體在發(fā)射、飛行過程中的振動(dòng)加速度、沖擊加速度、壓力、溫度、脈動(dòng)壓力、應(yīng)變等環(huán)境參數(shù)，掌握其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)的基于MSP430的機(jī)械振動(dòng)加速度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器信號(hào)通道少，不能滿足現(xiàn)在復(fù)雜測(cè)控系統(tǒng)中多傳感器狀態(tài)信息的識(shí)別和獲取需要。文獻(xiàn)［5］采用軟件方法實(shí)現(xiàn)的數(shù)字帶通跟蹤濾波器準(zhǔn)確提取電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的不平衡信號(hào)。

動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)量涉及到傳感器輸出激勵(lì)、信號(hào)轉(zhuǎn)換、調(diào)理、傳輸、采樣及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理等多個(gè)環(huán)節(jié)。變換器是連接傳感器和采集電路之間的橋梁，是構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。變換電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化程度直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。本文主要針對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)的放大、濾波電路進(jìn)行介紹，實(shí)現(xiàn)一種增益可調(diào)，具有穩(wěn)定通帶截止頻率的振動(dòng)信號(hào)變換器。

1 變換器原理及電路設(shè)計(jì)

傳感器信號(hào)調(diào)理電路必須無失真地接收傳感器敏感頭輸出的電壓信號(hào)，然后進(jìn)行放大、處理和非線性特性線性化等調(diào)理工作，并由ADC轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過接口電路完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或送入上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析［6-7］。而傳感變換器電路的性能直接影響后級(jí)采集系統(tǒng)的采樣精度。

為了滿足飛行體在發(fā)射過程中振動(dòng)加速度測(cè)試的要求，傳感器采用精量MEAS 64C2000。64C系列加速度傳感器采用了先進(jìn)的壓阻式MEMS技術(shù)，能提供優(yōu)越的動(dòng)態(tài)范圍和穩(wěn)定性。該型號(hào)具有全橋路輸出結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了0℃～50℃范圍的穩(wěn)定補(bǔ)償。內(nèi)部氣態(tài)阻尼結(jié)構(gòu)使其具有出色的抗沖擊能力，且在7 KHz的情況下仍能保持良好的幅頻特性。MEAS 64C2000加速度傳感器性能指標(biāo)如下：

測(cè)試量程±2 000 g；

頻響范圍0 KHz～5 KHz；

零點(diǎn)輸出＜±25 mV；

激勵(lì)電壓2 V～10 V；

靈敏度0.15 mV/g；

工作溫度-40℃～121℃。

變換器為單5 V供電。敏感單元在5 V激勵(lì)電壓下靈敏度約為0.07 mV/g。變換器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)傳感器感受到加速度信號(hào)時(shí)，通過敏感單元將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過后級(jí)的精密放大電路的調(diào)理、濾波及飽和控制，最后輸出到采編器接口供其采樣。變換器內(nèi)部包括精密放大電路，高階濾波器，輸出飽和控制、電源穩(wěn)壓電路以及輸入輸出接口。

圖1 傳感器變換器原理框圖

2 精密放大及飽和輸出控制電路

傳感器敏感單元的輸出信號(hào)為微弱的差分電壓信號(hào)，若實(shí)現(xiàn)精確采集必須通過電壓放大器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行精密放大。放大器采用可以單電源（+3 V～+12 V）或雙電源（±2.5 V～±6 V）供電，滿電壓幅度輸出的AD623。AD623允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，從而得到良好的靈活性，增益范圍1倍～1 000倍。由于AD623能夠工作在單電源供電方式，滿足變換器電源由采編器通過電纜提供的要求，并且簡(jiǎn)化供電系統(tǒng)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)采編器低功耗要求。AD623的增益是通過改變電路外圍的編程電阻RG實(shí)現(xiàn)的。電阻選擇計(jì)算公式為：

為實(shí)現(xiàn)精密放大和增益穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)采用經(jīng)過篩選的高精密電阻（0.1%～1%）。傳感器敏感頭的零點(diǎn)電壓輸出小于±25 mV，在滿量程下電壓輸出±（25+0.075×2 000）mV=±175 mV的差分電壓。

由于后級(jí)高階濾波器選用十階開關(guān)電容濾波器LTC1569，它的共模輸入電壓范圍是0 V～4 V。所以前級(jí)AD623放大增益經(jīng)過計(jì)算為11.42倍。則敏感單元滿量程輸出范圍為±1.998 5 V。

為了防止±1.998 5 V輸出信號(hào)被AD623的接地端“吃掉”，必須將參考電壓至少提高到2 V。所以需要在AD623的基準(zhǔn)電壓引腳加上2 V的偏置電壓，產(chǎn)生的OUT1輸出電壓范圍為滿足LTC1569的輸入要求。計(jì)算得到AD623的增益編程電阻RG=9.6 KΩ。

單電源供電方式下AD623精密放大電路及基準(zhǔn)電壓配置原理圖如下頁(yè)圖2所示?；鶞?zhǔn)電壓是通過5 V分壓電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)，分壓電阻采用溫漂系數(shù)小的高精密電阻。跟隨器輸入信號(hào)作為集成有源濾波器LTC1569的偏置輸入，跟隨器輸出作為放大器AD623的參考電壓。經(jīng)過一個(gè)跟隨器兩個(gè)參考電壓能起到很好的隔離作用。

3 抗混疊濾波電路

在任何一個(gè)采樣系統(tǒng)中，抗混疊濾波器可以使被采樣的信號(hào)從無限帶寬變?yōu)橛邢迬?，從而把不需要的信?hào)從采樣系統(tǒng)中去除，防止信號(hào)頻率在采樣頻率附近發(fā)生混疊［8］。一般條件下，由普通運(yùn)放、電阻和電容構(gòu)成的低階有源濾波器存在參數(shù)調(diào)整困難，元件周圍的分布電容嚴(yán)重影響濾波器的頻率特性等問題，使得濾波器的穩(wěn)定性差難以獲得高Q值。通常情況下能很好完成抗混疊的濾波器大都是高階的集成有源濾波器。集成有源濾波器有兩種類型：連續(xù)時(shí)間濾波器和開關(guān)電容濾波器。連續(xù)時(shí)間濾波器通常需要外部元件調(diào)節(jié)角頻率，從而限制了它們的靈活性；開關(guān)電容濾波器可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)靈活使用，一般情況下，可以替代分離或集成連續(xù)時(shí)間濾波器。

圖2 精密放大電路原理圖

由于飛行體發(fā)射試驗(yàn)過程中動(dòng)態(tài)測(cè)試參數(shù)多，多傳感器頻響分布較為分散。若使用普通的一階、二階有源濾波器難以滿足測(cè)試要求。變換器選用Linear公司生產(chǎn)的十階可調(diào)開關(guān)電容低通濾波器LTC1569-7。采用單5 V供電，濾波器最大截止頻率可達(dá)300 KHz，滿足傳感器頻響要求。濾波器在6倍頻程處可達(dá)80 dB的衰減陡度，能夠高精度高穩(wěn)定濾除通頻帶以外的噪聲信號(hào)。并且與普通有源濾波器相比，LTC1569構(gòu)成的濾波器還具有外接元件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)［9］。

LTC1569-7是一種首采樣數(shù)據(jù)濾波器，它可以不需要外部時(shí)鐘采用一個(gè)外部電阻對(duì)截止頻率進(jìn)行編程設(shè)置，精度可達(dá)3.5%。外部電阻對(duì)芯片內(nèi)部晶振振蕩頻率進(jìn)行1、4或16分頻。具體連接方法為引腳6（RX）與引腳7（V+）之間接一個(gè)外部電阻用以啟動(dòng)內(nèi)部時(shí)鐘。編程電阻與截止頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系式為：

5引腳（DIV/CLK）短接到4引腳（V-）時(shí)，內(nèi)部分頻設(shè)置為1∶1；當(dāng)5引腳通過100 pF電容接4引腳時(shí)，分頻設(shè)置為1∶4；當(dāng)5引腳短接到7引腳時(shí)，內(nèi)部分頻設(shè)置為1∶16。

3.1 濾波器混疊噪聲頻率分析

由于開關(guān)電容有源濾波器具有采樣特性，使得器件輸出濾波特性受開關(guān)頻率的控制會(huì)產(chǎn)生階梯噪聲。需要后置一個(gè)低通濾波器消除開關(guān)電容濾波器對(duì)模擬輸入的采樣時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)混疊。LTC1569濾波采樣頻率滿足［11］：

由文獻(xiàn)［14］后置濾波器的截止頻率fL需要滿足

其中，fSCF為開關(guān)電容濾波器的截止頻率，fL為后置低通濾波器的截止頻率。

其中，KL為二階低通濾波器10倍頻程理想衰減系數(shù)，AL為二階低通濾波器實(shí)際衰減系數(shù)。考慮到LTC1569濾波器輸出的高頻噪聲實(shí)際水平，二階濾波實(shí)際衰減率約為0.7。

根據(jù)式（8）和式（9）可以得到

由濾波器的采樣作用造成輸出信號(hào)的高頻臺(tái)階噪聲頻率滿足［10］

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文選用二階壓控低通濾波器作為開關(guān)電容濾波器后續(xù)的濾波電路。二階壓控有源低通濾波器在通道內(nèi)信號(hào)能量沒有損耗，還可以實(shí)現(xiàn)放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。在變換器前級(jí)放大輸出為0 V～4 V，若實(shí)現(xiàn)變換器0 V～5 V滿量程輸出，則在二階壓控低通濾波器需要進(jìn)行1.25倍放大?？紤]到變換器輸出頻率響應(yīng)要求精確到5 KHz，并且由于電路中電阻、電容容差的影響，十階低通濾波器的編程電阻R1*選為42.2 KΩ（1%），截止頻率為7.58 KHz。變換器基本原理圖如下頁(yè)圖3所示。

圖3 變換器主體原理圖

由上述混疊效應(yīng)理論分析可知，十階低通濾波器LTC1569輸出的高頻臺(tái)階噪聲頻率fNS=2·fCLK± fSCF=2×32×fSCF±fSCF=492.7 KHz。

根據(jù)式（6）計(jì)算電路中二階低通濾波器截止頻率應(yīng)小于48.512 KHz，電路實(shí)際采用截止頻率為44.2 KHz，增益為1.24倍的二階壓控有源低通濾波器作為開關(guān)電容濾波的后置濾波電路。實(shí)測(cè)輸出波形圖如圖4所示。

圖4 變換器實(shí)測(cè)波形

由變換器實(shí)測(cè)波形圖可以看出當(dāng)輸入7 KHz信號(hào)時(shí)，精密放大器AD623輸出波形出現(xiàn)毛刺，經(jīng)過十階低通濾波器LTC1569輸出波形出現(xiàn)了頻率約為500 KHz的階梯噪聲，經(jīng)過二階壓控低通濾波器對(duì)階梯噪聲進(jìn)行抑制，濾波效果良好。

4 結(jié) 論

本文所設(shè)計(jì)的應(yīng)用于飛行體發(fā)射試驗(yàn)中的振動(dòng)信號(hào)變換器具有良好的動(dòng)態(tài)通帶濾波效果和可編程信號(hào)放大功能。由于開關(guān)電容濾波器的采樣機(jī)制會(huì)產(chǎn)生混疊效應(yīng)，本文通過理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)詳細(xì)分析了噪聲信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理并在實(shí)際應(yīng)用中消除了這一現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)指標(biāo)，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

［1］崔春生，馬鐵華，祖 靜.引信發(fā)射環(huán)境多參數(shù)動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)與分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2012，31（21）：94-97.

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Design and Realization of Vibration Signal Convertor

LIU Xin1，2，REN Yong-feng1
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement and Technology North University of China，Taiyuan 030051，China；
2.Department of Electrical Information，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）

Multi-sensor collector can achieve the real-time measurement and data storage of impact acceleration signal，vibration acceleration signal，pressure，temperature and other dynamic parameters of air vehicle in underwater launch process under the complex circumstance.The performance of signal conditioning circuit has a direct effect on sampling accuracy of acquisition system directly.Because aliasing is an inherent phenomenon of sampled data filters.In order to realize the accurate measurement，the analysis and experiment of anti-aliasing method are introduced in detail.A vibration signal transducer is designed which can realize programmed amplifying and stable pass-band cut-off frequency.Experimental results show that the signal conditioning circuit has advantages such as integration，compact size，high-speed decays rate and high-measure precision of frequency test.

vibration acceleration，precision amplifier，integrated switch-capacitor filter，step noise，anti-alias filtering

TP274+.2；V241.4

A

1002-0640（2014）11-0101-04

2013-08-15

2013-10-30

國(guó)家自然科學(xué)基金（51275492）；山西省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練基金資助項(xiàng)目（2012248）

劉 鑫（1982- ），女，山西太原人，博士研究生。研究方向：多通道傳感器數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)，電路系統(tǒng)診斷。