引言 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多功能強(qiáng)大的集成電路芯片，這些芯片往往可以將一個(gè)完整功能的電路集成到一個(gè)芯片上，或?qū)讉€(gè)相關(guān)功能的電路甚至整套的測(cè)控電路集成到一個(gè)芯片上。在現(xiàn)代儀器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能地采用集成化器件。鋼球振動(dòng)測(cè)量?jī)x的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分采用了高集成度的芯片去簡(jiǎn)化電路或電路設(shè)計(jì)，利用了集成狀態(tài)變量濾波器；集成化真有效值、對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器；集成函數(shù)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(cè)鋼球通過(guò)不同胎具固定在高精度主軸上旋轉(zhuǎn)，加速度傳感器與被測(cè)鋼球表面接觸，并拾取鋼球表面因波紋而產(chǎn)生的微弱振動(dòng)信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后，通過(guò)170～400Hz或400～800Hz帶通濾波器，再送至有效值、對(duì)數(shù)電路，最后經(jīng)表頭指示出被測(cè)鋼球的波紋振動(dòng)值，其振動(dòng)值的大小用分貝值度量。該儀器設(shè)有自校電路，其電路產(chǎn)生260Hz與520Hz正弦波信號(hào)，用于隨時(shí)校準(zhǔn)。電氣系統(tǒng)的測(cè)量原理如圖1所示。 2　主要單元電路的設(shè)計(jì) 2.1　前置放大電路 鋼球振動(dòng)測(cè)量?jī)x的拾振器為壓電式加速度型傳感器。該類(lèi)傳感器的結(jié)構(gòu)形式有3種：周邊壓縮式、中心壓縮式及剪切式。從性能和經(jīng)濟(jì)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(zhì)量塊與外殼隔離，對(duì)基座應(yīng)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(qiáng)。 與壓電元件配套的測(cè)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(jiǎn)單，但易受外界干擾影響，并且電纜分布電容對(duì)傳感器測(cè)量精度影響很大，而電纜的分布電容量則與導(dǎo)線種類(lèi)和長(zhǎng)度有關(guān)，在測(cè)量中如果更換電纜，則必須對(duì)前置放大器的倍率重新進(jìn)行調(diào)整；電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，對(duì)電纜長(zhǎng)度變化的影響幾乎可以忽略不計(jì)，所以在此測(cè)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(gè)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(nèi)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(yùn)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(cè)量精度，要求Cf的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性要好。 幅頻特性 式中　 ω-角頻率 Gf-Rf的電導(dǎo) 低頻時(shí)電荷放大的頻率響應(yīng)僅決定于反饋電路參數(shù)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(dòng)測(cè)量?jī)x中的濾波電路采用RC有源濾波器。這類(lèi)濾波器由運(yùn)算放大器外接電阻、電容構(gòu)成的。濾波頻率由電阻、電容參數(shù)決定，選配困難，調(diào)試不便。為了方便測(cè)量系統(tǒng)的調(diào)試與維修，減小濾波器的溫漂與時(shí)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(lái)獲得的一種濾波電路。它是一種有源的模擬濾波器，是時(shí)間連續(xù)的濾波，與開(kāi)關(guān)電容濾波器相比，噪聲較小，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良。狀態(tài)變量濾波器便于集成化，外接幾個(gè)電阻便可構(gòu)成低通、高通、帶通帶阻等各種類(lèi)型的濾波器。集成化的狀態(tài)變量濾波器基本單元是一個(gè)二階環(huán)節(jié)，通過(guò)級(jí)聯(lián)可實(shí)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(shù)稍有變化時(shí)，對(duì)傳輸特性的影響不大。 集中狀態(tài)變量濾波器MAX274包含四個(gè)二階環(huán)節(jié)，最高可構(gòu)成一個(gè)八階濾波器。圖3是利用MAX274設(shè)計(jì)的400～800Hz帶通濾波器，其頻率特性滿足《JB/T8075-1996　滾動(dòng)軸承鋼球振動(dòng)測(cè)量?jī)x的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的要求。 2.3　有效值、對(duì)數(shù)電路 交流電壓通常是以有效值來(lái)度量的，測(cè)量交流電壓的電路有平均值轉(zhuǎn)換器和真有效值轉(zhuǎn)換器。平均值轉(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)單，成本低，廣泛應(yīng)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(jìn)行刻度的，所以，只有在測(cè)僅包含正弦波的電壓信號(hào)時(shí)，所顯示的結(jié)果才是正確的?，F(xiàn)代高精度儀器儀表很少再采用平均值轉(zhuǎn)換器，代之發(fā)展并廣為采用的是真有效值轉(zhuǎn)換器。真有效值轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)周期性交流電壓的有效值測(cè)量。其輸出的直流電壓，線性地正比于被測(cè)各種波形交流信號(hào)的有效值，不受輸出波形失真度的影響。 有效值測(cè)量集成電路視其測(cè)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(yùn)算而設(shè)計(jì)的，其精度優(yōu)于0 1%，波峰因數(shù)≤10，相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間快，是當(dāng)前集成真有效值轉(zhuǎn)換器性能較好的一種。AD637由絕對(duì)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(shè)有對(duì)數(shù)輸出口，通過(guò)外接電路設(shè)置對(duì)數(shù)電路零點(diǎn)，AD637測(cè)量有效值的輸出值經(jīng)過(guò)差動(dòng)對(duì)數(shù)放大器后就得到所測(cè)量有效值的dB值。 2.4　校準(zhǔn)信號(hào)源 采用集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038和外接阻容元件構(gòu)成信號(hào)發(fā)生器，輸出260Hz與520Hz兩種正弦波信號(hào)，用于電氣系統(tǒng)進(jìn)行自校。ICL8038的內(nèi)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(hào)源的失真度≤1%，頻率、波形調(diào)整方便。 3　抗干擾問(wèn)題 制作性能穩(wěn)定而可靠的測(cè)量電路，不僅需要正確設(shè)計(jì)電路、合理選擇元器件，而且應(yīng)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(cè)量電路，因此在實(shí)測(cè)中干擾及噪聲的影響就顯得十分嚴(yán)重，必須加以注意。鋼球振動(dòng)測(cè)量?jī)x電氣系統(tǒng)測(cè)試的信號(hào)范圍為幾微伏到幾十毫伏，動(dòng)態(tài)范圍大，信號(hào)微弱。電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)噪聲疊加到被測(cè)鋼球的振動(dòng)信號(hào)上，會(huì)影響到儀器的示值線形誤差。因此，在該寬動(dòng)態(tài)弱信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，抗干擾是要多加考慮的重要問(wèn)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(jié)合起來(lái)使用；對(duì)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(hào)走線、電氣系統(tǒng)的裝配工藝均要符合抗干擾的設(shè)計(jì)要求。 實(shí)踐證明，該電氣測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度高，基礎(chǔ)噪聲低，工作穩(wěn)定可靠，且操作簡(jiǎn)單，調(diào)試、維修方便。