引言 隨著微電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了許多功能強大的集成電路芯片，這些芯片往往可以將一個完整功能的電路集成到一個芯片上，或將幾個相關功能的電路甚至整套的測控電路集成到一個芯片上。在現(xiàn)代儀器的開發(fā)設計中，應盡可能地采用集成化器件。鋼球振動測量儀的電氣系統(tǒng)設計，充分采用了高集成度的芯片去簡化電路或電路設計，利用了集成狀態(tài)變量濾波器；集成化真有效值、對數轉換器；集成函數發(fā)生器等，提高了儀器電氣系統(tǒng)的性能，降低了成本。 1　工作原理 被測鋼球通過不同胎具固定在高精度主軸上旋轉，加速度傳感器與被測鋼球表面接觸，并拾取鋼球表面因波紋而產生的微弱振動信號。此信號經電荷放大器放大后，通過170～400Hz或400～800Hz帶通濾波器，再送至有效值、對數電路，最后經表頭指示出被測鋼球的波紋振動值，其振動值的大小用分貝值度量。該儀器設有自校電路，其電路產生260Hz與520Hz正弦波信號，用于隨時校準。電氣系統(tǒng)的測量原理如圖1所示。 2　主要單元電路的設計 2.1　前置放大電路 鋼球振動測量儀的拾振器為壓電式加速度型傳感器。該類傳感器的結構形式有3種：周邊壓縮式、中心壓縮式及剪切式。從性能和經濟的角度考慮，選用yd-12型中心壓縮式傳感器。該型傳感器的壓電片和質量塊與外殼隔離，對基座應變引起的誤差和橫向靈敏度均較小，比周邊壓縮式傳感器的抗環(huán)境干擾能力強。 與壓電元件配套的測量電路的前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（即傳感器的輸出）成正比；另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，但易受外界干擾影響，并且電纜分布電容對傳感器測量精度影響很大，而電纜的分布電容量則與導線種類和長度有關，在測量中如果更換電纜，則必須對前置放大器的倍率重新進行調整；電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，對電纜長度變化的影響幾乎可以忽略不計，所以在此測量系統(tǒng)中采用電荷放大器作為前置放大電路。電荷放大器是一個高增益的電容反饋放大器，其基本電路如圖2所示，虛線框內為傳感器等效電路。 [align=center] 圖2　電荷放大器基本電路框圖[/align] 輸出幅值 式中　 Q-傳感器電荷量 Ca-傳感器電容量 Ra-傳感器阻值 Cf-電荷放大器反饋電容 Rf-電荷放大器反饋電阻 A-運算放大器的增益 輸出電壓取決于Q和Cf。為了得到必要的測量精度，要求Cf的溫度和時間穩(wěn)定性要好。 幅頻特性 式中　 ω-角頻率 Gf-Rf的電導 低頻時電荷放大的頻率響應僅決定于反饋電路參數Rf和Cf。反饋電阻Rf還有提供直流反饋、減小零漂、使電荷放大器工作穩(wěn)定的作用。 2.2　濾波器 傳統(tǒng)鋼球振動測量儀中的濾波電路采用RC有源濾波器。這類濾波器由運算放大器外接電阻、電容構成的。濾波頻率由電阻、電容參數決定，選配困難，調試不便。為了方便測量系統(tǒng)的調試與維修，減小濾波器的溫漂與時漂，采用了集成狀態(tài)變量濾波器。 所謂狀態(tài)變量濾波器就是用狀態(tài)變量法解二階微分方程并致力于用模擬電子線路來獲得的一種濾波電路。它是一種有源的模擬濾波器，是時間連續(xù)的濾波，與開關電容濾波器相比，噪聲較小，動態(tài)性能優(yōu)良。狀態(tài)變量濾波器便于集成化，外接幾個電阻便可構成低通、高通、帶通帶阻等各種類型的濾波器。集成化的狀態(tài)變量濾波器基本單元是一個二階環(huán)節(jié)，通過級聯(lián)可實現(xiàn)四階或八階濾波器。這種濾波器的誤差靈敏度低，即外接電阻參數稍有變化時，對傳輸特性的影響不大。 集中狀態(tài)變量濾波器MAX274包含四個二階環(huán)節(jié)，最高可構成一個八階濾波器。圖3是利用MAX274設計的400～800Hz帶通濾波器，其頻率特性滿足《JB/T8075-1996　滾動軸承鋼球振動測量儀的技術標準》中的要求。 2.3　有效值、對數電路 交流電壓通常是以有效值來度量的，測量交流電壓的電路有平均值轉換器和真有效值轉換器。平均值轉換器電路簡單，成本低，廣泛應用于低精度的儀器儀表中，但由于采用平均值的電壓表頭是按正弦有效值進行刻度的，所以，只有在測僅包含正弦波的電壓信號時，所顯示的結果才是正確的。現(xiàn)代高精度儀器儀表很少再采用平均值轉換器，代之發(fā)展并廣為采用的是真有效值轉換器。真有效值轉換器可以實現(xiàn)周期性交流電壓的有效值測量。其輸出的直流電壓，線性地正比于被測各種波形交流信號的有效值，不受輸出波形失真度的影響。 有效值測量集成電路視其測量范圍和精度要求有多種規(guī)格可選，較通用的有AD536、AD636、AD637、AD736及AD737D等。我們選用AD637，該集成器件是按有效值隱含運算而設計的，其精度優(yōu)于0 1%，波峰因數≤10，相對穩(wěn)定時間快，是當前集成真有效值轉換器性能較好的一種。AD637由絕對值電路、平方/除法器、低通濾波/放大器和緩沖放大器等組成。AD637還設有對數輸出口，通過外接電路設置對數電路零點，AD637測量有效值的輸出值經過差動對數放大器后就得到所測量有效值的dB值。 2.4　校準信號源 采用集成函數發(fā)生器ICL8038和外接阻容元件構成信號發(fā)生器，輸出260Hz與520Hz兩種正弦波信號，用于電氣系統(tǒng)進行自校。ICL8038的內部電路主要有矩形波、三角波發(fā)生電路和三角波變正弦波電路。該信號源的失真度≤1%，頻率、波形調整方便。 3　抗干擾問題 制作性能穩(wěn)定而可靠的測量電路，不僅需要正確設計電路、合理選擇元器件，而且應從工藝上采取措施以抑制干擾和噪聲。 由于電荷放大器為一種高阻抗測量電路，因此在實測中干擾及噪聲的影響就顯得十分嚴重，必須加以注意。鋼球振動測量儀電氣系統(tǒng)測試的信號范圍為幾微伏到幾十毫伏，動態(tài)范圍大，信號微弱。電氣系統(tǒng)的基礎噪聲疊加到被測鋼球的振動信號上，會影響到儀器的示值線形誤差。因此，在該寬動態(tài)弱信號測量系統(tǒng)的設計過程中，抗干擾是要多加考慮的重要問題。 在該電氣系統(tǒng)中，除了選用低噪聲的元器件，還著重采取了以下一些抗干擾措施：將接地和屏蔽正確結合起來使用；對電源加以處理以防止干擾或低頻自激；印制電路板上元器件的布局與信號走線、電氣系統(tǒng)的裝配工藝均要符合抗干擾的設計要求。 實踐證明，該電氣測量系統(tǒng)的測量精度高，基礎噪聲低，工作穩(wěn)定可靠，且操作簡單，調試、維修方便。