使用電壓換能器測試系統(tǒng)時，電荷放大器是一個必不可少的信號調(diào)節(jié)器。它能夠直接將微弱電荷量轉(zhuǎn)換為低阻抗電壓信號的運(yùn)算放大器，故常常被用做換能器的轉(zhuǎn)換電路。

對于氣體超聲波流量計(jì)而言任何一個測試環(huán)節(jié)都會影響測量的精度。因此需要利用Multisim12 對電荷放大器仿真，在仿真過程中發(fā)現(xiàn)在不同信號強(qiáng)度下，電荷放大器的延時是在變化，這樣對測量精度造成了嚴(yán)重影響。所以必須在電荷放大器電路中采用增益補(bǔ)償措施，設(shè)計(jì)一個增益補(bǔ)償電路，使得每次測量的延時都是相等，這樣可以大大提高超聲波氣體流計(jì)的計(jì)量精度。同時利用電路仿真軟件對增益補(bǔ)償電路。進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證參數(shù)選取的合理性。

壓電換能器的等效電路

壓電換能器是指利用壓電材料的正逆壓電效應(yīng)制成的換能器，換能器顧名思義就是指可以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件12。壓電換能器的等效電路與它的振動模式有關(guān)，這個就是著名的梅森的等效電路。在諧振頻率附近，壓電傳感器的等效電路如圖1所示。

在圖1中，CO為換能器并聯(lián)電容，C1、L1和R1分別表示換能器串聯(lián)電容、串聯(lián)電感和串聯(lián)電阻。在等效電路中換能器的串聯(lián)諧振頻率為fs，串聯(lián)電感LI 與串聯(lián)電容CI 的電抗相互抵消，換能器的阻抗Z= =R1。在串聯(lián)諧振頻率下，換能器相當(dāng)一個的發(fā)射體。而并聯(lián)諧振頻率為f，換能器的阻抗達(dá)到最大值，此時換能器相當(dāng)一個接收器。在本文電荷放大器中，壓電換能器相當(dāng)一個接收器。通過電橋測出電壓換能器在串聯(lián)諧振頻率為f; 200kHz，電壓為1V 時，測得的R，=1.441k8，C; 2.107nF。由于電荷放大器沒有直接的電荷源信號，考慮到壓電換能器是以電流形式輸出，所以可以把傳感器看作是電流源因。電流值的大小是根據(jù)接收電路的靈敏度和聲壓值來計(jì)算得到。其壓電換能器簡化等效電路如圖2 所示。

高阻抗運(yùn)放的選取原則

超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是壓電晶體，當(dāng)壓力傳感器受力后產(chǎn)生極其微弱的電荷量，這給后接電路帶來一定困難“，因此我們需要設(shè)計(jì)一個新型的電荷放大器。先要把壓電傳感器發(fā)出的信號先輸入到極高輸人阻抗、極低的偏置電流和帶寬寬的電荷放大器中。只有在極高輸人阻抗的條件下，電荷放大器的輸人端幾乎沒有分流作用，因此運(yùn)算電流都流入反饋回路，只有這樣電荷量的泄漏才能減少到我們所要求的范圍之內(nèi)以。根據(jù)上面敘述集成運(yùn)放的選擇要求，設(shè)計(jì)時我選用了LMC662，AD823，LMC6041和AD8606 芯片主要參數(shù)進(jìn)行了對比（如表1所示），并進(jìn)行了相關(guān)的仿真，經(jīng)過綜合對比驗(yàn)證選用了AD8606 這款芯片作為電荷放大器的芯片。

電荷放大器電路的設(shè)計(jì)

圖3 為本文設(shè)計(jì)實(shí)際電荷放大器仿真電路圖。圖中，電荷放大器內(nèi)部只能做到非完全補(bǔ)償，勢必會產(chǎn)生自激振蕩，在運(yùn)算放大器中接人由電容C1組成的補(bǔ)償電路，可以消除自激振蕩。

新型電荷放大器電路可以看作是一個電容負(fù)反饋增益積分放大器，所以電荷放大器反饋電容C9的品選擇必須與積分網(wǎng)絡(luò)的反饋電容基本要相同h 新型電荷放大器輸出靈敏度是通過調(diào)節(jié)電荷放大器的反饋電容C9 來實(shí)現(xiàn)的。要求反饋電容C9 的值不能取太小，否則分布電容會產(chǎn)生很大的影響;但是反饋電容C9 的值也不能取太大，否則漏電太大。電荷放大器是采用了電容負(fù)反饋，所以電荷放大器對直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開環(huán)，導(dǎo)致零點(diǎn)漂移較大;為了減少零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定，一般在反饋電容兩端并聯(lián)一個積分漂移泄漏電阻R5 （10“ 以上） 做反饋，提供直流反饋，以保持電荷放大器電路正常工作7。

仿真與分析

本文采用Multisiml2 仿真軟件對電荷放大器電路進(jìn)行仿真測試。仿真電路主要有兩個目的：第，要注意電荷放大器在不同信號強(qiáng)度下延時變化情況。第二，同時要求檢測信號通過電荷放大器放大的效果。因?yàn)闀r間測量的精度決定了超聲波氣體流量計(jì)傳播時間的測量精度，所以要求在不同的電流強(qiáng)度下，看信號相位差變化大小。相位差測量方法一般有閾值法、峰峰值測量法和過零檢測法。閾值法是先假定一個值，當(dāng)信號都經(jīng)過這個值時作為測量的依據(jù)，但是在不同信號強(qiáng)度下的電流，電壓值在不停的變化，我們根本無法用閾值法來測量小信號相位差。峰峰值測量法是測量兩個波形的最大正值或是最大負(fù)值。然而對于小信號用峰峰值進(jìn)行測量時，噪聲會對峰峰值檢測會產(chǎn)生很大的影響，這個測量方法雖然簡單，但是準(zhǔn)確度不是很高。過零檢測法是一種經(jīng)典的調(diào)制域分析方法，通過測量兩個同頻率信號過零的時間差，從而確定電荷放大器的時間延時，如圖4所示。此方法簡單可靠，實(shí)用性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測量。

本文采取以第二波過零為基準(zhǔn)來測量時間延時的大小。用Multisim12 仿真電荷放大器在不同的信號強(qiáng)度下測得時間延時的大小，如表2 所示。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，用MATLAB 編寫信號強(qiáng)度與時間延時曲線圖如圖5 所示。

如圖5 所示，電荷放大器的延時時間會隨著信號強(qiáng)度呈指數(shù)規(guī)律衰減，因此電荷放大器引起延時變化很大，故對實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果造成嚴(yán)重的影響。為了克服這一缺陷，需要設(shè)計(jì)一種增益補(bǔ)償電路來提高測量超聲波氣體流量計(jì)傳播時間的精度。我們設(shè)計(jì)的時間增益補(bǔ)償電路如圖6 所示。主要是利用通滑動變阻器和電荷放大器來實(shí)現(xiàn)增益補(bǔ)償。壓電傳感器發(fā)射超聲波信號具有連續(xù)性，根據(jù)每次接收到超聲波信號的強(qiáng)弱來調(diào)整滑動變阻器的阻值，使電荷放大器的延時保持在一個固定值。這樣可以保證每次檢測信號通過電荷放大器的延時都是一樣，提高測量的精度。所以只要選擇合理的芯公畢分歧上息講人優(yōu)民悅出片和反饋電阻的大小，使前面的西線不降和后面的曲線上升，就可以實(shí)現(xiàn)增益補(bǔ)償?shù)哪康?，這樣就可以很好的補(bǔ)償電荷放大器造成的時間延時。

在圖6 中，在不同信號強(qiáng)度下電流的大小，通過調(diào)節(jié)可變電容與可變電阻使得電荷放大器延時保證致。如表3 所示。

由圖7 可知，信號通過增益補(bǔ)償后不論通過電荷放大器信號強(qiáng)弱，時間延時都是相等。這樣使得測量時間更加精確。信號在200kHz，1uA 條件下，通過電荷放大器和濾波器電路以后的波形如圖8 所示。

由圖8我們可以看到信號經(jīng)過電荷放大器放大的波形的效果很好，原始信號的電壓值大約在300多u V，而放大后的信號大概在20mV 左右。實(shí)際應(yīng)用效果由于仿真為實(shí)際應(yīng)用提供了可靠的理論基礎(chǔ)，電荷放大器在實(shí)際應(yīng)用效果很好，圖9就是信號放大后通過示波器得到的實(shí)際波形，由圖9 可知雜波干擾基本是在200mV 以內(nèi)，信噪比很高。

實(shí)際應(yīng)用效果

由于仿真為實(shí)際應(yīng)用提供了可靠的理論基礎(chǔ)，電荷放大器在實(shí)際應(yīng)用效果很好，圖9就是信號放大后通過示波器得到的實(shí)際波形，由圖9 可知雜波干擾基本是在200mV 以內(nèi)，信噪比很高。

本文設(shè)計(jì)的電荷放大器是針對超聲波等體流量計(jì)小信號的放大。信號在經(jīng)過電荷放大器時時間延時是變化，因此增益補(bǔ)償是電荷放大器電路中一個重要的部分，本文給出了一種補(bǔ)償增益電路設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)驗(yàn)表明它具有很好的增益補(bǔ)償效果。