张建新，张 合

(南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室，南京210094)

电荷放大器作为一种直接将电荷量转换成电压信号的放大电路，广泛应用于压电传感器、光电传感器等类型传感器的信号调理电路中，而且，电荷放大器也是压电式加速度传感器信号调理电路中最常用的前置放大电路［1］。压电式加速度传感器的信号调理电路在设计完成后，需要对输出电压灵敏度进行标定，在标定过程中，由于不同的传感器具有不同的电荷灵敏度，而又希望进入采样的电压输出信号具有相同的电压灵敏度，这中间就要不断的调整电荷放大器的反馈电容等电路元器件来调整电荷放大器输出信号的增益［2－3］。同时，在某些测试过程中不同阶段要求有不同输出的灵敏度，要求系统能够随着信号的变化相应地自动改变放大系统的增益。而此时，通过改变硬件上的任何元器件，都已经是不可行的了［4］。

为了实现电荷放大器的便捷标定与增益的软件实时控制，本文通过分析压电式加速度传感器调整电路的特点，在前级电荷放大器后增加一个由微控制器控制的可变增益运算放大器组成的可调增益的后级电压放大电路，来实现加速度传感器输出信号的自动标定和增益的可变控制。

1 压电加速度传感器的信号调理

电荷放大器可以看作是一个具有深度电容负反馈的高增益放大器，通常它的前级采用了一个运算放大器作输入级，通常其等效应用电路如图1所示［5］。

图1 压电传感器与电荷放大器连接的等效电路

放大器的输出电压

考虑到运算放大器的开环增益足够大，则运算放大器的反向输入端的电位接近于“零”电位;而集成运算放大器的输入阻抗都很高，放大器的输入端几乎没有分流，电荷q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近于放大器的输出电压，即

式中，Uo为电荷放大器的输出电压;q为传感器输出的电荷量;Cf为电荷放大器的反馈电容。

由式(2)可以看出，电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容的大小有关，而与放大器开环增益、反馈电阻或电缆电容等均无关。因此，对于特定的传感器，要调整其输出灵敏度的大小，必须选择容量适当的电容作为反馈电容［6］。而在传感器标定过程中，要改变调理电路输出灵敏度的大小以及元器件的大小是比较繁琐的工作;同时对于有些要求在测试过程中改变输出电压灵敏度的应用情况，反馈电容的实时改变就更是不可行的了，因为电荷放大器是靠反馈电容Cf来调整增益的，在改变量程时反馈电容Cf上必须没有电荷，输出为0 V，否则电容Cf带走的电荷将给增益增加后的输出信号带来很大的误差。

对于电压放大电路，由可变增益运算放大器来实现，则可以实时的改变控制电压的大小来改变放大电路的增益。因此，可以将压电传感器输出的电荷信号经由电荷放大器构成的一级信号放大后，再经过可变增益运算放大电路，实现二级可变增益放大。

2 可变增益的实现

2.1 可变增益的实现方法

可变增益的实现方法，通常采用如图2所示的反向比例运算电路，是靠改变集成运算放大的反馈电阻Rf或者输入电阻R来实现，这种方法往往需要外接多路模拟开关改变电阻［7－9］。但这种方法所实现的增益变化连续性差，需要同时改变电阻Rf和R′的大小，因此需要同时改变两个通道的阻值。

图2 反向比例运算电路

如果采用由电压控制的可变增益运算放大器来实现可变增益，则只需改变放大器的控制电压，即可实现增益的连续变化［10－11］。

2.2 可变增益的作用过程

图3是能够实现可变增益控制功能的压电加速度传感器信号调理系统的工作原理图。

图3 加速度传感器信号调理可变增益控制工作原理

压电加速度传感器感受到其所受的过载信号以电荷量q输出，经过电荷放大器将电荷信号q转化为电压信号，同时实现信号的初级放大;然后经过可变增益调整部分，将电压信号进一步放大到适当的范围，再经滤波电路，输入到微处理器进行AD采样。微处理器根据采样值的大小，控制增益调整部分，从而实现可变增益。

2.3 用可变增益运算放大器实现可变增益控制

可变增益运算放大器可以通过微处理器控制，提供较大的增益范围，而且可以实现连续调整，在可变增益调理电路中实现增益的连续可调。

AD603是AD(ANALOG DEVICES)公司推出的一种低噪声电压控制增益的运算放大器。它提供精确的、可由管脚选择的增益，且增益是线性变化的，增益变化范围为40 dB，增益控制转换比例为25 mV/dB，变化范围所需时间小于1 μs。此芯片的详细参数信息及使用方法在此不作过多介绍。

3 硬件电路实现

电路的主要器件采用一个微处理器C8051F410、一个可变增益运算放大器AD603和一个双通道的集成运算放大器TLC2262和电源芯片构成，其中微控制器C8051F410集成了两个12位的电流模式数/模转模块(IDAC)，将两个电流输出引脚接到电阻，通过软件指令控制输出电流的变化来控制微控制器输出脚两端电压的变化，从而来控制可变增益运算放大器的增益。集成运算放大器中的两个通道分别用来构成电荷放大器和一个二阶的低通滤波器。

可变运算放大器的增益计算如下:

式中，VG是差动式输入的增益控制电压(引脚GPOS和GNEG之间的电压)，范围是－0.5 V～+0.5 V;G0增益起点，与所接的反馈网络有关，可以是10 dB，20 dB，30 dB。根据前级电荷放大器输出信号的范围，此处可以选择相应的增益调整范围，例如将引脚FDBK通过一个18 pF的电容接地，则G0=30，则增益可调范围是+10 dB～+50 dB。

压电加速度传感器输出电荷量q，经电荷放大器进行初级放大，初级放大倍数为固定值，信号经过初级放大一定倍数后进入可变增益运算电路，进行二级放大。二级放大电路的增益控制端由微处理器输出电流模式数/模转模块(IDAC)来控制其大小。

4 可变增益控制的应用

4.1 在加速度传感器标定系统中的应用

对于传感器—放大器系统，为了使不同灵敏度的传感器对同一加速度测量都有相同的输出，实现归一化输出，也为了确定系统输出的电压值所代表的实际加速度值，需要对传感器—放大器系统进行标定［12］。通常的标定过程是先通过理论计算出电荷放大器的反馈电容值Cf，然后在冲击台上通过与标准传感器输出的加速度值作对比，改变Cf来调整电荷放大器的放大倍数，实现待标定系统的输出。由于电容大小的不连续性，使电荷放大器的增益经常不能在需要的范围内。

在可变增益控制系统中，改变系统增益是靠改变可变增益放大器的增益控制脚两端电压来实现的，因此电荷放大部分的反馈电容Cf不用改变。本试验用的压电传感器电荷灵敏度范围分布在0.02～0.065 pC/g，要将传感器系统的输出范围调整到测试 ±30 000 g时输出电压在1.6±1.5 V，即每1 V电压对应于20 000 g过载。电荷放大器反馈电容选择4.7 nF，则可变运算放大器的增益调整范围为+11.16 dB ～ +21.40 dB，因此，可变增益运算放大器的增益范围可选择为+10 dB～+50 dB，增益计算公式:

标定过程为:先将可变增益放大器的增益控制电压固定在－0.45 V，即将增益设为12 dB，使可变增益放大器的放大倍数较小，然后给加速度传感器一次冲击信号，微控制器通过模/数转换采集到加速度传感器的输出信号，从信号幅值计算此时加速度传感器的输出电压灵敏度，如果不是所需灵敏度，则通过计算程序，计算出可变增益放大器的放大倍数，重新调理可变增益放大器的增益大小，此时的增益大小即为所需要的值，整个标定过程只需一次冲击测试即可，实现了待测加速度传感器与标准加速度传感器输出的一致。表1和表2分别是在标定传感器前后信号调理电路的输出情况，图4和图5是用示波器采集的对应输出电压波形。

表1 调整增益前的信号输出

表2 调整增益后的信号输出

4.2 在多量程测试中的应用

在测试弹体在整个弹道环境中的加速度过载过程中，加速度传感器在不同阶段所受的冲击过载相差极大，因此，随着信号的变化相应地自动改变传感器—放大器系统的增益是很有必要的。

图4 调整增益前的标定信号输出波形

图5 调整增益后的标定信号输出波形

应用此可变增益控制系统测试了迫弹在侵彻混凝土过程中的加速度过载。弹体膛内的加速度值为2 000 gn～3 000 gn，飞行过程中的加速度值接近于0、侵彻混凝土过程中的加速度值为20 000 gn～30 000 gn，发射过载与侵彻过载的幅值相差近10倍。由此特点，可以采取弹在不同阶段采用不同增益的方法，充分利用信号的量程，提高信号的分辨率:标定传感器系统正常输出电压灵敏度为20 000 gn/V，此时可变增益放大器的增益为25.2 dB。当弹在膛内发射时，将放大倍数扩大10倍，可变增益放大器增益为45.2 dB，此时 VG=0.380 V。当微处理器检测到弹发射过载的下降沿后，开始记录并存储加速度传感器输出的信号值，经过50 ms后，微处理器再将可变增益放大器的增益调整到标定时设置的25.2 dB，恢复到原来增益的大小，微处理器继续采样并存储加速度传感器输出的信号值。存储测试过程采用了负延时触发的方式，完整记录下了整个弹道过程中弹体所受加速度信号的变化。图6是弹载存储测试系统记录下的过载数据，在膛内发射阶段过载值比较小，采用电压灵敏度比较大的增益，可以充分利用信号调理空间，提高膛内小信号的分辨率。图7是将膛内过载恢复到实际值后的过载曲线。

图6 测试系统记录的过载数据曲线

图7 膛内过载恢复到实际值后的过载曲线

5 结论

在压电加速度传感器信号调理电路中采用两级放大的方法，第一级电荷放大器实现固定增益的输出，第二级可变增益运算放大器实现可变增益输出，其中不需要改变任何硬件电路元器件，只需要通过微处理器指令控制其电流模式数/模转模块(IDAC)即可实现对整个信号处理电路的可变增益进行软件实时控制。压电加速度传感器输出信号可变增益运算放大器法可变增益控制在传感器标定过程中能够方便、快捷、准确的计算出电压增益，去除了繁琐的硬件元件变动;同时其增益的实时可调性也在可变增益信号调理中具有很好的应用性。

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