壓電信號采集中放大電路前置級的設計

摘要：壓電傳感器輸出的壓電信號較弱，輸出阻抗高且疊加有共模干擾；現有的幾種利用儀用放大器的壓電信號前置放大電路解決方案有一些不足。在理論分析的基礎上，時(shí)壓電信號前置放大電路做了重要改進(jìn)，提出了具有共模電壓并聯(lián)負反饋電路的壓電信號放大電路前置級方案。實(shí)驗顯示，該方案能有效抑制共模干擾、提高電路的信噪比。
關(guān)鍵詞：超聲；壓電信號；儀用放大器；共模干擾

0 引言
壓電式傳感器利用材料的壓電效應，將被測力、加速度、超聲等物理量轉換為電信號進(jìn)行輸出。壓電式傳感器的輸出阻抗很高，輸出信號較弱、又常常疊加著(zhù)強的50 Hz共模干擾，因此，它的采集系統放大調理電路需要一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，特別是該前置放大器還需要一個(gè)很高的共模抑制比。
基于儀用放大器來(lái)實(shí)現壓電信號的前置放大電路是一類(lèi)常見(jiàn)的方法。因為儀用放大器本身具有很高的共模抑制比(通常在100 dB以上)和極高的輸入阻抗(通常在109Ω以上)，低的線(xiàn)性誤差和充裕的帶寬。本文將對現有的常見(jiàn)的基于儀用放大器的壓電信號前置放大電路具體做法進(jìn)行分析，提出改進(jìn)方案，并進(jìn)行實(shí)驗驗證。

1 現有基于儀用放大器前置電路的分析
常用的壓電傳感器一般為浮地信號源，采用儀用放大器來(lái)測量浮地壓電信號源，一般容易想到的接法有3種，如圖1所示：(a)為直接將信號源連至儀放兩同相端作為差分輸入；(b)為信號源一端接至儀放的參考地；(c)為通過(guò)2個(gè)等值電阻引出信號源的共模信號，并聯(lián)至儀放的參考地。

對圖1(a)所示接法，可以想象，存在這樣的問(wèn)題。當壓電信號源相對于儀放參考地的共模信號很大時(shí)，將導致前置放大電路飽和或截止，不能正常工作。而實(shí)際中，特別是有強電磁場(chǎng)的工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境，共模電壓信號可能達到二、三十伏甚至更高。因此，這種接法是不可行、不實(shí)用的。
對圖1(b)所示接法，壓電信號源的負端和儀放參考地連在了一起。與圖1(a)相比，這種接法，壓電信號源不再浮地，輸入信號相對于儀放參考地的共模成分被始終箝制為輸入電壓的1／2，得到了一定的控制；但是，共模成分還是存在的，還有使儀放易于飽和、有效輸入范圍被減小的弊病。另外，這種接法對儀放而言是一種不平衡的接法，壓電信號源高輸出阻抗意味著(zhù)這種不平衡將帶來(lái)一些問(wèn)題，如造成外界對正負端的共模干擾轉化為差模輸入，進(jìn)而使儀用放大器的抗干擾能力下降。
對圖1(c)所示接法，從2個(gè)同阻值的電阻中間引出導線(xiàn)連接到儀放參考地。兩個(gè)同阻值電阻中間引出的信號電位為VR=(Vi1+Vi2)／2，剛好是輸入信號的共模成分。因此，這種接法將輸入共模成分牽制在了參考地，即：如果不考慮電路動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程的話(huà)，這種接法的共模輸入成分始終為0。這也是一種輸入平衡的接法。這種接法的不足是：輸入阻抗較前兩種減??；特別是，未考慮共模成分抑制的動(dòng)態(tài)過(guò)程。實(shí)際中，由于高的電路阻抗等原因，這種接法對外來(lái)的共模干擾的抑制衰減可能要花一些時(shí)間，因此，其抑制共模能力還應想辦法進(jìn)一步提高。