CN103471765A

CN103471765A - 一种水下动态压力传感器信号调理电路

Info

Publication number: CN103471765A
Application number: CN2013104043552A
Authority: CN
Inventors: 李兵; ***; 唐贵; 陈杉杉; 朱大治; 刘洋; 邢亚东
Original assignee: Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd; Beijing Institute of Telemetry Technology
Current assignee: Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd; Beijing Institute of Telemetry Technology
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-06
Also published as: CN103471765B

Abstract

本发明公开了一种水下动态压力传感器信号调理电路，包括电源电路、放大滤波电路和输出接口电路，电源电路为放大滤波电路提供稳定的+15V和-15V电源，并为压力传感器的敏感元件提供稳定的+10V电源；放大滤波电路包括零位及满量调试电路和8阶巴特沃斯低通滤波电路，压力传感器敏感元件的正输出信号V₊、负输出信号V_-输入至零位及满量调试电路，零位及满量调试电路的电压输出信号Vout2输入至8阶巴特沃斯低通滤波电路，8阶巴特沃斯低通滤波电路输出的电压信号输入至所述输出接口电路。本发明的调理电路频响范围宽、可靠性和安全性高，可以实现0—5kHz频段水下动态压力信号测量。

Description

一种水下动态压力传感器信号调理电路

技术领域

本发明属于电子测量技术领域，具体涉及一种水下动态压力传感器信号调理电路。

背景技术

在航天、航空、武器、船舶等领域，压力传感器被广泛应用。一般航天遥测压力传感器主要测量缓变压力信号，频响范围多为100Hz以下。在一些特殊测量环境下，如水下的空泡溃灭压力，该压力冲击上升时间快，持续时间短，峰值压力高，频响一般能够达到上千赫兹，即所谓的高频动态压力。动态压力信号的测量对表面载荷分析及验证具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供了一种可靠性和安全性高的水下动态压力传感器信号调理电路，用来匹配采用近于齐平安装的薄膜应变式压力敏感元件；可以实现0—5kHz频段水下动态压力信号测量。

本发明的技术方案是：

一种水下动态压力传感器信号调理电路，包括电源电路、放大滤波电路和输出接口电路，电源电路为放大滤波电路提供稳定的+15V和-15V电源；电源电路为压力传感器的敏感元件提供稳定的+10V电源；放大滤波电路包括零位及满量调试电路和8阶巴特沃斯低通滤波电路，压力传感器的敏感元件的正输出信号V₊、负输出信号V_-分别输入至零位及满量调试电路，零位及满量调试电路的电压输出信号Vout2输入至8阶巴特沃斯低通滤波电路，8阶巴特沃斯低通滤波电路输出的滤波后的电压信号输入至所述输出接口电路；

电源电路包括整流二极管V1-V2、电阻R1-R2，电容C1-C8、三端基准源G1；供电电源的+15VIN端与整流二极管V1的阳极相连，整流二极管V1的阴极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端分别与三端基准源G1的输入端、电容C2的一端、电容C3的一端相连，通过所述电容C3的一端输出稳定的+15V电源，电容C2的另一端与电容C3的另一端相连后与供电电源的GND端相连，电容C2的另一端与电容C7的一端相连，电容C7的另一端与电阻R2的一端相连，电容C3的另一端与电容C8的一端相连，电容C8的另一端与电阻R2的一端相连，通过所述电容C8的另一端输出稳定的-15V电源，电阻R2的另一端与整流二极管V2的阳极相连，整流二极管V2的阴极与供电电源的-15VIN端相连，供电电源的+15VIN端通过电容C1连接机械地JXD、供电电源的-15VIN端通过电容C6连接机械地JXD，供电电源的GND端通过电容C5连接机械地JXD，通过三端基准源G1的输出端输出稳定的+10V电源，三端基准源G1的输出端通过电容C4与三端基准源G1的地端相连，三端基准源G1的地端与供电电源的GND端相连；

零位及满量调试电路包括用于零位调试的差动放大电路和用于满量调试的反相放大电路，其中所述差动放大电路包括电阻R3-R7、电阻R6T、放大器N1A；所述反相放大电路包括电阻R8-R11、电阻R10T、电容C9和放大器N1B；压力传感器敏感元件的负输出端V_-通过电阻R3与放大器N1A的负输入端相连，同时放大器N1A的负输入端通过电阻R5与放大器N1A的输出端相连、敏感元件的正输出端V₊通过电阻R4与放大器N1A的正输入端相连，同时放大器N1A的正输入端与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与电阻R6T和R7串联后接地；放大器N1A的输出端通过电阻R8与放大器N1B的正输入端相连，放大器N1B的负输入端与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端接地；放大器N1B的负输入端通过电容C9与放大器N1B的输出端相连；放大器N1B的输出端与电阻R11的一端相连，通过电阻R11的另一端输出零位及满量调试电路的输出信号Vout2；放大器N1B的负输入端与电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端与电阻R10T的一端相连，电阻R10T的另一端与所述电阻R11的另一端相连；

所述8阶巴特沃斯低通滤波电路由四级2阶巴特沃斯低通滤波器串联而成，第一至第三级2阶巴特沃斯低通滤波器采用同类型的二阶单位增益压控电压源型滤波电路，第四级2阶巴特沃斯低通滤波器在二阶单位增益压控电压源型滤波电路的基础上增加由电容C18与电阻R20组成的防自激电路；第四级2阶巴特沃斯低通滤波器的放大器N2D的负输入端通过电容C18与放大器N2D的输出端相连，放大器N2D的输出端通过电阻R20输出滤波后的电压信号；

输出接口电路包含电压调整二极管V3、硅肖特基二极管V4、限流电阻R21和电容C19；电压调整二极管V3、硅肖特基二极管V4的阴极分别与滤波后的电压信号相连，电压调整二极管V3、硅肖特基二极管V4的阳极分别接供电电源的GND端；限流电阻R21的一端与滤波后信号相连，限流电阻R21的另一端与电容C19的一端相连，电容C19的另一端接机械地JXD，其中所述电容C19的一端作为信号调理电路的信号输出端。

电容C1、C5、C6为高频瓷介小电容；电容C2、C7为钽电容，电容C3、C8为高频瓷介小电容，电容C19为高频瓷介小电容。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）频响范围宽。本发明主要针对空泡溃灭动态压力信号测量。该压力信号上升时间快，持续时间短，峰值压力高，这就要求信号调理电路具有较高的频响范围。本发明的信号调理电路采用8阶巴特沃斯低通滤波电路，设计了5kHz低通滤波电路，并且尽量保证通带内的平直度和带外衰减速度。

（2）具有较高的可靠性和安全性。本发明在设计时充分考虑了电路的环境使用因素。首先对供电电源进行了防反接、限流、稳压、去耦等稳定性处理，其次运算放大器增加了防自激电路，并且在输出端有限幅和去耦电路。通过这些有效的措施，提高了电路的可靠性和安全性。

附图说明

图1为本发明水下动态压力传感器信号调理电路原理框图；

图2为电源电路示意图；

图3为零位及满量调试电路示意图；

图4为8阶巴特沃斯低通滤波电路示意图；

图5为输出接口电路示意图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示，本发明的信号调理电路主要包括电源电路、放大滤波电路、输出接口电路。电源电路抑制供电***中存在的纹波和干扰，为信号调理电路和敏感元件提供稳定的±15V和+10V电源。放大滤波电路采用零位及满量调试电路、8阶巴特沃斯低通滤波电路将敏感元件输出的小信号调理成（0～5）V的电压输出，并具有相应要求的幅频和相频特性。输出接口电路利用限幅电路及去耦电路保证了输出接口电路和与之匹配的***输入接口的安全性。

如图2所示，电源电路包括整流二极管V1-V2、电阻R1-R2，电容C1-C8、三端基准源G1；供电电源的+15VIN端与整流二极管V1的阳极相连，整流二极管V1的阴极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端分别与三端基准源G1的输入端、电容C2的一端、电容C3的一端相连，通过所述电容C3的一端输出稳定的+15V电源，电容C2的另一端与电容C3的另一端相连后与供电电源的GND端相连，电容C2的另一端与电容C7的一端相连，电容C7的另一端与电阻R2的一端相连，电容C3的另一端与电容C8的一端相连，电容C8的另一端与电阻R2的一端相连，通过所述电容C8的另一端输出稳定的-15V电源，电阻R2的另一端与整流二极管V2的阳极相连，整流二极管V2的阴极与供电电源的-15VIN端相连，供电电源的+15VIN端通过电容C1连接机械地JXD、供电电源的-15VIN端通过电容C6连接机械地JXD，供电电源的GND端通过电容C5连接机械地JXD，通过三端基准源G1的输出端输出稳定的+10V电源，三端基准源G1的输出端通过电容C4与三端基准源G1的地端相连，三端基准源G1的地端与供电电源的GND端相连。其中整流二极管V1和V2，可以有效防止+15VIN和-15VIN电源反接对电路带来的损害。且二极管具有单向导通的特性，所以V1和V2还有一定降低电源差模干扰信号的能力。供电电源的+15VIN、-15VIN和GND通过高频瓷介小电容C1、C5、C6连接机械地JXD，这样的连接方法可以滤除电源中存在的高频干扰。电阻R1和R2均为限流电阻，当电路中存在瞬时高压时，能够减小电路中的瞬时电流，同时可以防止电路中大电流反串到供电电源中。电容C2、C3、C7、C8具有去耦作用，其中C2、C7为钽电容，C3、C8为高频瓷介小电容。高频瓷介小电容可以吸收MHz量级的高频干扰，而钽电容能够吸收kHz量级的干扰信号。三端基准源G1和去耦电容C4能够为压力敏感元件提供精准的+10V参考电压源，G1例如可以采用ADI公司的基准源芯片AD581SH。

如图3所示，本发明的零位及满量调试电路，包括用于零位调试的差动放大电路和用于满量调试的反相放大电路，其中所述差动放大电路包括电阻R3-R7、电阻R6T、放大器N1A；所述反相放大电路包括电阻R8-R11、电阻R10T、电容C9和放大器N1B；压力传感器敏感元件的负输出端V_-通过电阻R3与放大器N1A的负输入端相连，同时放大器N1A的负输入端通过电阻R5与放大器N1A的输出端相连、敏感元件的正输出端V₊通过电阻R4与放大器N1A的正输入端相连，同时放大器N1A的正输入端与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与电阻R6T和R7串联后接地；放大器N1A的输出端通过电阻R8与放大器N1B的正输入端相连，放大器N1B的负输入端与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端接地；放大器N1B的负输入端通过电容C9与放大器N1B的输出端相连；放大器N1B的输出端与电阻R11的一端相连，通过电阻R11的另一端输出零位及满量调试电路的输出信号Vout2；放大器N1B的负输入端与电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端与电阻R10T的一端相连，电阻R10T的另一端与所述电阻R11的另一端相连。输出端电容C9和电阻R11构成放大电路的相位补偿环节，可以有效防止放大电路自激现象的发生。电路中Vout1、Vout2计算过程为：

V_{out 1} = - \frac{R_{5}}{R_{3}} V_{-} + (1 + \frac{R_{5}}{R_{3}}) \frac{R_{6} + R_{6 T} + R_{7}}{R_{6} + R_{6 T} + R_{7} + R_{4}} V_{+} . . . (1)

V_{out 2} = (1 + \frac{R_{10} + R_{10 T}}{R_{9}}) V_{out 1} . . . (2)

式中R5=R7，R3=R4。R6、R6T、R10、R10T为调整电阻，调整时可用电位器代替。当电路输入为敏感元件的零位或满量输出时，调整R6、R6T、R10、R10T使Vout2同时满足零位和满量的输出要求。

如图4所示，本发明的8阶巴特沃斯低通滤波电路由四级2阶巴特沃斯低通滤波器串联而成，第一至第三级2阶巴特沃斯低通滤波器采用同类型的二阶单位增益压控电压源型滤波电路，每个二阶单位增益压控电压源型滤波电路由两个电阻、两个电容和一个放大器组成；第四级2阶巴特沃斯低通滤波器在二阶单位增益压控电压源型滤波电路的基础上增加由电容C18与电阻R20组成的防自激电路；第四级2阶巴特沃斯低通滤波器的放大器N2D的负输入端通过电容C18与放大器N2D的输出端相连，放大器N2D的输出端通过电阻R20输出滤波后的电压信号。为满足水动压力信号kHz级别的频率响应要求，每个低通滤波电路的滤波参数计算方式相同，第一个滤波电路参数计算过程为：

ω_{0} = \frac{1}{\sqrt{R_{12} R_{13} C_{10} C_{11}}} . . . (3)

Q = \frac{R_{12} R_{13} C_{10}}{R_{12} + R_{13}} * ω_{0} . . . (4)

式中ω₀为固有频率，Q为品质因数。实际使用中标称电阻、电容值的大小可以由Filter solutions滤波电路设计软件来确定，利用Multisim电路仿真软件进行频率响应仿真，并根据测量的幅频特性和相频特性来调整电阻、电容值，使电路的幅频和相频参数满足要求。

第四级2阶巴特沃斯低通滤波器的输出端由电容C18和电阻R20构成滤波电路的相位补偿环节，可以有效防止放大电路自激现象的发生。

如图5所示，本发明输出接口电路包含电压调整二极管V3、硅肖特基二极管V4、限流电阻R21和电容C19；电压调整二极管V3、硅肖特基二极管V4的阴极分别与滤波后的电压信号相连，电压调整二极管V3、硅肖特基二极管V4的阳极分别接供电电源的GND端；限流电阻R21的一端与滤波后信号相连，限流电阻R21的另一端与电容C19的一端相连，电容C19的另一端接机械地JXD，其中所述电容C19的一端作为信号调理电路的信号输出端。电压调整二极管V3和硅肖特基二极管V4构成限幅电路，当电路输出电压异常跳变而超过规定范围时，限幅电路能够将其钳位到限幅电压范围内，避免输出电压超过要求的电压值。当输出接口电路短路或错接上大电压时，限流电阻R21可以吸收大部分的电流，防止整个电路的烧坏。电容C19为高频瓷介小电容C19，具有去耦作用，可以有效滤除输出电压中存在的高频干扰信号。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种水下动态压力传感器信号调理电路，其特征在于，调理电路包括电源电路、放大滤波电路和输出接口电路，电源电路为放大滤波电路提供稳定的+15V和-15V电源，并为压力传感器的敏感元件提供稳定的+10V电源；放大滤波电路包括零位及满量调试电路和8阶巴特沃斯低通滤波电路，压力传感器的敏感元件的正输出信号V₊、负输出信号V_-输入至零位及满量调试电路，零位及满量调试电路的电压输出信号Vout2输入至8阶巴特沃斯低通滤波电路，8阶巴特沃斯低通滤波电路输出的电压信号输入至所述输出接口电路；

2.根据权利要求1所述的一种水下动态压力传感器信号调理电路，其特征在于，电容C1、C5、C6为高频瓷介小电容；电容C2、C7为钽电容，电容C3、C8为高频瓷介小电容，电容C19为高频瓷介小电容。