使用電壓換能器測試系統(tǒng)時，電荷放大器是一個必不可少的信號調節(jié)器。它能夠直接將微弱電荷量轉換為低阻抗電壓信號的運算放大器，故常常被用做換能器的轉換電路。

對于氣體超聲波流量計而言任何一個測試環(huán)節(jié)都會影響測量的精度。因此需要利用Multisim12 對電荷放大器仿真，在仿真過程中發(fā)現(xiàn)在不同信號強度下，電荷放大器的延時是在變化，這樣對測量精度造成了嚴重影響。所以必須在電荷放大器電路中采用增益補償措施，設計一個增益補償電路，使得每次測量的延時都是相等，這樣可以大大提高超聲波氣體流計的計量精度。同時利用電路仿真軟件對增益補償電路。進行仿真，以驗證參數選取的合理性。

壓電換能器的等效電路

壓電換能器是指利用壓電材料的正逆壓電效應制成的換能器，換能器顧名思義就是指可以進行能量轉換的器件12。壓電換能器的等效電路與它的振動模式有關，這個就是著名的梅森的等效電路。在諧振頻率附近，壓電傳感器的等效電路如圖1所示。

在圖1中，CO為換能器并聯(lián)電容，C1、L1和R1分別表示換能器串聯(lián)電容、串聯(lián)電感和串聯(lián)電阻。在等效電路中換能器的串聯(lián)諧振頻率為fs，串聯(lián)電感LI 與串聯(lián)電容CI 的電抗相互抵消，換能器的阻抗Z= =R1。在串聯(lián)諧振頻率下，換能器相當一個的發(fā)射體。而并聯(lián)諧振頻率為f，換能器的阻抗達到最大值，此時換能器相當一個接收器。在本文電荷放大器中，壓電換能器相當一個接收器。通過電橋測出電壓換能器在串聯(lián)諧振頻率為f; 200kHz，電壓為1V 時，測得的R，=1.441k8，C; 2.107nF。由于電荷放大器沒有直接的電荷源信號，考慮到壓電換能器是以電流形式輸出，所以可以把傳感器看作是電流源因。電流值的大小是根據接收電路的靈敏度和聲壓值來計算得到。其壓電換能器簡化等效電路如圖2 所示。

高阻抗運放的選取原則

超聲波傳感器內部結構是壓電晶體，當壓力傳感器受力后產生極其微弱的電荷量，這給后接電路帶來一定困難“，因此我們需要設計一個新型的電荷放大器。先要把壓電傳感器發(fā)出的信號先輸入到極高輸人阻抗、極低的偏置電流和帶寬寬的電荷放大器中。只有在極高輸人阻抗的條件下，電荷放大器的輸人端幾乎沒有分流作用，因此運算電流都流入反饋回路，只有這樣電荷量的泄漏才能減少到我們所要求的范圍之內以。根據上面敘述集成運放的選擇要求，設計時我選用了LMC662，AD823，LMC6041和AD8606 芯片主要參數進行了對比（如表1所示），并進行了相關的仿真，經過綜合對比驗證選用了AD8606 這款芯片作為電荷放大器的芯片。

電荷放大器電路的設計

圖3 為本文設計實際電荷放大器仿真電路圖。圖中，電荷放大器內部只能做到非完全補償，勢必會產生自激振蕩，在運算放大器中接人由電容C1組成的補償電路，可以消除自激振蕩。

新型電荷放大器電路可以看作是一個電容負反饋增益積分放大器，所以電荷放大器反饋電容C9的品選擇必須與積分網絡的反饋電容基本要相同h 新型電荷放大器輸出靈敏度是通過調節(jié)電荷放大器的反饋電容C9 來實現(xiàn)的。要求反饋電容C9 的值不能取太小，否則分布電容會產生很大的影響;但是反饋電容C9 的值也不能取太大，否則漏電太大。電荷放大器是采用了電容負反饋，所以電荷放大器對直流工作點相當于開環(huán)，導致零點漂移較大;為了減少零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定，一般在反饋電容兩端并聯(lián)一個積分漂移泄漏電阻R5 （10“ 以上） 做反饋，提供直流反饋，以保持電荷放大器電路正常工作7。

仿真與分析

本文采用Multisiml2 仿真軟件對電荷放大器電路進行仿真測試。仿真電路主要有兩個目的：第，要注意電荷放大器在不同信號強度下延時變化情況。第二，同時要求檢測信號通過電荷放大器放大的效果。因為時間測量的精度決定了超聲波氣體流量計傳播時間的測量精度，所以要求在不同的電流強度下，看信號相位差變化大小。相位差測量方法一般有閾值法、峰峰值測量法和過零檢測法。閾值法是先假定一個值，當信號都經過這個值時作為測量的依據，但是在不同信號強度下的電流，電壓值在不停的變化，我們根本無法用閾值法來測量小信號相位差。峰峰值測量法是測量兩個波形的最大正值或是最大負值。然而對于小信號用峰峰值進行測量時，噪聲會對峰峰值檢測會產生很大的影響，這個測量方法雖然簡單，但是準確度不是很高。過零檢測法是一種經典的調制域分析方法，通過測量兩個同頻率信號過零的時間差，從而確定電荷放大器的時間延時，如圖4所示。此方法簡單可靠，實用性強，能夠實現(xiàn)高精度測量。

本文采取以第二波過零為基準來測量時間延時的大小。用Multisim12 仿真電荷放大器在不同的信號強度下測得時間延時的大小，如表2 所示。

根據表1的數據，用MATLAB 編寫信號強度與時間延時曲線圖如圖5 所示。

如圖5 所示，電荷放大器的延時時間會隨著信號強度呈指數規(guī)律衰減，因此電荷放大器引起延時變化很大，故對實驗測量的結果造成嚴重的影響。為了克服這一缺陷，需要設計一種增益補償電路來提高測量超聲波氣體流量計傳播時間的精度。我們設計的時間增益補償電路如圖6 所示。主要是利用通滑動變阻器和電荷放大器來實現(xiàn)增益補償。壓電傳感器發(fā)射超聲波信號具有連續(xù)性，根據每次接收到超聲波信號的強弱來調整滑動變阻器的阻值，使電荷放大器的延時保持在一個固定值。這樣可以保證每次檢測信號通過電荷放大器的延時都是一樣，提高測量的精度。所以只要選擇合理的芯公畢分歧上息講人優(yōu)民悅出片和反饋電阻的大小，使前面的西線不降和后面的曲線上升，就可以實現(xiàn)增益補償的目的，這樣就可以很好的補償電荷放大器造成的時間延時。

在圖6 中，在不同信號強度下電流的大小，通過調節(jié)可變電容與可變電阻使得電荷放大器延時保證致。如表3 所示。

由圖7 可知，信號通過增益補償后不論通過電荷放大器信號強弱，時間延時都是相等。這樣使得測量時間更加精確。信號在200kHz，1uA 條件下，通過電荷放大器和濾波器電路以后的波形如圖8 所示。

由圖8我們可以看到信號經過電荷放大器放大的波形的效果很好，原始信號的電壓值大約在300多u V，而放大后的信號大概在20mV 左右。實際應用效果由于仿真為實際應用提供了可靠的理論基礎，電荷放大器在實際應用效果很好，圖9就是信號放大后通過示波器得到的實際波形，由圖9 可知雜波干擾基本是在200mV 以內，信噪比很高。

實際應用效果

由于仿真為實際應用提供了可靠的理論基礎，電荷放大器在實際應用效果很好，圖9就是信號放大后通過示波器得到的實際波形，由圖9 可知雜波干擾基本是在200mV 以內，信噪比很高。

本文設計的電荷放大器是針對超聲波等體流量計小信號的放大。信號在經過電荷放大器時時間延時是變化，因此增益補償是電荷放大器電路中一個重要的部分，本文給出了一種補償增益電路設計方案，通過實驗表明它具有很好的增益補償效果。