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振动筒传感器自动增益谐振电路仿真设计和测试

2024-10-09 30 上传者：管理员

摘要：基于结型场效应管(JFET)可变电阻区和夹断区的特性，对振动筒传感器自动增益谐振电路进行仿真设计和测试。重点论述了激励信号占空比与振动筒电气特性的关系，自动增益控制谐振电路的实现方式和谐振电路激励端输出信号的波形、幅值和占空比设计思路。通过对振动筒的激励信号波形、幅值和占空比的设计，有效提高了传感器性能稳定和输出信号质量。

关键词：
占空比
可变电阻区
夹断区
结型场效应管
自动增益
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高精度振动筒压力传感器在航空、气象、测控等领域的大气参数测量中具有广泛应用。目前压电激励振动筒传感器谐振电路普遍采用运放饱和失真方式输出振动筒敏感体激励信号，该激励方式存在传感器信号谐波失真和因压电片激励功耗过高导致传感器性能下降的问题。

本文基于结型场效应管可变电阻区和夹断区的特性，重点论述了激励信号占空比与振动筒电气特性的关系，自动增益控制谐振电路的实现方式和谐振电路激励端输出信号的波形、幅值和占空比设计思路。通过对振动筒传感器自动增益谐振电路激励信号波形、幅值和占空比的仿真设计及参数优化，有效改善了传感器激励信号引起的谐波失真和因激励信号功耗引起的压电元件性能下降问题，提高了传感器性能稳定性和输出信号质量[1,2]。同时，本文中自动增益控制和激励信号特征的设计思路和设计方法对其他谐振式压力传感器设计具有借鉴和参考意义。

1、传感器自动增益谐振电路原理

振动筒传感器自动增益谐振电路功能框图如图1所示，包括振动筒、电荷放大电路，移相电路、自动增益放大电路和自动增益控制电路。传感器稳定输出须满足：1)闭环谐振系统正反馈的增益αA≥1,其中α为振动筒增益0<α<1,A为信号调理电路增益大于1;2)闭环谐振系统正反馈的相位满足2nπ[3]。

图1 自动增益谐振电路功能框图

为满足传感器起振和传感器起振时间，传感器闭环谐振系统起振过程中增益αA必须大于1,当传感器达到一定激励幅值且稳定输出时，要求谐振闭环系统满足增益αA=1和相位为2nπ,该过程须引入自动增益控制电路实现。

2、振动筒电学特性分析

2.1 振动筒结构组成

振动筒基本结构组成示意如图2所示。包括保护筒、振动筒敏感元件、换能元件压电片、真空腔、激励端和拾振端等。真空腔为参考腔，实现绝对压力测量。振动筒敏感元件感受被测压力。压电片与振动筒敏感元件作用实现机械能和电能的转换。拾振端和激励端与谐振电路的输入和输出连接构成闭环谐振系统。

图2 振动筒基本结构组成示意

2.2 激励端和拾振端压电片阻抗分析

激励端和拾振端压电片为传感器换能元件，等效电路如图3(a)所示。C0为静电容，R、L、C均为高频动态参数。在振动筒传感器的应用中，压电片与振动筒壁面接触，且工作在低频段，主要利用压电片的正逆压电效应，该工作机制使压电片相当于一个具有一定电容量C0的静电荷发生器，高频参数在振动筒中的意义忽略不计，其等效电路如图3(b)所示。

图3 压电片等效电路

2.3 振动筒开环测试

振动筒开环测试原理框图，如图4所示。通过对振动筒开环测试给出振动筒的幅频特性和相频特性[4],并分析振动筒在不同类型激励信号下拾振信号的特征参数(幅值、相位和品质因素)的变化情况，给出传感器谐振电路的设计依据。

图4 振动开环测试原理框图

依据振动筒开环测试原理框图，设置激励信号即信号发生器的输出信号波形为方波，高电平3.00 V,低电平为0 V,对振动筒样机进行扫频测试，可以测试出振动筒样机的固有频率为9.156 49 kHz。在振动筒样机固有频率处测试不同占空比条件下拾振信号的幅值和相位[5]。结合测试结果，如表1所示。可以给出振动筒样件在固有频率处激励信号占空比与振动筒增益α和相位关系，如图5所示。

表1 不同占空比下拾振信号幅值和相位

图5 占空比与振动筒增益α、相位关系

从图5中可以看出，振动筒增益α与激励信号占空比相关，在激励信号占空比为50 %时，振动筒增益取最大值-21.8 dB,此时相位为-90°。激励信号占空比增大或减少，振动筒增益都会变小，但相位随占空比接近线性变化。

激励信号占空比为20 %、50 %和80 %时，分别测试振动筒的幅频特性、相频特性和品质因素，测试结果如图6所示。

图6 不同占空比幅频特性和相频特性

从图6中可以看出，激励信号的占空比可导致振动筒幅频特性和相频特性偏移，但变化趋势影响不大，且对振动筒的品质因素Q值几乎不影响。

综上，在不影响振动筒品质因素的条件下，可以通过调整谐振电路激励信号占空比达到降低激励信号功耗的目的，进而实现低功耗激励，改善传感器的输出性能稳定。同时，可以通过设计自动增益谐振电路避免传感器谐波失真，提升传感器信号质量。

3、自动增益谐振电路仿真设计与分析

3.1 自动增益谐振电路结构组成

图7所示为自动增益谐振电路原理。该电路采用TL062双运放实现。拾振端压电片等效为电容C1。在压电片电荷信号检测过程中，考虑阻抗匹配问题，将压电片高阻抗转化为低阻抗，电路输入级采用电荷放大电路。第二级引入移相电路，满足谐振相位条件2nπ。第一级与第二级之间采用C3电容进行隔直设计。最后一级为基本比例放大电路满足谐振电路增益条件，该处结型场效应管Q1用作比例电阻，利用结型场效应管的可变电阻区的特性，实现比例放大电路比例因子的变化。同时利用结型场效应管夹断区电阻无穷大，实现激励信号低占空比设计。

图7 自动增益谐振电路原理

自动增益控制电路如图8所示。该控制电路采用TL062双运放实现，第一级为正相输入的比例放大电路，输入端连接闭环谐振电路输出信号VAC-DC,充分利用运放输入端高阻抗机制，避免负载对闭环谐振电路的影响，同时实现对闭环谐振电路输出信号VAC-DC比例放大。第二级通过二极管D1与低通滤波电路连接，实现谐振电路输入信号的交直流转换。最后一级为基本比例放大电路，正向端输入直流电压信号，反向端输入参考电压Vref,两者叠加形成控制结型场效应管的栅极电压VCON。通过VCON变化实现结型场效应管可变电阻区和夹断区的设计应用[6,7]。

当闭环谐振电路输出信号VAC-DC幅值小于某一值时，VCON控制场效应管产生的电阻较小，闭环增益大于1,谐振系统进入放大状态，保证谐振系统起振和起振时间；当闭环谐振电路输出信号VAC-DC幅值达到某一值时，VCON控制场效应管产生的电阻增大，使闭环增益等于1,谐振电路维持振荡。同时，随着闭环谐振电路输出信号VAC-DC的幅值变大，场效应管在VCON的控制下进入夹断区，只有半波通过，直至形成固定占空比的激励信号。

图8 自动增益控制电路

3.2 自动增益谐振电路仿真分析

基于Pspice对自动增益谐振电路仿真。在闭环谐振电路初始状态时，闭环谐振电路输出信号VAC-DC的幅值为0 V,结型场效应管栅极控制电压VCON由参考电压Vref决定。自动增益谐振电路初始态幅频特性和相频特性如图9所示。

图9 谐振电路初始态幅频特性和相频特性

通过对自动增益谐振电路初始态仿真分析和参数优化，在接近固有频率为9.1564 kHz处，谐振电路的增益为33.6 dB,相位为-208°,该结果满足振动筒闭环谐振系统的增益和相位条件，谐振系统可以起振。闭环谐振电路输出信号VAC-DC的幅值逐步变大，结型场效应管栅极电压VCON变小，闭环谐振系统的增益变小，直至振动筒传感器闭环增益为1,传感器稳定输出。结型场效应管栅极电压VCON与自动增益谐振电路增益关系如图10所示，从图10中可以看出，随着结型场效应管的电压降低，谐振电路的增益在减小，且增益随栅极电压VCON的变化变大。结合图6(a)可以看出，可以实现闭环谐振系统稳定输出条件增益为1。

图10VCON与谐振电路增益关系

激励信号时域仿真分析，如图11所示。从图11中可以看出，随结型场效应管栅极电压VCON变小，闭环谐振电路激励端输出信号幅值逐步变小，由于场效应管的夹断特性，激励端输出波形开始出现失真和半波，最后在接近固有频率处出现固定频率的低占空比激励信号[8]。

图11 不同VCON下激励信号波形时域分析

栅极电压VCON时域仿真。随闭环谐振系统拾振信号幅值增大，信号VAC-DC的幅值逐步变大，结型场效应管栅极电压VCON变小。如图12所示，拾振幅值从0.010 V变化至0.075 V时，压控电压VCON从-1.2 V变化至-3.12 V左右。

图12 不同拾振信号幅值下VCON时域分析

4、振动筒自动增益谐振电路测试

在±5 V供电条件下，测试传感器起振过程和起振时间，如图13(a)所示，传感器起振时间小于250 ms, 输出端信号高点平+5 V,低电平-5 V。测试激励端信号，如图13(b)所示，激励端信号幅值为3.02 V,并实现低占空比激励。测试拾振端信号幅值，如图14所示，拾振信号幅值为0.075 V。测试栅极电压VCON,如图15所示，VCON从上电前0 V变化至初始态-1.2 V,再到传感器稳定输出时的3.05 V。

图13 自动增益谐振电路起振过程和激励信号

图14 拾振信号波形

图15 栅极电压VCON上电过程

5、结论

基于结型场效应管可变电阻区和夹断区的特性，本文为振动筒传感器设计了一种自动增益谐振电路，该电路通过了试验验证。通过对该谐振电路激励信号波形、幅值和占空比的设计，有效提高了传感器输出性能稳定和传感器输出信号质量。

参考文献:

[3]姚敏强,张斌,康志宏,等.振动筒压力传感器振荡系统仿真设计与测试[J].仪表技术与传感器.2023(12):16-20.

[4]邢博文,丁徐锴,李宏生.MEMS振动陀螺仪AGC回路模型线性化与控制器设计[J].传感器与微系统,2019,38(11):65-68.

[5]张志勇,陈正想,高俊奇.自激振荡磁感应传感器研究[J].数字海洋与水下攻,2023,6(6):743-748.

[6]夏蓬勃,丁徐锴,黄丽斌.基于AGC线性化的谐振式加速度计相位噪声分析[J].传感器与微系统,2023,42(4):31-34,42.

[7]王燕君,徐英雷.一种高动态范围自动增益控制电路设计[J].现代电子技术,2023,46(2)19-22.

[8]张洁,王志亮.应用于高性能延迟锁相环的占空比修正电路设计[J].电子器件,2024,47(1):36-41.