Design and analysis of singal conditioning circuit for vibration sensor

A piezoelectric sensor charge/voltage conversion circuit is designed based on the principle that piezoelectric sensor can convert the vibration or shock acceleration into the charge proportionally.Effect of temperature characteristic of feedback capacitor on the switching circuit output is analyzed based on the acquisition and measurement system in this paper.The characteristics of different filters are analyzed,and the corresponding filter circuit is configured according to the actual sensor bandwidth.Experiments show that the circuit can effectively filter out noises among the vibration signal and obtain vibration signal accurately.

传感器与调理电路实践教学模式探索

实践类通识课程以培养学生的思维方式、学习和实践能力为目标。如何在学生基础专业水平不同的状况下展开教学,是这类课程面临的重要问题。以北京航空航天大学开设的“传感器调理电路的设计与仿真”为例,阐述如何开展“理论-仿真”并行和“自主设计型考核”这两个措施的具体实施方式及实际成效。

“传感器调理电路的设计与仿真”线上教学实践

为了应对各种突发状况的发生,保证教学活动平稳进行以及学生参与度,有必要探讨一套行之有效的线上教学模式。以北京航空航天大学“传感器调理电路的设计与仿真”为例,就线上教学的教学结构、教学内容、教学考核方式以及教学成效进行阐述,并进行思考总结。

压电MEMS振动传感器调理电路设计与实现

针对铌酸锂单晶薄膜的压电MEMS振动传感器输出电荷信号微弱而难以采集的问题,设计了一种基于集成运放芯片TLE 2064 CDR的信号调理电路。该电路由电荷-电压转换电路(Q-V)、电压放大电路、前置低通滤波电路和后置高通滤波电路构成,旨在实现微弱信号的采集。此外,利用ACT 2000振动台进行振动实验,通过标准电荷放大器和设计的信号调理电路对压电MEMS振动传感器测试。测试结果表明,所设计的信号调理电路与标准电荷放大器的输出有较好的一致性,可以满足5~130 pC的宽输入电荷的采集。当加载加速度范围为5~20 g时,输出电荷和输入加速度之间的线性度好;在输入加速度5 g,工作频率范围为50~2000 Hz时,输出电荷偏差控制在±1.6 pC内,具有很好的一致性。综上所述,该电路具有集成度高,灵敏度好等特点,在微弱信号采集方面具有很好的应用前景。

MEMS心音传感器及检测电路优化设计

对基于微电子机械系统(MEMS)技术的心音传感器声敏结构进行了优化且设计了其检测电路。首先,针对心音信号的特点,设计了二次集成的扁平状仿生纤毛结构,对该结构进行仿真,确定了纤毛的尺寸参数和梁上最大应力1.2×10^(5) N/m^(2),对纤毛进行特征频率仿真,在硅油域中结果为711 Hz;其次由扁平状纤毛结构X轴接收噪声时梁上的应力仿真结果可知该结构具有抗干扰能力;最后设计了后端的放大电路和滤波电路并对传感器封装后进行测试。测试结果表明,该结构的信噪比达到了27 dB,较传统的圆柱形纤毛提高了35%,且其抗干扰能力也优于传统的圆柱形纤毛。优化过后的MEMS心音传感器具有抗干扰、低噪声、低成本、采集的信号不失真等优势,可为临床心音信号的采集提供关键核心部件。

面向超大面阵CMOS图像传感器的全局斜坡一致性校正方法

针对大面阵CMOS图像传感器(CIS)中存在的斜坡信号不一致性问题,该文提出一种用于CMOS图像传感器的斜坡一致性校正方法。该误差校正方法基于误差存储和电平移位思想,在列级读出电路中引入用于存储各列斜坡不一致性误差的存储电容,根据存储的斜坡不一致性误差对各列的斜坡信号进行电平移位,确保斜坡信号的一致性。该文基于55 nm 1P4M CMOS工艺对提出的斜坡一致性校正方法完成了详细电路设计和全面仿真验证。在斜坡信号电压范围为1.4 V,斜坡信号斜率为71.908 V/ms,像素面阵规模为8 192(H)×8 192(V),单个像素尺寸为10μm的设计条件下,该文提出的校正方法将斜坡不一致性误差从7.89 mV降低至36.8μV。斜坡信号的微分非线性(DNL)为+0.001 3/–0.004 LSB,积分非线性(INL)为+0.045/–0.02 LSB,列级固定模式噪声(CFPN)从1.9%降低到0.01%。该文提出的斜坡一致性校正方法在保证斜坡信号高线性度,不显著增加芯片面积和不引入额外功耗的基础上,斜坡不一致性误差降低了99.53%,为高精度CMOS图像传感器的设计提供了一定的理论支撑。

磁通门电子学中的噪声分析与抑制

针对磁通门传感器电子学单元中存在的噪声信号干扰问题,分析了磁通门激励电路中存在的功率器件MOSFET在方波开关信号频率下开通和关断时,引入与检测目标频率相关的噪声信号通过电源地层串扰对感应和反馈信号产生的影响,并提出了一种新型的噪声滤波电路以降低噪声水平。通过电路仿真结果及该降噪电路的实际应用测试结果表明:噪声幅值水平明显降低,该滤波电路能够对噪声信号起到明显的抑制作用,且在感应、反馈信号中与激励频率相关的谐波噪声得到了有效滤除,与高性能磁通门磁测数据相似度由原来的0.918提升至0.986,验证了该降噪电路对磁通门传感器整体磁测水平的提高效果。

半航空电磁接收系统的设计与应用

利用半航空电磁法进行勘探时,半航空电磁接收系统中线圈传感器获取的电压信号很小且易受噪声等因素干扰,无法直接采样和分析。针对上述问题,设计了一套新型的低噪声半航空电磁接收系统。该系统以双通道匹配晶体管MAT03、MAT12和低噪声放大器AD8429为核心设计了低噪声放大电路,以运算放大器NE5532为核心设计了五阶低通滤波电路。通过仿真验证了设计电路功能的可行性,并对其进行了性能测试和野外试验。测试和试验结果表明:所设计的放大电路增益可调且噪声低于市面上的放大器,低通滤波电路抑制高频干扰效果良好。

一种热电堆传感器噪声的系统分析方法

阐述热电堆红外探测器的赛贝尔克效应原理,它的特点是室温工作非制冷,光谱响应范围宽,输出电路简单,成本低,它是红外领域研究热点之一。热电堆在等效电路上有一个电阻,其热噪声是热电堆红外探测器的关键指标,除了热电堆,读取电路本身也有噪声。探讨高端热电堆芯片读出电路降噪结构,系统分析其降噪分析方法和机理,从而在热电堆传感器设计阶段能够分析出系统性能。

发动机压力传感器补偿电路优化设计

以某型发动机为平台,结合起动供油规律和试验数据,得出了压力传感器的精度要求。针对原压力传感器精度不满足要求的问题,在改动量最小的前提下,设计了一种以信号调理芯片MAX1452为核心的补偿电路。经试验验证,改进后的传感器精度优于±0.3%。发动机采用改进后的传感器,在地面起动时,未出现因压力测量误差导致的起动失败;在高原起动时,不经过传感器校准,起动成功率也得到大幅度提升。该方案提高了发动机起动成功率,有效减少了因大气温度或海拔高度变化对传感器校准工作的影响。

一种新型的图像传感器列信号处理电路设计

阐述一种新型的图像传感器列信号处理电路,通过比较器将所有行的参考信号和像素信号先后锁存于同一存储单元,比较器只需要与同一存储单元进行数据交互,减少因不同行的参考信号和像素信号锁存于不同存储单元,而引起的比较器负载增加所产生的电源功耗。

水声传感器调理电路设计

由于水下环境极其恶劣且水声传感器输出信号微弱,在传输微弱信号时又常常受到其他信号的干扰而不能直接用于后级采集电路,因此需要对水声传感器的输出信号进行一系列处理。设计一种水声传感器调理电路,主要包括前置放大电路、滤波电路、单端转差分电路。该电路采用了低功耗、极低噪声、超低偏置电流的高速仪表放大器AD8421和低功耗、低噪声、低偏置电流的运算放大器AD8022,其中滤波电路由四阶有源SK高通滤波器与二阶有源MFB低通滤波器级联构成。仿真和测试结果表明,该电路可实现固定增益为20 dB,较宽的通频带100 Hz~500 kHz,截止频率处的衰减小于1 dB,短路等效输入噪声不大于2μVrms。该电路的噪声性能较一般信号调理电路更优异且电路结构更简单,可以灵活运用于微弱信号的采集和处理。

基于场路耦合的永磁电机高频径向电磁力波分析

振动和噪声的大小是衡量家用变频空调压缩机品质的指标之一。针对家用变频空调压缩机出现的高频噪声问题,以一台6极9槽家用空调压缩机用永磁同步电机及其控制系统为研究对象,基于场路耦合法,对常规空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术及其控制策略所引入的谐波电流成分与高频声振响应特性进行研究。首先通过解析法分析了永磁电机高频噪声源的产生机理。其次从原理上阐述了电流谐波对径向电磁力波的阶次特征与频率特性的影响。然后建立了永磁电机的场路耦合模型,详细分析了不同负载工况下高频径向电磁力波频率与开关频率的关系。最后采用声振特性试验进行了验证,结果表明:场路耦合模型可以考虑电机本体、控制策略以及开关频率等非线性因素引起的高频电流谐波影响,并得出了高频径向电磁力波频率与载波频率的关系式,为永磁电机的高频噪声预测以及减振降噪提供了参考。

长线列红外探测器成像电子学系统设计

长线列红外探测器电子学系统面临探测器模块多、噪声低、体积小、质量小和长寿命高可靠等诸多问题的挑战。系统总体设计中摒弃了以往备份冗余的设计方案,提出采用将成像电子学系统分成2个半视场进行电子学系统设计的方法,体积和质量减小了50%,2套电路独立运行,保证可靠性。对多模块探测器信号分组合并引出,各组信号互相独立且物理隔离,防止单模块引起的系统全部失效,同时降低通道间的电路传导耦合。基于焦面电路和信号处理电路分置式电路架构进行了高集成度、低噪声成像电路设计。利用红外成像系统推扫成像模式积分时间充裕的特点,采用了多次积分成像方法降低系统噪声。测试结果表明,成像电路不带探测器负载时,噪声1.69个最低有效位(LeastSignificantBit,LSB)(折合电压0.17mV);带探测器负载时,多次积分成像后电路噪声为3.22个LSB(折合电压0.33mV)。成像系统成像品质优异,静态调制传递函数和噪声等效温差达到要求。设计的成像电子学系统已成功完成应用验证,可为复杂大规模遥感器电子学系统设计提供借鉴和参考。

高精度电阻应变称重降雨传感器设计

针对双翻斗雨量传感器易被灰尘堵塞从而失效,且强降雨时误差会逐渐增大等问题,文中采用电阻应变测量技术,设计一种称重式降雨传感器。感应部分采用高精度的惠斯通全桥测量电路消除热零点漂移和热灵敏度漂移,信号放大调理电路具有参考电压,可消除供电波动。结构设计中承水器和储水器的水流通孔直径为12mm,两者的高差最大为176.4mm,流通能力和容量远远大于4mm/min强降雨测量的需求。嵌入式固件通过精确的双阀门自动排水时序控制流程确保测量、储水和排水之间协调联动,避免漏测和误测。使用气象业务雨量校准仪对该传感器进行测试,结果表明在1mm/min和4mm/min两种雨强下,测量误差均小于0.4mm,优于传统的双翻斗测量方法。电阻应变技术创新性地应用于暴雨自动观测,能够提高数据的可靠性和准确性。

基于列共用多采样技术的CMOS图像传感器读出电路设计

针对CMOS图像传感器中相关多采样(Correlated Multiple Sampling,CMS)技术在抑制噪声的同时使读出速度受影响的问题,设计了低噪声读出电路。读出电路采用列共用多采样技术,能够在不影响读出速度的情况下,抑制时域噪声和列固定模式噪声(Fixed Pattern Noise,FPN),改善CMOS图像传感器的成像质量。列共用多采样技术采用开关控制读出电路和像素的连接关系,以多列共用的读出电路对像素依次进行时序错开时间缩短的多次采样,完成所有像素量化的总时间保持不变。基于列共用多采样技术读出电路的降噪效果在110 nm的CMOS工艺下进行了仿真和验证。随着采样数M从1到4变化,读出时间没有增长,瞬态噪声仿真得到整个读出链路的输入参考噪声从123.8μV降低到60.6μV;加入列FPN进行仿真,输入参考失调电压由138μV降低到69μV。

电路噪声对星敏感器星点定位精度的影响

提出了一种测量星敏感器电路模块带来的图像噪声的方法。在实验室条件下,用星敏感器拍摄多幅背景图像,分析表明:不同背景图像上相同像素的灰度差值代表了电路模块带来的图像噪声,该噪声服从正态分布。模拟产生该正态分布的随机矩阵作为图像噪声加到理想的星点上,采用亚像素细分质心算法计算出带噪声的星点质心坐标,从而得到噪声带来的星点位置偏差。计算结果表明:实验室条件下,星敏感器实测6等星的质心测量精度为1/25 Pixel,而电路噪声将引起1/200 Pixel量级的标准偏差;电路噪声,尤其是DC/DC电源纹波噪声对星敏感器星点定位带来的误差是不容忽视的。

一种PM2.5检测传感器设计

为了减小和防治灰霾天气对人们生活和健康的不利影响,对灰霾检测设备进行了研究,提出了一种PM 2.5检测传感器设计。根据光电传感器原理,采用对射型检测方式,将波长为650nm、功率为10mW的半导体激光器作为光源,使用具有内增益、灵敏度好的雪崩光电二极管作为接收器,经过由I/V转换、电压放大和具有低偏压差、低温度漂移、高性能电压跟随器构成的调理电路处理后,完成对颗粒物检测传感器设计。实验结果表明:该传感器测量准确、响应快、误差小,为准确测量颗粒物的浓度提供了硬件基础。

星敏感器成像电路噪声分析及降噪处理

为了提高星敏感器的探测精度,针对星敏感器成像电路的CCD组件噪声、驱动电路噪声、二次电源噪声以及模/数混合电路的噪声进行了机理分析,并提出了相应的解决方案,经实验验证成像电路输出信号的信噪比得到很大提高。

球体表面圆环阵模态域稳健高增益波束形成方法研究

通过对考虑障板影响下噪声互谱矩阵的精确求解,给出了一种计算刚性球体表面圆环阵阵增益的模型,并在此基础上提出了一种模态域二阶锥规划稳健高增益波束形成方法。该方法根据相位模态波束形成理论,将阵元域稳健加权向量转换为模态域的稳健模态系数,从而设计出不同模态阶数下的稳健高增益波束。由于采用了白噪声增益约束以及低频段较低的模态阶数,该方法提高了超增益波束形成器的稳健性。仿真结果表明该方法能够提供更多的稳健波束形成的方案,在多个关联的波束性能指标之间获得比常规方法和阵元域稳健性方法更合理的折衷。