单通道电荷放大器应用

DFT2001型电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的低噪单通道电荷放大器，与压电型加速度计和其它压电型传感器配接，可测量振动、冲击、动态力等机械量，广泛应用于机械、动力、采矿、交通、建筑、水利、航空、航天、兵器、化爆等部门。由于精度=高，因而也适用于加速度计校准。

    DFT2001型电荷放大器具有如下特点、：

.低噪声小于5μV

    .三位十进制传感器灵敏度调节，配不同灵敏度传感器均可得到归一输出

    .宽范围可调高、低通滤波器和过载指示装置

    .多台之间的相位误差小于3°

     二、技术参数

    2.1   输入特性

          大输入电荷量±10⁶ Pc

    2.2   灵敏度：0.01-1000mV/Pc（源电容1nF时-40~+60dB）

    2.3   传感器灵敏度调节：三位十进制按码开关传感器灵敏度调节1-999Pc/Unit⑴

    2.4   准确度

    0.1mV/Unit,1mV/Unit,10mV/Unit,100mV/Unit,1000mV/Unit五档，当输入电缆等效电容分别小于10nF,68nF,22nF,6.8nF,2.2nF时，1kHz基准条件⑵小于±1%，额定工作条件⑶小于±2%。

    2.5   滤波器及频率响应

    2.5.1   高通滤波器：下限频率0.3、1、3、10、30、100Hz六档。

           允许偏差：0.3Hz,-3dB±1.5dB;1、3、10、30、100Hz

                     -3dB±1dB

           衰减斜率：-6dB/cot

    2.5.2   低通滤波器：上限频率0.3、1、3、10、30、100kHz六档。

           允许偏差：-3dB±1dB

           衰减斜率：-12dB/oct

    2.6   输出特性

    2.6.1    输出幅度：±10Vp

    2.6.2    输出电流：±5mA

    2.6.3    负载电阻：100Ω

    2.6.4    谐波失真度：在频率低于30kHz,电容性负载<47nF满幅输出时<1%

    2.7   噪声：＜5mV（增益档）

    2.8   过载指示：输出峰值超过±10Vp（±0.5）时发光二极管亮，保持时间约2秒。

    2.9   预热时间：约30分钟

2.10  电源：AC220V±10%

2.11  外形尺寸：7 0(W)×132.5(H) ×200(D)mm

2.12  重量：约2kg

注：（1）Unit单位：指与传感器灵敏度单位相对应的机械量单位、如重力

                  加速度单位g，加速度单位mSˉ²,力单位N等

   （2）基准条件：a、20℃±2℃

                  b、相对湿度（45-75）%RH

                  c、AC220V±2%或DC±19-21V

                  d、负载电阻>10kΩ

    （3）额定工作条件：a、0℃-50℃

                       b、相对湿度（20-90）%RH

                       c、供电电压AC110V~220V±10%

                       d、负载电阻>100Ω

     三、工作原理

     DFT2001电荷放大器由电荷放大级，前级放大器归一化电压放大级，高、低通滤波器，输出放大级，过载指示和稳压电源五部分组成。各部分工作原理简述如下：

     3.1   电荷放大级

     电荷放大级由一个带电容反馈的高输入阻抗高增益的运算放大器所组成，连同压电传感器与输入电缆，其等效电路如图3.1。

     其输出电压：

     Vo= -QA/Ct+Co+Cf(1+A)

     式中：Q——传感器产生的电荷

           Ct——传感器电容   

           Co——输入电缆电容

           Cf——反馈电容

           -A——运算放大器开环增益（负号指输入与输出反相），由于A很大，也因此一般情况下：

                 | Ct+ Co|<<| Cf（1+ A）|这样

                     Vo≈- QA/ Cf（1+ A）≈-Q/ Cf       (A>>1)

     由上式可知，若反馈电容Cf不变，则输出电压Vo与输入电荷Q成正比，基本上与输入电缆电容无关，因此电荷放大器可使用很长的输入电缆而对测量精度影响甚小。

     本仪器电荷放大部分由结型场效应和一高增益运算放大器组成，反馈电容Cf有4档。分析为100pF、1000 pF、0.01μF和0.1μF，从而可得到四档不同灵敏度的输出（=高灵敏度一档Cf仍为100pF利用前级放大器进行10倍放大）。

     为了稳定放大器的直流工作点，各档均并联一只反馈电阻，并使各档低下限频率为0.3 Hz。

     为了减小对传感器绝缘的要求输入端设有隔直电容。

     3.2  高低通滤波器 

    本仪器高通滤波器为紧接在电荷放大级输出端的单级RC滤波器，其每倍频程衰减6 dB

利用改变R，来得到6档不同的下限频率。但在0.3 Hz一档时，实际高通滤波器的频率约为0.08 Hz，而仪器的-低下频率由电荷放大级确定。

低通滤波器为两级RC有源滤波（图3.2），从高通滤波器输出的信号经二节RC低通滤波后送至运算放大器同相端并将输出信号正反馈至输入端以补偿通带内的不平坦度，若R1=R2，则当C1=2C2时，其幅频特性好。该滤波器衰减率为每倍频程约12 dB，同时改变R1和R2，以获得6档不同的上限频率。

      3.3  归一化电压放大级

利用一增益可调的运算放大器，使其对不同灵敏度的传感器具有不同的增益，从而得到归一化处理。

     已知一个运算放大器见（图3.3），其闭环增益可由下式确定：

-A=Zf/Zi

     由上式可见，要改变增益，只需要改变Zf或Zi即可。本仪器中Zf为固定的10kΩ而Zi由三组十进制的精密金属膜电阻2 R1-9，2R10-18, 2 R19-27组成，当仪器面板上传感器灵敏度旋到1-0-0时，Zi=1kΩ

     增益-A=10kΩ/1kΩ=10，而当旋到10-0-0时，Zi=1kΩ×9+1kΩ=10kΩ，增益-A=10kΩ/10kΩ=1

设加速度传感器的灵敏度为40pC/g，并给以10 g振动，若经电荷放大级后输出电压 为0.4V送至归一化放大级，此时若传感器灵敏度设置成4-0-0，则Zi=4kΩ，本级增益-A=10kΩ/4kΩ=2.5，这样经本级放大后输出电压成为0.4V×2.5=1V，也就是指示仪表上1V即为10g，从而达到“归一化”的目的。

3.4 输出放大器

     本仪器的输出放大器为1:1运算放大器，能在一定的容性负载下稳定工作。

     3.5 过载指示

     过载指示电路由两组对称的触发器组成，一组用于正信号，一组用于负信号，大小10μS的脉冲即可使电路动作并延时2秒，指示器的输入信号从归一化放大器和输出放大器两处分别引出，这样当任一处输出电压>10Vр时，即可使过载指示器动作，指示器为红色发光二极管。

电荷放大器应用