学位论文_声振动信号调理电路设计.doc

声振动信号调理电路设计 1 设计目的和意义 振动测试技术在近十年来获得了突飞猛进的发展，在工业、科研、教学、医学等领域得到了广泛的应用。振动的测量可以利用各类传感器将振动的加速度、位移等参量转换为可以测量的电信号，经过电路调理放大以后读出数据，并将数据送至处理器进行处理。现存的振动测量系统也大都相近，由振动传感器、信号调理电路、上位机处理显示部分组成。 考虑到测量系统的精度和所测信号的微弱，在对测量信号处理前需要进行放大滤波调理，所以调理电路是振动测量系统中必不可少的部分。本文在选择了振动测量传感器后，设计了传感器后端的信号调理电路，实现对测量到的微弱信号进行放大和滤波，在一定程度上提高了振动信号的测量精度。 2 指标要求 本文所设计的信号调理电路是激振检振一体化系统中检振部分的信号调理电路。由于系统的激励源发出的激振信号是频率为20Hz~20KHz的正弦信号，所以在测得的振动信号中，只有在激振信号频带内的信息才是有用信息。由于振动传感器测得的信号比较微弱，幅值大都在20mV以下，必须将其经放大器放大后才能进行测量。考虑到方便测量和测量精度，需要将微弱交流信号放大到2V左右，因此要求该放大电路具有高增益、低噪声、高稳定性等特点。 根据上述情况，提出以下指标要求： （1）带宽：20Hz~20KHz； （2）电路增益：100倍左右； 3 电路设计 根据系统整体结构，振动信号到来后，由振动传感器测得，然后经调理电路调理后，再经数据采集部分将信号送至上位机，在上位机将数据进行相应处理。根据指标要求，采用有源二阶带通滤波器来对信号进行滤波；由于放大倍数较大，采用一级放大电路至100倍，容易引起自激现象，使电路不稳定，所以采用两级放大电路级联的方式；最后为了数据采集系统进行匹配，采用了电压跟随器与后级采集系统进行隔离，防止影响调理电路性能，信号调理电路框图如图3-1所示。信号调理电路总电路图如图3-2所示。 图3-1 信号调理电路框图 图3-2 信号调理总电路图 3.1 前置放大电路 前置放大器是许多传感器信号调理电路中的基本单元，前置放大器的噪声系数对放大器的总噪声系数影响最大。故要求前置放大器必须噪声小、增益稳定、精确、抗干扰能力强。微弱信号放大电路的前置放大器的设计方法通常为两种。一种是采用一般的集成运算放大器构成差分输入的具有抑制共模干扰的放大电路，由于该电路采用分立元件构成，噪声进入系统的渠道很多，对系统的精度影响较大。 随着低噪声运放技术的不断发展, 直接选用低噪声运放设计传感器前置放大器, 成为一种重要的发展趋势，本设计采用了高精度、低噪声的仪表放大器INA118芯片来设计前置放大电路。INA118是一款小功率通用仪表放大器，是美国B-B公司生产的精密仪表放大器系列中的一种，它具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作频带宽等优点，适合对各种微小信号进行放大；INA118独特的电流反馈结构使得它在较高的增益下也能保持很高的频带宽度（G 100时带宽为70kHz）。该放大器仅需设置一个外部电阻，即可获得从1到10000的任何增益，方便外部电路的设计。 由于需要放大的是微弱信号，如果将INA118的放大倍数调的过大，就会导致后续放大电路的饱和，将信号淹没，所以本设计选取仪表放大器的放大倍数为10倍以下。根据芯片手册，考虑到电阻的方便选取，根据增益公式为，增益配置电阻选择，此时电路放大倍数为。前置放大电路图如图3-1所示，其中电容C1、C2为电源去耦电容；为了获得更好的共模抑制比，根据芯片手册在Ref引脚与地之间串接一个小电阻，即为图中R1电阻。 图3-1 前置放大电路图 3.2 去直高通滤波及第二级放大电路 去直高通滤波采用一阶RC高通滤波器，将高通截止频率设置为16Hz以去除直流分量和低于音频频率的噪声，同时将高通滤波后的信号放大至正负2V左右，便于后续进行数据采集。去直高通滤波及第二级放大电路图如图3-2所示，由R2、C3构成了去直高通滤波器，高通截止频率为;放大电路是由OP07构成的同相比例运算电路，放大倍数，图中是为了进行阻抗匹配，,由于非标准阻值，在设计中选取。 图3-2 去直高通滤波及第二级放大电路图 3.3 抗混叠滤波器 按照“奈奎斯特采样定律”，在对模拟信号进行离散化时，采样频率至少应大于被测的信号最高频率的二倍，否则可能出现因采样频率不够高，造成模拟信号中的高频信号混叠到低频段，出现虚假频率成分的现象。在振动检测过程中，振动信号频率范围为音频范围20Hz~20KHz，为了防止其他高频噪声对数据采集精度的影响，因此，有必要进行抗混叠滤波处理。 抗混叠滤波器采用Maxim公司的基于开关电容滤波技术的八阶巴特沃兹低通滤波器MAX291，使传感器在工作频带内保证足够的平坦。采用简单方便的内部时钟方式产生截止频率。由于