一种抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构

1.本发明属于通用传感器电路领域，具体涉及一种抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构。


背景技术：

2.随着科学技术的日益发展，压电测量已经从动态高频测量范围延伸至低频乃至准静态测量范围，从高能量的振动波信号测量延伸至人体呼吸信号、地震波等微弱能量信号的测量。电荷放大器是与压电测量配套使用的调理电路，限制压电传感器低频乃至准静态测量范围内使用的一个关键因素就是电荷放大器的电压漂移现象，电压漂移现象会对输出的信号造成极大的误差，并且当漂移到一定程度以后，就会造成测量信号接收不完整的情况。对于电荷放大器，无论准静态信号测量还是动态信号调理都存在着严重的电压漂移现象，这极大程度的限制了压电传感器准静态信号测量与动态中高频信号测量的工程使用。除了电压漂移现象外，在实际的工程使用中存在诸多干扰信号源，使得测量电路信号中夹杂很多噪声，同样会影响获取信号的质量。
3.目前为止国内外众多专家学者针对电荷放大器的电压漂移现象展开研究并且取得了一定的研究成果，但是解决问题仍然不够完善，只是侧重于实现准静态信号测量功能实现，提升信号质量，实现微弱信号的测量或者解决电压漂移现象中个别问题进行解决，没有综合考虑多种问题汇合的实际工程应用情况。例如，emad alnasser提出了一种较低偏置电流影响的可以实现较低频率下应用的电荷放大器，但他的最低截止频率只能达到0.2hz，对于结构准静态测量频率远远不够，另外对于降噪性能并未有过多的考虑(e.alnasser,"anovel low output offset voltage charge amplifier for piezoelectric sensors,"in ieee sensors journal,vol.20,no.10,pp.5360-5367,15may15,2020,doi:10.1109/jsen.2020.2970839.)。blumen等人提出一种消除电压漂移现象的电荷放大器专利，但是并没有解决电路输出信号质量差的问题。(blumen,arthur russell,and kenneth r.knowles."apparatus for reducing offset voltage drifts in a charge amplifier circuit."u.s.patent no.7,414,466.19aug.2008.)。ramanathan等人提出了一种对称结构的电荷放大器电路设计，但是实际测试下来仍然存在严重的电压漂移现象(ramanathan,arun k.,leon m.headings,and marcelo j.dapino."near static strain measurement with piezoelectric films."sensors and actuators a:physical 301(2020):111654.)。在国内，周凌波等在实验中所用的电荷放大器通过时间常数调整，可以实现基本静态测量，但其使用的通用型电荷放大器输出灵敏度低且没有考虑降噪处理，很难实现微弱信号的检测(周凌波,胡志宽,孙玉东,段勇&吴江海.(2021).水锤冲击过程的准静态测量方法及其不确定度分析..(eds.)第十八届船舶水下噪声学术讨论会论文集(pp.1127-1134).)。


技术实现要素：

4.本发明提出一种抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构，较大程度抑制电路共模噪声以提升输出信号质量，并且可以通过电路参数的调整实现测量信号最终输出放大的电路结构。
5.本技术实施例公开了一种抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构，包括集成于同一电路板中的消除漂移电压电路模块、电荷转电压电路模块、减法电路模块，所述消除漂移电压电路模块包括相同规格的成对称设置的两个运算放大器s1、两个电阻r5、两个电阻r2、两个电容c2，所述电荷转电压电路模块包括相同规格的成对称设置的两个运算放大器s1、两个电容c1、两个电阻r1，所述减法电路模块包括两个规格相同的电阻r3、两个规格相同的电阻r4、一个运算放大器s1，
6.具体连接方式为：pvdf压电薄膜传感器在感知到外界信息后产生正负电荷信号，分别通过线缆到达所述电荷转电压电路模块的两个运算放大器s1的负反馈输入端，同时其正反馈输入端接地，且其输出端分别连接于所述消除漂移电压电路模块中的电阻r2的一端以及所述减法电路模块中的电阻r3的左端，
7.所述消除漂移电压电路模块的两个运算放大器s1的输出端分别经过电阻r5以后分别连接至所述电荷转电压电路模块的两个运算放大器s1的负反馈输入端，且其负反馈输入端连接至其输出端，且其正反馈输入端连接至电阻r2的另一端，
8.所述减法电路模块的运算放大器s1的正反馈输入端与负反馈输入端分别连接于两个电阻r3的右端。
9.优选地，在上述抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构中，所述消除漂移电压电路模块与所述电荷转电压电路模块与所述减法电路模块三者中的运算放大器s1规格相同。
10.优选地，在上述抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构中，电容c2的一端连接于所述电阻r2与所述消除漂移电压电路模块的运算放大器s1的正反馈输入端之间，另一端接地。
11.优选地，在上述抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构中，电容c1的两端分别连接于所述电荷转电压电路模块的运算放大器s1的输出端与其负反馈输入端。
12.优选地，在上述抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构中，电阻r1的两端分别连接于所述电荷转电压电路模块的运算放大器s1的输出端与其负反馈输入端。
13.优选地，在上述抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构中，电阻r4的两端分别连接于所述减法电路模块的运算放大器s1的输出端与其负反馈输入端。
14.与现有技术相比，本发明较大程度抑制了传统电荷放大器电压漂移现象，较大程度抑制电路共模噪声影响，并且可以通过电路参数的调整实现微弱信号的放大测量。
附图说明
15.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1所示为传统的电荷放大器电路结构图；
17.图2所示为本发明实施例中抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构图；
18.图3所示为本发明实施例中电路设计噪声抑制情况图；
19.图4所示为本发明实施例中传统电荷放大器电压漂移现象与改进的电荷放大器电压漂移测试图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.结合图1所示，传统的电荷放大器的电路结构图，其可以把压电传感器输出的电荷信号转换成电压信号输出，但由于积分电路的设计，在没有信号输入时会逐渐的在反馈电容c1上积累偏置电流产生的电荷，随着时间的推移其偏移量会逐渐增加至运算放大器s1的测量满量程为止。虽然传统的电荷放大器电路设计结构在反馈电容c1两边并联电阻r1以减少电压漂移的现象，但是为了能实现准静态测量，需要整个测量电路的时间常数尽可能大，因此需要阻值非常大的反馈电阻r1，而增大电阻r1又会引起较大的电压漂移现象，会严重影响测量电路的准确性，另外由于环境，电路中的腐蚀情况都会一定程度引起电压漂移。传统的电荷放大器同时也会受到环境噪声的影响，具体包括工频噪声，线缆或环境中存在的共模噪声等。
22.结合图2-4所示，抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构，包括集成于同一电路板中的消除漂移电压电路模块ⅰ、电荷转电压电路模块ⅱ、减法电路模块ⅲ，消除漂移电压电路模块包括相同规格的成对称设置的两个运算放大器s1、两个电阻r5、两个电阻r2、两个电容c2，电荷转电压电路模块包括相同规格的成对称设置的两个运算放大器s1、两个电容c1、两个电阻r1，减法电路模块包括两个规格相同的电阻r3、两个规格相同的电阻r4、一个运算放大器s1，消除漂移电压电路模块与电荷转电压电路模块与减法电路模块三者中的运算放大器s1规格相同。
23.具体连接方式为：pvdf压电薄膜传感器在感知到外界信息后产生正负电荷信号，分别通过线缆到达电荷转电压电路模块的两个运算放大器s1的负反馈输入端，同时其正反馈输入端接地，且其输出端分别连接于消除漂移电压电路模块中的电阻r2的一端以及减法电路模块中的电阻r3的左端，
24.消除漂移电压电路模块的两个运算放大器s1的输出端分别经过电阻r5以后分别连接至电荷转电压电路模块的两个运算放大器s1的负反馈输入端，且其负反馈输入端连接至其输出端，且其正反馈输入端连接至电阻r2的另一端，
25.减法电路模块的运算放大器s1的正反馈输入端与负反馈输入端分别连接于两个电阻r3的右端。
26.电容c2的一端连接于电阻r2与消除漂移电压电路模块的运算放大器s1的正反馈输入端之间，另一端接地。
27.电容c1的两端分别连接于电荷转电压电路模块的运算放大器s1的输出端与其负
反馈输入端。
28.电阻r1的两端分别连接于电荷转电压电路模块的运算放大器s1的输出端与其负反馈输入端。
29.电阻r4的两端分别连接于减法电路模块的运算放大器s1的输出端与其负反馈输入端。
30.本专利具体提出的电路，具体由消除漂移电压电路模块ⅰ、电荷转电压电路模块ⅱ、减法电路模块ⅲ组成，模块集成在一块印制电路板中。此电路设计包括两部分的信号流向：第一路为我们所需要的pvdf压电传感器产生的能准确表征结构信息的信号，信号是由pvdf产生的电荷信号，第二路电路为整个测量系统中存在的引起电压漂移的偏置电路信号。对于pvdf产生的能准确代表结构状况的电荷信号，一路信号经过电荷转电压电路模块ⅱ实现电荷信号转变成外部设备便于测量的电压信号，具体表现为pvdf产生的电荷通过积分电容c1聚集，通过电容把电荷信号转换成电压信号，电阻r1的作用为调理整个电荷转电压电路模块ⅱ的时间常数，通过尽可能的增大r1的电阻值起到测量压电传感器准静态信号的能力，并且一定程度上起到抑制电压漂移的现象，为聚集在电容c1上的电荷以及电荷放大器本身产生的偏置电流i1提供泄流途径，避免其流经运算放大器或聚集在反馈电容c1上，从而造成更加严重的电压漂移现象。经过电荷转电压电路模块ⅱ以后，pvdf产生的电荷信息转变成电压信号流经减法电路ⅲ，减法电路模块ⅲ的主要作用是实现差分信号转单端信号的转变。其中减法电路由两个电阻r3和两个电阻r4组成。两个r3和两个r4的电阻阻值相等，可以通过调整r3和r4电阻的阻值实现对于电压信号的放大，以实现微弱信号的测量。另外一路信号会经过消除漂移电压电路模块ⅰ直接到达电荷转电压电路模块ⅱ，因此这部分电路流过电荷信号属于干扰信号，因此对于消除漂移电压电路模块ⅰ中的电阻r5和电容c2组成低通滤波器抑制这部分干扰信号通过消除漂移电压电路模块ⅰ。消除漂移电压电路模块ⅰ中电阻r2和电容c2同时也构成一低通滤波器，实现输出至电荷转电压电路模块ⅱ的漂移电压量通过消除漂移电压电路模块ⅰ到达电荷转电压电路模块ⅱ的输入端通过电阻r5的合理选值可以抵消掉输入的偏置电流ib1，从而实现抑制电压漂移现象，由于电荷转电压电路模块ⅱ整体结构为一个电压跟随器设计，所以通过消除漂移电压电路模块ⅰ到达电荷转电压电路模块ⅱ的输入端的电压与输入的引起漂移现象的偏置电流ib1反向，两部分反向的电流相互抵消便可以实现偏置电流的抑制。
31.对于电路中存在的引起电压漂移的偏置信号量，具体流动路径为一部分通过电荷转电压电路模块ⅱ和运算放大器s1后转换成电压信号，这部分和pvdf压电传感器产生的准确代表结构的信号在电荷转电压电路模块ⅱ输出端混在一起，为主要引起电压漂移的信号量，其经过消除漂移电压电路模块ⅰ后通过电阻r5的合理选值便可以实现电压漂移现象的抑制，另外一部分引起电压漂移的偏置信号量通过消除漂移电压电路模块ⅰ直接到电荷转电压电路模块ⅱ的输出端，但其由电阻r5和电容c2组成低通滤波器抑制通过。
32.消除漂移电压电路模块ⅰ主要由运算放大器s1，电阻r2,电阻r5，以及电容c2组成。这一部分为抑制整个电路结构产生的电压漂移现象的核心设计部分。电荷转电压电路模块由运算放大器s1，电阻r1和电容c1组成，这一部分是转换压电传感器电荷信号为电压信号的核心设计部分，并且通过电阻r1的电阻值和电容c1的电容值选取可以确定通过此部分电路的信号的频率。通过电荷转电压模块ⅱ确定我们需要采样信号的最低截止频率以后，就
可以通过消除漂移电压电路模块ⅰ中r5，r2和c2的具体选值去补偿抵消电路中存在的电压漂移电压。电阻r5，电阻r2和电容c2的选值是这部分电路设计的关键，电阻r2与电容c2的连接构成一个低通滤波电路，这部分设计的作用是使得经过电荷转换的漂移信号量流经此部分电路以抑制我们需要的正确频率的电压信号。电阻r5与电容c2的连接构成一个低通滤波电路，这部分连接电路构成的作用是抑制pvdf产生的有用信号流经消除漂移电压电路模块ⅰ，并且电阻r5的阻值的选择还承担了一个重要的作用，当电路中的漂移电压成分通过消除漂移电压电路模块ⅰ反馈至电荷转电压模块ⅱ的输入端的时候，合理的选择电阻r5的阻值才能消除掉电路中的漂移量。减法电路模块ⅲ由电阻r3，r4以及运算放大器s1组成，这部分电路承担了前级电荷转电压电路ⅱ和消除漂移电压电路模块ⅰ调理过的信号进行放大和差分电路转换单端电路的作用。通过设置电阻r4和电阻r3的电阻值即可实现对于pvdf产生的信号的放大倍数调整，实现电路中微弱信号测量的功能。
33.电路设计的模块ⅰ和模块ⅱ采用完全对称的差分结构设计，实现对于整个电路结构中存在的共模噪声，环境噪声，线缆噪声，以及工频噪声进行抑制消除，最后采用减法电路模块ⅲ实现差分电路转换成单端电路的设计，减法电路模块ⅲ不仅可以使得差分信号转换成外部设备便于测量的电压信号，而且可以使得经过消除漂移电压电路模块ⅰ和电荷转电压电路ⅱ的微弱信号放大调理，便于实现小能量信号测试。
34.如附图4所示，1为电荷放大器1四小时漂移结果，2为电荷放大器2漂移四小时结果。本发明有效减少了传统的电荷放大器存在的电压漂移现象，如附图3所示有效的抑制了环境中存在的电磁干扰，线缆噪声，工频噪声等噪声源，极大程度提升了测量信号的质量，后级减法电路的设计可以实现测量电路电压信号放大倍数的调整，极大的提升了测量微弱信号的能力。
35.下面结合具体实施例进行举例说明
36.s1要设计出达到很好的抑制电压漂移现象与抑制噪声效果的电路，需要进行电路参数的严格选值，并且电路结构部分要进行严格的对称设计。比如我们要测量呼吸信号，呼吸信号的频率在1hz左右，因此我们通过电荷转换模块的通带频率应该满足能测量1hz的低频信号，可以选择r1的电阻值为10gω的电阻，电容c1可以选择为0.01uf的电容值，这样电路系统的通过信号的下限频率就被确定了，频率为
[0037][0038]
此时的电路结构的通带频率的截止频率约为0.002hz，呼吸信号的频率在1hz在我们设计的电荷放大器考虑的频带范围之内。
[0039]
s2在确定电荷转电压电路模块ⅱ中的r1和c1的选值以后，为了很好的抑制电路中存在的失调电流以及其它引起电压漂移现象的电流，需要对于消除漂移电压电路模块ⅰ中的元件参数进行选值，一般设计时候先选择电容c2为定值，比如选取10uf，此时由电阻r2和电容c2所构成的低通滤波器的截止频率f应该远远小于由电荷转电压电路模块ⅱ中电阻r1和电容c1组成的高通滤波器的截止频率fc，使得其在满足抑制直流电压漂移的程度下不影响正常信号的输出，那么r2的值便可以通过下式确定
[0040]
[0041]
选择r2的值为20mω。则电荷转电压电路模块ⅱ中能通过的电压信号的频率通带的最高截止频率为0.0008hz。此时满足设计要求，整个电路结构便会获得比较好的直流电压漂移的补偿效果。
[0042]
s3为了防止输入信号直接通过消除漂移电压电路模块ⅰ直接到达电荷转电压电路模块ⅱ对正常信号造成干扰，此时需考虑消除漂移电压电路模块ⅰ电阻r5和电容c2构成的低通滤波器可以抑制掉这部分的电压信号通过。通过合适的取值r5，使得这部分电路频带的截止频率远远低于所测信号的截止频率即可。在设计时，选择合适的r5可以反馈足够好的抑制电流，r5的另外一个选取原则需满足其与电荷转电压电路模块ⅱ中的r1的比值保持一个合适的大小，不能相差太大，造成补偿电流难以抑制。
[0043]
s4电路模块1和电路模块2完成输入信号的调理达到消除电压漂移和抑制共模噪声的效果以后，由减法电路实现电压信号放大调理和差分信号转成单端信号的作用以供采集电压信号设备进行采集，比如要使得电压放大的倍数为1，那可以使得r3＝r4，为10kω，当然想要其它电压的放大倍数可以通过
[0044]
的关系来实现其中k的选取就是最终减法电路模块ⅲ输出电压为减法电路模块ⅲ输入电压放大倍数。比如r3选择10kω，r4选择50kω，那么就可以放大电压倍数为5倍。
[0045]
本实施方式只是对本专利的示例性说明，而并不限定它的保护范围，本领域人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本专利的精神实质，都视为对本专利的等同替换，都在本专利的保护范围之内。

技术特征：
1.一种抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构，其特征在于，包括集成于同一电路板中的消除漂移电压电路模块、电荷转电压电路模块、减法电路模块，所述消除漂移电压电路模块包括相同规格的成对称设置的两个运算放大器s1、两个电阻r5、两个电阻r2、两个电容c2，所述电荷转电压电路模块包括相同规格的成对称设置的两个运算放大器s1、两个电容c1、两个电阻r1，所述减法电路模块包括两个规格相同的电阻r3、两个规格相同的电阻r4、一个运算放大器s1，具体连接方式为：pvdf压电薄膜传感器在感知到外界信息后产生正负电荷信号，分别通过线缆到达所述电荷转电压电路模块的两个运算放大器s1的负反馈输入端，同时其正反馈输入端接地，且其输出端分别连接于所述消除漂移电压电路模块中的电阻r2的一端以及所述减法电路模块中的电阻r3的左端，所述消除漂移电压电路模块的两个运算放大器s1的输出端分别经过电阻r5以后分别连接至所述电荷转电压电路模块的两个运算放大器s1的负反馈输入端，且其负反馈输入端连接至其输出端，且其正反馈输入端连接至电阻r2的另一端，所述减法电路模块的运算放大器s1的正反馈输入端与负反馈输入端分别连接于两个电阻r3的右端。2.根据权利要求1所述的抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构，其特征在于，所述消除漂移电压电路模块与所述电荷转电压电路模块与所述减法电路模块三者中的运算放大器s1规格相同。3.根据权利要求1所述的抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构，其特征在于，电容c2的一端连接于所述电阻r2与所述消除漂移电压电路模块的运算放大器s1的正反馈输入端之间，另一端接地。4.根据权利要求1所述的抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构，其特征在于，电容c1的两端分别连接于所述电荷转电压电路模块的运算放大器s1的输出端与其负反馈输入端。5.根据权利要求1所述的抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构，其特征在于，电阻r1的两端分别连接于所述电荷转电压电路模块的运算放大器s1的输出端与其负反馈输入端。6.根据权利要求1所述的抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构，其特征在于，电阻r4的两端分别连接于所述减法电路模块的运算放大器s1的输出端与其负反馈输入端。

技术总结
本发明公开了一种抑制电荷放大器电压漂移现象的电路结构，包括集成于同一电路板中的消除漂移电压电路模块、电荷转电压电路模块、减法电路模块，所述消除漂移电压电路模块包括相同规格的成对称设置的两个运算放大器S1、两个电阻R5、两个电阻R2、两个电容C2，所述电荷转电压电路模块包括相同规格的成对称设置的两个运算放大器S1、两个电容C1、两个电阻R1，所述减法电路模块包括两个规格相同的电阻R3、两个规格相同的电阻R4、一个运算放大器S1。本发明较大程度抑制了电荷放大器电压漂移现象以提升输出信号的准确性，较大程度抑制电路共模噪声以提升输出信号的质量，并且可以通过电路参数的调整实现信号放大以实现微弱信号的测量。数的调整实现信号放大以实现微弱信号的测量。数的调整实现信号放大以实现微弱信号的测量。


技术研发人员：徐超 姜迪午 李鹏飞 孟子然
受保护的技术使用者：西北工业大学太仓长三角研究院
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/23