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3 系统硬件电路设计
3.1 信号调理电路
压电加速度传感器的前置放大电路有两个作用：一是把压电传感器的微弱信号放大;另一个是把传感器的高阻抗输入变为低阻抗输出。根据压电加速度传感器的等效电路，它的输出可以是电压，也可以是电荷，因此前置放大电路也有两种形式:电压放大器和电荷放大器。
由于传感器与电压放大器相联时，系统输出电压与电缆电容C有关，而电缆电容又受电缆的长度决定。所以电压放大器的灵敏度随连接电缆的长度变化而变化，而电荷放大器则不受影响。因此，本设计采用电荷放大器。 3.1.1电荷放大器的设计
电荷放大器是一种测量仪器，一般由电荷转换部分，适调放大器，高低通滤波器，输出放大级，稳压电源和过载指示等几个部分组成，其原理框图如图3-1所示:
图3-1 电荷放大器框图
压电加速度传感器输出的高阻电荷信号Q首先经电荷转换部分转变为低内阻电压信号，再经适调放大器归一后送入高低通滤波器，经输出放大级进行放大，最后输出。 3.1.2电荷转换部分
电荷转换部分是整个电荷放大器的核心部分，这部分的输出电荷信号Q转换成电压信号V。它是由运算放大器和反馈网络组成，理想情况下这部分电路的输入电阻应该无穷大。一般输入级多采用场效应晶体管，输入阻抗可以达到1010。现在随着集成电路的发展，已出现集成了高阻输入级的运放，输入阻抗可达到1012以上。高阻运放的出现使得在输入级可以不用再采用由场效应管组成的高阻电路来提升输入阻抗，这就简化了这 部分电路的设计和调试，提高了这部分电路的集成度和性能，降低了设计成本。本设计中，我们采用的运算放大器就是这种集成了高阻输入级的高阻运算放大器，TI公司的TL084芯片，其输入阻抗为1012，带宽为3MHz，开环增益为105，而且还有内部调零电路。具体参数性能可参见TL084的数据手册。所以完全能满足本设计的理论要求。本部分电
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路如图3-2所示。
GNDR32KVCC4U1AC1Vi0.22uF20pFR1100MC3R22KC2TL08431211VCC图3-2 电荷转换原理图
100PF 为了保证精度，反馈电容采用稳定性及绝缘电阻高的精密聚苯乙烯电容，精度保证在0.5%以下。一般输出电压在1:10V范围内变化为宜，为保证电路的增益，反馈电容不能取太大，考虑到压电加速度传感器的输出电荷量，反馈电容Cf一般不超过1OOOOPF，但是反馈电容也不可选得太小，以免因寄生电容得影响给电路调试和使用造成困难一般Cf不小于1OOPF。 3.1.3适调放大部分
这部分的作用是当被测非电量(加速度或压力)一定时，用不同灵敏度的传感器去测量时，有相同的输出，以便处理记录下来的图形和数据。假定传感器的电荷灵敏度为SQ=Q1/g，电荷转换部分的增益为KQ=V1/Q1，，适调部分的增益为Ki=V0/V1，则总的传递系数为三者的乘积；
KQSQKI=
GNDQ1V1V0Q11V0= （3-1）
gQ1V1gCfV1R62KVCC4U2A3R4514K12TL084V011VCCR510K
图3-3 适调放大电路原理图
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GNDGNDR62KR32KVCC4VCCU2AU1A3R4514K11C1Vi0.22uFR22KC2312TL08420pF11412TL084V0VCCR1100MC3VCCR510K图3-4 电荷转换和适调部分电路原理图
100PF
当增益开关选好后，即反馈电容Cf一定，KQ是常数，传感器的灵敏度不同时，即每个g所产生的Q1不一样，这时我们适当调节适调部分的增益K1，就能使总增益K不变。电路原理如图3-3所示。
本设计的核心部分电荷转换和适调部分电路如图3-4所示，电荷转换部分的反馈电阻为1OOM?，反馈电容为1000PF，在高阻放大器的反向输入端有0.22uF的电容和一个RC并联电路串联，0.22uF电容的作用是隔掉压电传感器的零漂，RC并联电路的作用是消除振荡和产生超前相移。运算放大器正向输入端的2K电阻是根据运算放大器的本身性能选择的。电荷转换部分的运算放大器的两个调零端还需接入调零电路，减小运放的失调电压，具体可参见芯片的数据手册。电源采用15V直流电源。 3.1.4低通滤彼部分
压电加速度传感器是一个若阻尼的振动系统，因此它的幅频特性的高频段有一个很高的共振峰，此峰值严重地引起了高频噪声，并对输入信号产生失真和干扰。为此，需在放大器中采用低通滤波器，以补偿传感器引起的高频幅频特性。另外，在某些振动测试中，电荷放大器的通频带有时远远高于实际的需要，而无用的高频频带的存在对低频测试只会带来坏的影响。所以在系统中就非常有必要采用低通滤波器，它只能让低频交流分量通过，使无用的高频分量受到较大的衰减。
C5100uFVCC4R7Vi10KR810KU3A312TL084C450uF11V0VCCGND
图3-5 有源低通滤波原理图
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滤波器种类很多，有LC的，也有RC的，又分为有源和无源的。无源的RC低通滤波器具有线路简单，抗干扰性强，有较好的低频范围工作性能等优点，并且体积较小，成本较低，所以在测振系统中被广泛采用。但是，由于它的阻抗频率特性没有随频率而急剧改变的谐振性能，故选择性欠佳。为了克服这个缺点，在RC网络上加上运算放大器等有源元件，组成有源RC低通滤波器。有源RC滤波器在通带内不仅可以没有衰减，还可以有一定的增益。因为我们测量的信号频率不是很高，所以我们采用的是二阶RC有源滤波器，其特点是简单，易调节，其电路原理图如图3-5所示。 3.1.5输出放大部分
这部分电路包括两个部分:高通滤波和同相电压放大。因为在电荷转换部分，当Ri一定时，在切换增益档时，电路直流放大倍数变化很大，输出零点跳动较大，并且为了减少直流漂移影响，所以在低通滤波器后面又加了一个高通滤波器，将直流部分去掉。本设计的高通滤波器由一阶RC电路和运算放大器组成，如图3-6所示：电阻R9电容C和运算放大器构成了一阶RC高通滤波电路。
GNDR9300KVCC4C6Vi50uF3U4A12TL084V011VCCR11200KR102KGND
图3-6 高通滤波器和同相放大器原理图
同相电压放大的作用有二，一是前面加了高通滤波电路，信号有衰减，后面要加放大电路放大。二是利用改变同相放大的增益来改变整机的增益，因为比Cf=100pF再灵敏的档，就得采用更小的的反馈电容，此时不但分布电容影响大，精度也不易保证，而且为了保证时间常数不变，Rf也得再相应提高，要减小漂移，及也得相应再提高，输入绝缘要求也提高了，所以我们此档Cf还用100pF，而利用改变同相放大器的增益来改变整个电路的增益。并保证输出信号和压电加速度传感器的输出信号同相位。
为了适应冲击特性，高通滤波器中的电容C应该选择得比较小，而电阻R，要大一些。为了降低同相放大器对滤波器时间常数的影响，我们还是采用高输入阻抗运算放大器。本设计采用TL084放大器。
TL084放大器为高输入阻抗运放，其好处为：一是TL084放大器输入端为高阻抗输入，供电为+15V与-15V的双端直流供电。
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放大器电路设计中所涉的的电阻均为普通电阻，电容均为小型常规电容，成本小性价比高。由于电路的特殊要求，如转化电路部分输入端为等效电荷电路路的绝缘电阻，理论上该电阻应为无穷大，才能使储存的电荷没有泄露，而TL084放大器是一个高输入阻抗放大器可满足设计的运放要求。 3.1.6电源电路
考虑到所使用的放大器为TL084，是一个双端供电放大器，供电电压为15V，因此稳压电源电路中可使用常用的稳压管——三端稳压管L7915和L7815，他们的稳压性能好，工作电压要求不高，符合设计中电荷放大器的供电电压，能够满足设计要求。
结合稳压电路稳定直流电压为15V，由此出发设计降压将电路。降压电路可使用变压器直流进行降压。降压后需进行整流流整，这流部分电路的设计可采用桥式整流电路。由电网供给的交流电压（220V，50HZ）经电源变压器降压，得到股和电路需要的20V交流电压，然后再经过桥式整流电路整流，转换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压，再由滤波电路滤去交流部分，最终得到所需要的20V直流电压，但是这样的直流输出电压还会随电网电压的波动或负载的变动而变化，因此，应该设计一个稳压电路来稳住我们所需的的直流电压，是放大器始终处于稳定工作状态。电源电路如图3-7所示。
1D1421VinGNDL7915Vout3+15VBRIDGE13A1C20.33uF2T1C1220V68uFTRANS1GNDC50.1uFD11N4001GNDC32.2uFGNDC41uFD21N400132图3-7 电源电路原理图
A23.2 DSP控制系统设计
3.2.1电源电路设计
由于2407A芯片的供电电压为3.3V,而常规的电源电压常是5V。因此需要对电压进行转换。本设计采用AMS1117 3.3V作为电压转换芯片，为DSP提供3.3V电压。
AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。
AMS1117的1脚是地，2脚是输出，3脚是输入。输入电压在5V～12V之间都可以，它
L7915VoutVin1-15V