電荷放大器應用

單通道電荷放大器應用

DFT2001型電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的低噪單通道電荷放大器，與壓電型加速度計和其它壓電型傳感器配接，可測量振動、沖擊、動態力等機械量，廣泛應用于機械、動力、采礦、交通、建筑、水利、航空、航天、兵器、化爆等部門。由于精度=高，因而也適用于加速度計校準。

    DFT2001型電荷放大器具有如下特點、：

.低噪聲小于5μV

    .三位十進制傳感器靈敏度調節，配不同靈敏度傳感器均可得到歸一輸出

    .寬范圍可調高、低通濾波器和過載指示裝置

    .多臺之間的相位誤差小于3°

     二、技術參數

    2.1   輸入特性

          大輸入電荷量±10⁶ Pc

    2.2   靈敏度：0.01-1000mV/Pc（源電容1nF時-40~+60dB）

    2.3   傳感器靈敏度調節：三位十進制按碼開關傳感器靈敏度調節1-999Pc/Unit⑴

    2.4   準確度

    0.1mV/Unit,1mV/Unit,10mV/Unit,100mV/Unit,1000mV/Unit五檔，當輸入電纜等效電容分別小于10nF,68nF,22nF,6.8nF,2.2nF時，1kHz基準條件⑵小于±1%，額定工作條件⑶小于±2%。

    2.5   濾波器及頻率響應

    2.5.1   高通濾波器：下限頻率0.3、1、3、10、30、100Hz六檔。

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

                     -3dB±1dB

           衰減斜率：-6dB/cot

    2.5.2   低通濾波器：上限頻率0.3、1、3、10、30、100kHz六檔。

           允許偏差：-3dB±1dB

           衰減斜率：-12dB/oct

    2.6   輸出特性

    2.6.1    輸出幅度：±10Vp

    2.6.2    輸出電流：±5mA

    2.6.3    負載電阻：100Ω

    2.6.4    諧波失真度：在頻率低于30kHz,電容性負載<47nF滿幅輸出時<1%

    2.7   噪聲：＜5mV（增益檔）

    2.8   過載指示：輸出峰值超過±10Vp（±0.5）時發光二極管亮，保持時間約2秒。

    2.9   預熱時間：約30分鐘

2.10  電源：AC220V±10%

2.11  外形尺寸：7 0(W)×132.5(H) ×200(D)mm

2.12  重量：約2kg

注：（1）Unit單位：指與傳感器靈敏度單位相對應的機械量單位、如重力

                  加速度單位g，加速度單位mSˉ²,力單位N等

   （2）基準條件：a、20℃±2℃

                  b、相對濕度（45-75）%RH

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

                  d、負載電阻>10kΩ

    （3）額定工作條件：a、0℃-50℃

                       b、相對濕度（20-90）%RH

                       c、供電電壓AC110V~220V±10%

                       d、負載電阻>100Ω

     三、工作原理

     DFT2001電荷放大器由電荷放大級，前級放大器歸一化電壓放大級，高、低通濾波器，輸出放大級，過載指示和穩壓電源五部分組成。各部分工作原理簡述如下：

     3.1   電荷放大級

     電荷放大級由一個帶電容反饋的高輸入阻抗高增益的運算放大器所組成，連同壓電傳感器與輸入電纜，其等效電路如圖3.1。

     其輸出電壓：

     Vo= -QA/Ct+Co+Cf(1+A)

     式中：Q——傳感器產生的電荷

           Ct——傳感器電容   

           Co——輸入電纜電容

           Cf——反饋電容

           -A——運算放大器開環增益（負號指輸入與輸出反相），由于A很大，也因此一般情況下：

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

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

     由上式可知，若反饋電容Cf不變，則輸出電壓Vo與輸入電荷Q成正比，基本上與輸入電纜電容無關，因此電荷放大器可使用很長的輸入電纜而對測量精度影響甚小。

     本儀器電荷放大部分由結型場效應和一高增益運算放大器組成，反饋電容Cf有4檔。分析為100pF、1000 pF、0.01μF和0.1μF，從而可得到四檔不同靈敏度的輸出（=高靈敏度一檔Cf仍為100pF利用前級放大器進行10倍放大）。

     為了穩定放大器的直流工作點，各檔均并聯一只反饋電阻，并使各檔低下限頻率為0.3 Hz。

     為了減小對傳感器絕緣的要求輸入端設有隔直電容。

     3.2  高低通濾波器 

    本儀器高通濾波器為緊接在電荷放大級輸出端的單級RC濾波器，其每倍頻程衰減6 dB

利用改變R，來得到6檔不同的下限頻率。但在0.3 Hz一檔時，實際高通濾波器的頻率約為0.08 Hz，而儀器的-低下頻率由電荷放大級確定。

低通濾波器為兩級RC有源濾波（圖3.2），從高通濾波器輸出的信號經二節RC低通濾波后送至運算放大器同相端并將輸出信號正反饋至輸入端以補償通帶內的不平坦度，若R1=R2，則當C1=2C2時，其幅頻特性好。該濾波器衰減率為每倍頻程約12 dB，同時改變R1和R2，以獲得6檔不同的上限頻率。

      3.3  歸一化電壓放大級

利用一增益可調的運算放大器，使其對不同靈敏度的傳感器具有不同的增益，從而得到歸一化處理。

     已知一個運算放大器見（圖3.3），其閉環增益可由下式確定：

-A=Zf/Zi

     由上式可見，要改變增益，只需要改變Zf或Zi即可。本儀器中Zf為固定的10kΩ而Zi由三組十進制的精密金屬膜電阻2 R1-9，2R10-18, 2 R19-27組成，當儀器面板上傳感器靈敏度旋到1-0-0時，Zi=1kΩ

     增益-A=10kΩ/1kΩ=10，而當旋到10-0-0時，Zi=1kΩ×9+1kΩ=10kΩ，增益-A=10kΩ/10kΩ=1

設加速度傳感器的靈敏度為40pC/g，并給以10 g振動，若經電荷放大級后輸出電壓 為0.4V送至歸一化放大級，此時若傳感器靈敏度設置成4-0-0，則Zi=4kΩ，本級增益-A=10kΩ/4kΩ=2.5，這樣經本級放大后輸出電壓成為0.4V×2.5=1V，也就是指示儀表上1V即為10g，從而達到“歸一化”的目的。

3.4 輸出放大器

     本儀器的輸出放大器為1:1運算放大器，能在一定的容性負載下穩定工作。

     3.5 過載指示

     過載指示電路由兩組對稱的觸發器組成，一組用于正信號，一組用于負信號，大小10μS的脈沖即可使電路動作并延時2秒，指示器的輸入信號從歸一化放大器和輸出放大器兩處分別引出，這樣當任一處輸出電壓>10Vр時，即可使過載指示器動作，指示器為紅色發光二極管。

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