测压系统信号的设计与仿真

共模输入信号范围

若输入信号中的共模电压过大时，会使输入放大器饱和。在临界饱和时，VO的输出电压为VO=VCM－VO/2.INA128的线性输入范围大约从电源-1.7V到+1.4V.对于确定的电源电压，输出电压Vo越大，允许的共模信号越小。

低电压运行

INA128的最大特点是适用的电源电压范围很宽。电源电压从±2.25V到±18V变化时，大部分参数仍能维持很好的性能，其具体电路如图6所示。



图6放大电路原理图

滤波电路设计

压力传感器的信号经过调平衡电路和仪表放大器之后为了达到比较理想的测量效果，往往还需要对信号进行滤波，去除信号中叠加的噪声干扰。本文计划采用二阶压控低通滤波器，实现对压力传感器信号的滤波。测量系统从传感器拾取的信号中，往往包含噪声和许多与被测量无关的信号，并且原始的测量信号经传输、放大、交换、运算及各种其他处理过程，也会混入各种不同的噪声，从而影响测量的精度。这些噪声一般随机性很强，很难分布于频率域中某一特定的频带中。信号分离电路一般利用滤波器从频率域中实现对噪声的抑制，提取所需的测量信号，是各种测量系统中必可少的组成部分。在实际的测试系统中，如果要求我们放大的是微弱的小信号，在放大的同时一些干扰信号也随之放大，严重的影响了我们的测试质量，因此，需要对原始信号进行预处理。前置滤波电路（抗混叠滤波器）是我们削弱噪声一种常用手段。滤波器的主要功能是让指定频段信号能较顺利地通过，而对其它频段信号起到衰减作用。在高冲击场的测试中，前期需要抑制的主要是高频信号，以避免在一定的采样频率下造成信号频谱的混叠。需要设计低通滤波器来进行预处理。低通滤波器的作用是使高频信号尽可能的衰减，而使有用的低频信号顺利通过。

滤波器的类型

按照所处理信号形式的不同，滤波器可分为模拟与数字两大类。二者在功能特性方面，有许多相似之处，在结构组成方面有又有很大的区别。前者处理对象为连续的模拟信号，而后者则为离散的数字信号。

滤波器对不同的频率的信号有三种不同的选择作用：

（1）在通频带内信号受到很小的衰减而通过。

（2）在阻带内使信号受到很大的衰减而抑制。

（3）在通带和阻带之间的一段过渡带受到不同程度的衰减。

滤波器对不同频率带在全频带中分布的位置不同，可实现对不同频率信号的选择作用。根据所选择的频率滤波器四种类型即：高通、低通、带通、带阻。此外还有一种全通滤波器，各种信号都内能够通过，但相位有不通的变化，他实际是一种移相器。根据电路的组成又可以分为LC无源滤波器、RC无源滤波器、LC有源滤波器和RC有源滤波器。根据传递函数则可分为一阶滤波器，二阶滤波器和高阶滤波器。

电源电路介绍与信号调理电路的仿真

任何电子设备都离不开电源，为了使压力传感器中的惠斯通电桥能够正常工作，我们需要提供比较准确的电源，并且其纹波电压一定要非常小。

电源电路的作用

电源控制技术是放入式电子测试仪器实现低功耗的关键技术。简言之，即电路在需要工作时给其供电，在不需工作时断电，减小电路无效操作时功耗的比例。此时系统有多种电源供电，采用单电池电源实现多分支电源网络管理，使得系统各功能模块的电源相对独立供电，在不工作时可以分别断电，以节省功耗，但此时需要注意带电部分和不带电部分的兼容问题。

电源芯片的选择

目前比较常用的电源芯片有7325、7333、7350、AD587等，这些电源芯片分别能够输出稳定的2.5V、3.3V、5V、10V电压，通过旁路电容的设计，其纹波电压较小，比较适合用来做电源控制电路。

电桥采用恒压电源供电时必须保证供电电压在采样频率，负载等诸多外部环境改变的情况下保持高度稳定，在实际应用中不使用专门的稳压电源很难做到这一点，因此，本设计中采用LP2987作为专门的电源。

信号调理电路的设计及仿真

仿真的过程可分为以下几个步骤：

1.数据输入：将用户创建的电路图结构、元件数据读入，选择分析方法；

2.参数设置：程序会检查输入数据的结构和性质，以及电路中阐述的内容对参数进行设置。

3.电路分析：对输入信号进行分析，它是电路仿真的关键。它将形成电路的数值解，并将所得数据送到输出极。

4.数据输出：从测试仪器如示波器等上点获得仿真运行结果。并进行分析。



图7滤波电路原理图


图8电源电路的结构图



图9电桥供电电源



图10仿真电路图

由于在仿真库中无法找到INA128芯片，所以，根据该芯片的内部结构可采取应用具体芯片连接的方法进行放大部分的仿真。放大器由两级串联，前级是两个同项放大器，为对称结构，输入信号加在A1、A2的同项输入端，从而具有高拟制共模干扰的能力和高输入阻抗。后级是差动放大器，它不仅切断共模干扰的传输，还将双端输入方式变换成单端输出的方式，适应对地负载的需要。其输入基准电压值根据设计的需要值为125V.

（1）具体波形从滤波器可以看出输入波形的幅度为20mV，偏置电压值为0.25V，而输出波形的幅度则为2.4V，约为输入波形的幅度的100倍，与设计要求基本相一致。如图11所示输出波形为A通道，量程为2V/格。输入波形为B通道，量程为2mV/格。

（2）从图中我们可以看出：

a幅频特性：

如图12，在截止频率158.7KHz处，幅频特性为3.024dB，在平直段则为6.032dB.3.024-6.032≈-3dB.

b相频特性：



由公式得抗混叠滤波器的截止频率。仿真结果（图13）中，相位在-90.17°处，频率为159.4KHZ，与理论值160KHz近似相等。