电荷放大器电路设计论文

2022-04-20

摘要：基于差分电容原理和MEMS技术，设计了一种低噪声MEMS电容式加速度传感器。该加速度传感器包括一个敏感芯片和一个采用变送集成技术的信号调理电路。通过优化敏感芯片的结构和低噪声的信号调理电路相结合，制作出加速度传感器。利用MEMS技术制作的微结构封装的加速度传感器经过测试，验证了该传感器具有高灵敏度，高分辨率和低噪声特点。今天小编为大家推荐《电荷放大器电路设计论文(精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！

电荷放大器电路设计论文篇1：

油气井出砂信号调理电路的优化设计与仿真

摘要：当油气井出砂时，砂粒会随着开采液从储层运移到井筒，之后随着开采液举升到地面管道，在管道的弯管处砂粒撞击管壁产生瞬态的微弱声脉冲信号，该信号即为出砂信号。为了改善出砂信号的信噪比，提高出砂量测量的精度，本文将在分析出砂信号特性的基础上，结合压电式出砂信号检测传感器的工作特性，设计了完整的出砂信号调理电路，包括电荷放大器和滤波器等电路结构，并利用Multisim对电路进行仿真测试，对电路参数进行了合理配置，验证了其电路的性能，结果表明出砂信号调理电路性能稳定、工作可靠、重复性好、噪声小、抗干扰能力强，满足现场实际应用的要求。

关键词：出砂监测；压电传感器；信号调理电路；电路设计；电路仿真

Optimization Design and Simulation of the Sand Signal Conditioning Circuit for Oil and Gas Wells

LIU Jin - jie1， ZHAO Qing - shan2，YANG Gang1

（1.Xi’an Shiyou University， Key laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Ministry of Education ， Xi’an 710065， China；2. Xinmin oil production plant of Jilin oil field of PetroChina， Songyuan 138000， China）

Key words： sand monitor；piezoelectric sensor；signal conditioning circuit；design of circuit； simulation of circuit

在油氣井出砂监测中，声测法由于响应速度快、精度高且使用方便得到了广泛的应用，其利用外置式压电传感器检测砂粒碰撞管壁产生的微弱脉冲信号[1][2]，该信号的大小与流体的流速和粘度、砂粒浓度及砂粒的尺寸等因素有关[3]，且频率高、信号弱，检测难度很大。由于油气井出砂是随机的，且砂粒的浓度和大小也是不确定的，故砂粒碰撞管壁产生的脉冲信号为一种瞬态的随机信号[4][5]。另外，由于现场测量环境的影响，出砂信号中包含着各种各样的噪声的。为了改善出砂信号的信噪比，提高出砂测量的精度，压电传感器输出信号必须经过预处理，即设计专门的信号调理电路对压电式传感器输出信号进行处理。

1 出砂信号调理电路总体结构

声波法出砂监测采用的压电式传感器[6]，其输出信号为微弱的电荷信号，所以在出砂信号调理电路中必须首先实现电荷-电压的转换。针对工频干扰、低频的振动噪声和高频的电磁噪声，设计有源带通滤波器滤除相关的噪声。最后，设计放大电路将信号放大到数据采集输入端所要求的范围。

2 出砂信号调理电路设计

2.1 电荷放大器电路

电荷放大器中要求运算放大器必须满足高输入阻抗、高开环增益、小失调电压和宽频带等条件。基于上述原则，本文选择AD823，其参数指标：输入阻抗10TΩ，输入偏置电流典型值5pA、带宽16MHz。另外，反馈电容影响着电荷放大器的灵敏度，若太小，低噪声同轴电缆的寄生电容将影响输出灵敏度，且有积分漂移和泄露现象；若值太大，容易引起自激现象。本文选择100pF的高精度的聚苯乙烯电容和1GΩ的反馈电阻。

2.2 带通滤波器电路

由于出砂信号的频率集中在几十KHz～几百KHz之间，而流体气泡、管道振动的频率低于出砂信号且工作环境中电磁干扰为高频信号，所以设计带宽合适的带通滤波器可有效地消除上述噪声。由于无源滤波电路频率选择性较差，且对信号衰减严重，因此本文设计有源带通滤波器电路如图2所示，其信号通过的频率范围为50kHz～800kHz。

2.3 电压放大电路

经过滤波后能得到较为纯粹的出砂信号，但是此时的信号幅度还很低，为满足后续信号采集的要求，设计一个放大倍数可调的放大电路如图3所示。

3 出砂信号调理电路仿真

为了考察上述电路的性能，本文采用Mutilsim12.0对电荷放大器电路、带通滤波器进行了仿真测试。

3.1 电荷放大器电路仿真

为了验证反馈电阻、反馈电容以及运放的参数对电荷放大器输出的影响，分别做了电路仿真测试试验。由于在Multisim仿真软件中，没有直接的电荷源信号，考虑到压电式传感器输出的电荷信号在形式上是以电流的形式输出的，所以在仿真时，采用脉冲电流源来近似代替电荷源信号。

首先，改变电荷放大器输入电流的情况下对其输出电压的情况进行仿真，其结果如图5所示。由测试结果可看出：在输入电流为5pA时，该电荷放大器仍然能实现正常的放大，从而验证了基于AD823的电荷放大器具有较高的灵敏度和较小的测量误差。

通过仿真输出波形，可以形象地看出不同电路参数对输出电压幅度的影响，因此适当的调节元件参数可以使电荷灵敏度更佳。

3.2 带通滤波器电路的仿真

为了验证设计的带通滤波电路的滤波特性，对其在输入信号幅值相同，频率不同的情况进行了测试。

仿真结果显示：当输入信号频率在50kHz～800kHz范围内，输出信号电压幅度较大，当输入信号频率在50kHz～800kHz之外，输出信號衰减较大，即有源滤波电路在通带内对信号没有衰减而且带外衰减较大，从而能很好地抑制带外的干扰信号。

4 结论

本文针对出砂信号设计了一种调理电路，包括电荷放大器、滤波器和电压放大电路，并进行了仿真，仿真结果显示：该出砂信号调理电路能够对传感器输出的微弱电荷信号进行Q-V转换、有效地滤除50Hz工频干扰以及出砂信号频段外的噪声信号，并能对信号进行放大，从而验证了该出砂信号调理电路是可行的。

参考文献：

[1] 何保生，刘澎涛，刘刚，等. 基于EMD的稠油油井出砂信号特征识别[J]. 石油机械， 2013（5）：69-72.

[2] E.Y.Muslimov， Real Time Sand Production Management Using Non-intrusive Surface Ultrasonic Sand Monitors in TNK-BP Brown Fields in Western Siberia[C]，SPE145254，2011

[3] 刘刚，贾宗文.基于高频振动信号分析的稠油出砂量监测方法[J].中国石油大学学报：自然科学版，2011（3）：84-88.

[4] 隋秀香，郭旗，李相方.油气井测试出砂监测技术[J].天然气工业，2004，05：110-112+156.

[5] 刘刚，刘澎涛，韩金良，等.油井出砂高频振动信号采集监测系统[J].油气地质与采收率，2013（6）：108-110+118.

[6] 何保生，谢雁.油井出砂检测[J].石油天然气学报，2013，35（5）：138-141.

[7] 徐伟，陈钱，顾国华，等.基用于APD激光探测的电荷灵敏前置放大器设计[J]，激光与红外，2011，41（1）：27-30.

[8] 王庆锋，吴斌，宋吟蔚，等.PVDF压电传感器信号调理电路的设计[J]，仪器仪表学报，2006（6）.

作者：刘晋杰　赵青山　杨刚

电荷放大器电路设计论文篇2：

一种低噪声MEMS电容式加速度传感器的设计

关键词：低噪声差分电容 MEMS 加速度传感器

在我国航天航空事业蓬勃发展的今天，加速度传感器在航天航空系统中发挥着越来越重要的作用。本文主要研究利用差分电容原理、体硅MEMS敏感结构的低噪声加速度传感器的可行性，并进行了相关的实验测试。该加速度传感器具有体积小、重量轻、高灵敏度和低噪声等特点，可以满足航天航空系统对传感器小型化的要求。

1 敏感芯片设计

为了提高加速度传感器灵敏度、提高测量范围和减小非线性误差，敏感结构采用差动式电容结构，如图1所示。与单边活动的电容传感器相比，它具有误差范围小、测量范围宽等优点。

若活动极板的初始位置距两个固定极板的距离均为d0，则固定极板l和活动极板3之间的电容与固定极板2和活动极板3之间的初始电容相等，若令其为C0，当活动极板3在被测物体作用下向固定极板2移动Δd时，则位于中间的活动极板到两侧的固定极板的距离分别为：

芯片的弹性敏感元件为对称的“四梁-惯性质量”结构，中间惯性质量对加速度具有敏感特性，将加速度信号转换成惯性质量的位移量，惯性质量相对上下极板间的距离发生变化，通过检测电容量的变化实现加速度的测量。为消除电容可动极板各点位移量不同所引起的输出非线性问题，减小传感器的横向灵敏度比，通常传感器采用对称结构，当四悬臂梁结构在惯性质量产生位移时，只有四个梁产生弯曲变形，惯性质量基本保持不变。为了进一步提高灵敏度采用一种折叠梁弹性结构，该结构的优点是可以增大惯性质量的位移量，使电容可动极板产生的电容变化量增大，从而提高灵敏度，如图2所示。

2 调理电路设计

选用电容式信号测量电路作为加速度传感器的信号调理电路，该电路主要包括电荷放大器、移相器、相敏解调、放大电路及低通滤波几部分。这样，在MEMS加速度传感器尺寸作得小的情况下，可以获得大的灵敏度、动态范围和频响并且可以有效减小甚至消除寄生电容影响。图3为信号调理电路原理框图。

从电路原理框图可以看出，该电路使用到了两个运算放大器，构成两路电荷放大结构。两路运算放大器的一致性和运算放大器周围器件的一致性对检测精度有很大影响。为增强两路结构中运算放大器的一致性，同时减小电路板面积，实际电路中采用的是双运放芯片来解决此问题。

3 加速度传感器性能

利用MEMS技术设计的加速度传感器如图4所示。该加速度传感器具有很小的输出噪声，MEMS加速度传感器等效噪声如图5所示。MEMS加速度传感器满量程下输出噪声为500ng/。

4 结语

基于差分电容原理和MEMS技术设计、制作了一种低噪声MEMS加速度传感器。本论文很好解决了小型化加速度传感器低噪声、高灵敏微结构的问题。通过测试，得出MEMS加速度传感器具有很好的具有高灵敏度，高分辨率和低噪声特点。目前，传感器的初步设计和实验已经完成。如何优化传感器性能和实现传感器工程化应用是后续的工作。

参考文献

[1] 曹新平，张大成，黄如，等.一种大厚度的三轴差分电容式微硅加速度计[J].仪器仪表学报，2002（6）：572-575.

[2] 李清宝，陆德仁，王渭源.变面积结构微机械电容式加速度传感器[J].中国工程学报，2000，2（2）：36-40.

[3] 罗斯建.电容式微机械加速度计检测电路研究[D].浙江大學，2007.

作者：周岩　李彦哲　李金平　孙风光

电荷放大器电路设计论文篇3：

基于TMS320F28335的数据采集系统设计

摘要：设计了一个基于TMS320F28335芯片的数据采集系统，给出了调理电路、硬件电路及软件的设计流程。本系统采用开发板自带的AD转换器和USB总线进行数据的采集与传输，具有实时性，采样速率高，处理能力强等特点。

关键字：TMS320F28335；数据采集；USB总线

数据采集系统广泛应用于农业、工业、军事、商业、家用电器等行业，在众多的开发平台中，DSP以其高速的运行速度、良好的硬件结构、适合运算的硬件组成等优势，在数据采集、处理等领域独树一帜，适合于高速、高精度数据的采集、处理。本系统采用美国TI公司最新推出的具有很高的信号处理和控制功能的32位高性能浮点芯片TMS320F28335；数据采集方面采用开发板自带的内置16路12位AD转换器；在数据传输方面采用了Cypress公司的CY7C68001芯片实现USB2.0接口，以达到高速传输数据的目的。

1 TMS320F28335介绍

TMS320F28335是TI公司新近推出的32位高性能浮点数字信号处理器，具有很强的信号处理及控制功能，主要特征如下：

(1)高性能的静态CMOS技术，其指令周期为6.67ns，主频达到150MHz；采用低功耗设计，内核电压为1.9V；

(2)高性能的32为CPU，采用哈佛总线结构模式，具有快速的中断响应和中断处理能力，编程可兼容C/C++语言及汇编语言；

(3)存储空间：256K×16位的片上Flash，34K×16位SARM，8K×16位的Boot ROM，1K×16位的OTP ROM，其中Flash、SARM、OTP ROM受密码保护，保护用户程序；

(4)具有丰富的外设资源：2×8通道的、12位、80ns转换时间、0～3V量程的ADC转换器；3通道的SCI异步串口；1通道的SPI同步串口；2通道的McBSP同步串口；2通道的eCAN总线；1通道的I2C总线；6通道的DMA；外扩RTC实时时钟，支持动态PLL调节；支持58个外设中断的外设中断扩展控制器PIE，管理片上外设和外部引脚产生的中断请求；3个32位定时器，定时器0与1用做一般的定时器，定时器0接PIE中断，定时器1接INT13，定时器2用于DSP/BIOS的片上实时系统连接到INT14；符合USB2.0标准的高速USB接口，最高传输速率为480Mb/s。

在使用ADC转换器时，注意输入的模拟信号电压要在0～3V的范围内，否则容易烧坏ADC转换器。

2 硬件电路设计

2.1 调理电路设计

从传感器检测到的信号是电荷信号，经过电荷放大器转换为电压信号，一般情况下测得是很微弱的信号并且还夹杂很强的电磁干扰，所以在进入采集系统之前必须进行信号的放大、滤波去噪处理。信号流程图如图1所示；电荷放大器原理图如图2所示；有源带通滤波电路如图3所示；放大电路如图4所示。

2.2 AD采集电路

调理后的信号经过多路模拟开关控制选择一路进入AD转换电路。本系统采用开发板自带的12位A/D转换器，前端为2个8选1 多路切换器和2路同时采样/保持器，构成16个模拟输入通道，模拟通道的切换由硬件自动控制，并将各模拟通道的转换结果顺序存入16个结构寄存器中，在25MHz的AD时钟下为80ns的转换率，可以在每次转换结束或每隔一次转换结束出发中断。

2.3 USB接口电路

经AD转换后的数字信号被TMS320F28335处理后，通过USB2.0接口传给PC机，然后按照需求对信号进行相应的后续处理。本系统采用Cypress公司的CY7C68001芯片实现USB2.0接口。CY7C68001芯片内有4K字节的同步与异步FIFO资源；具有内部锁相环；支持控制节点0，用于处理USB传输的申请；符合USB2.0标准，最高速可达480Mbps。CY7C68001与TMS320F28335的连接电路如图5所示。

3 软件设计

数据采集系统的软件设计包括DSP初始化、AD采集、数据处理、USB传输，软件设计主要在CCS3.3的集成开发环境下调试完成的。

3.1 AD采集设计

从传感器接收到信号经放大、滤波后进入AD采集电路，AD采集软件流程为：关总中断，然后进行DSP系统初始化；设置PIE中断矢量表；初始化ADC模块；软件启动ADC转换；等待ADC中断，进入中断服务子程序；将处理后的信息通过USB接口传输给PC机，如此反复直到将所有数据采集完毕为止。软件流程图如图6所示。

3.2 USB接口设计

AD采集到的信号要通过USB接口与PC机进行传输，本系统采用的是CY7C68001芯片。CY7C68001有两种自举方式：EEPROM自举和通过DSP自举，通常情况下采用EEPROM来进行USB的初始化。而USB程序的编写主要分为两个部分：PC机驱动程序的编写；DSP与USB数据与命令的交换。

通过USB接口传输过来的信号存储在PC机上，方便后续处理。

4 结束语

系统采用TMS320F28335作为处理器，采用开发板自带的AD转换器及USB2.0接口，很方便的存储数据。本系统具有采样速率高、传输速度快、处理能力强等特点，能满足某些场合数据采集处理的要求，具有一定的应用价值。

参考文献

[1] SEED-DEC28335用户指南(Rev[1].A)[M].Texas Instruments

[2] 刘向宇. DSP嵌入式常用模块与综合系统设计实例精讲[M].电子工业出版社，2009.7.

[3] 徐科军，陶维青，汪海宁等.DSP及其电气与自动化工程应用[M].北京航空航天大学出版社，2010.9.

[4] 苏奎峰，吕强，常天庆，张永秀. TMS320X281X DSP原理及C程序开发[M].北京航空航天大学出版社，2008.2.

作者简介

李兵祥(1983-)，男，山东临沂，西安石油大学在读硕士研究生。主要研究方向：工程测试技术。