電荷放大器零點(diǎn)漂移補(bǔ)償技術(shù)及實(shí)驗(yàn)分析

張 浩

（中國(guó)船舶集團(tuán)第七一五研究所（CSSC），浙江 杭州）

零點(diǎn)漂移現(xiàn)象會(huì)對(duì)電荷放大器的數(shù)據(jù)處理精度產(chǎn)生不良影響，要想提升電荷放大器的性能必須采取零點(diǎn)漂移補(bǔ)償技術(shù)。目前常用的補(bǔ)償方案有兩種類型，一種是基于硬件的補(bǔ)償方案，主要針對(duì)電荷放大器的電荷轉(zhuǎn)換電路、歸一化電路采取補(bǔ)償措施，例如增加多個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成減法電路，補(bǔ)償零點(diǎn)漂移信號(hào)；另一種是基于軟件的補(bǔ)償方案，實(shí)現(xiàn)方法是在主控芯片中寫入零點(diǎn)漂移補(bǔ)償程序，達(dá)到補(bǔ)償效果。對(duì)比來看，軟件補(bǔ)償方案的成本更低，實(shí)現(xiàn)方便，補(bǔ)償效果穩(wěn)定，因此本文主要對(duì)電荷放大器零點(diǎn)漂移的軟件補(bǔ)償技術(shù)展開分析。

1 電荷放大器零點(diǎn)漂移補(bǔ)償技術(shù)

1.1 軟件補(bǔ)償方案

本文設(shè)計(jì)的軟件補(bǔ)償方案如下：在電荷放大器的輸出端安裝一塊補(bǔ)償電路板，可以實(shí)時(shí)收集電荷放大器的輸出信號(hào)。然后利用A/D 轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在主控芯片中寫入零點(diǎn)漂移補(bǔ)償程序，使用該程序處理轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)漂移補(bǔ)償。補(bǔ)償后的結(jié)果通過數(shù)碼管進(jìn)行顯示，整個(gè)補(bǔ)償過程如圖1 所示。

圖1 零點(diǎn)漂移的軟件補(bǔ)償方案

與硬件補(bǔ)償相比，本文設(shè)計(jì)的軟件補(bǔ)償具有以下優(yōu)勢(shì)：其一是所用元器件較少，降低了補(bǔ)償成本。如圖1 所示，該補(bǔ)償方案中只需要在電荷放大器的輸出端加裝一塊補(bǔ)償電路板（A/D 轉(zhuǎn)換芯片可以嵌入到電路板中），即可達(dá)到零點(diǎn)漂移補(bǔ)償效果。同時(shí)，補(bǔ)償電路板的尺寸能夠靈活調(diào)整，確?？梢苑胖迷陔姾煞糯笃鲀?nèi)，不需要增加電荷放大器的體積。其二是補(bǔ)償效果更好，如果采取硬件補(bǔ)償，無法避免循環(huán)電路帶來的死區(qū)時(shí)間影響，補(bǔ)償效果也會(huì)大打折扣。而軟件補(bǔ)償則避免了此類問題，因此補(bǔ)償效果更加理想。

1.2 零點(diǎn)漂移補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)組成

軟件補(bǔ)償電路由A/D 轉(zhuǎn)換、溫度檢測(cè)、數(shù)據(jù)顯示等多個(gè)電路組成，如圖2 所示。其中，單片機(jī)主控電路會(huì)根據(jù)前端參數(shù)找出合適的零點(diǎn)漂移補(bǔ)償程序，并在數(shù)碼管上顯示補(bǔ)償結(jié)果；報(bào)警電路在傳感器輸入阻抗達(dá)不到要求的情況下進(jìn)行報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)更換傳感器；另外，考慮到溫度對(duì)零點(diǎn)漂移的影響顯著，還設(shè)計(jì)了溫度檢測(cè)電路，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果改變室溫，提供符合電荷放大器正常運(yùn)行的溫度。

圖2 零點(diǎn)漂移補(bǔ)償硬件電路結(jié)構(gòu)

1.2.1 電源模塊

軟件補(bǔ)償電路運(yùn)行需要4 種電壓，分別是+15 V、+5 V、+3 V 和-15 V?？梢赃x擇常規(guī)的3 通道（±15 V、+5 V）電源，再連接低壓降穩(wěn)壓電路將+5 V 電壓降低成+3.3 V 電壓，以滿足補(bǔ)償電路板的運(yùn)行需要。電源模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 電源模塊電路

圖3 中，左側(cè)的1、2、3 接口與電源箱連接，可以得到+15 V、-15 V 和+5 V 三種電壓；利用2 個(gè)電容C1和C2構(gòu)成低壓降穩(wěn)壓電路，穩(wěn)定輸出+3.3 V 電壓。該電源模塊的輸出電流最高可以達(dá)到1.2 A，電壓穩(wěn)定度在0.2%以內(nèi)，負(fù)載穩(wěn)定度在0.5%以內(nèi)，可以滿足零點(diǎn)漂移補(bǔ)償電路的運(yùn)行需要。D1和D2是2 個(gè)LED 燈，如果燈亮則表明電壓成功引入和成功轉(zhuǎn)換。

1.2.2 主控電路模塊

本文設(shè)計(jì)的零點(diǎn)漂移補(bǔ)償電路，主控芯片選擇了STM32f103RCT6，該芯片有56KB 的RAM 和512KB的FLASH，內(nèi)置20 個(gè)通用I/O 口、1 個(gè)USB 口、1 個(gè)CAN 口，以及6 個(gè)定時(shí)器，能夠滿足補(bǔ)償電路板引腳資源與內(nèi)部處理器資源的處理需求。主控電路由外部晶振電路、復(fù)位電路組成，晶振電路可以根據(jù)芯片運(yùn)行需要產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘頻率；復(fù)位電路則是在完成主控程序后使主控電路恢復(fù)為初始狀態(tài)[1]。兩條電路利用通用I/O 口與其他芯片（如A/D 轉(zhuǎn)換芯片）連接，完成數(shù)據(jù)通信。報(bào)警電路中的信息驗(yàn)證功能也通過主控芯片來實(shí)現(xiàn)，該芯片每隔一段時(shí)間（默認(rèn)為10 ms）進(jìn)行一次壓電傳感器實(shí)際阻抗與設(shè)計(jì)阻抗的對(duì)比，如果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求則報(bào)警指示端口的電位被拉高，指示燈亮起，工作人員盡快更換新的壓電傳感器。

1.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換電路可以將電荷放大器輸出的零點(diǎn)漂移模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成STM32f103RCT6 主控芯片可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。為了兼顧轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度，本文選擇了AD574A 轉(zhuǎn)換芯片，其分辨率可以達(dá)到0.02%，轉(zhuǎn)換精度不超過0.05%，轉(zhuǎn)換時(shí)間在50 us以內(nèi)。A/D 轉(zhuǎn)換電路為雙極性電壓輸入，輸入電壓為±5 V，數(shù)字輸出量D 與模擬輸入量V 之間的關(guān)系為：

式中，V1表示滿量程電壓，為10 V。經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后，主控芯片可以得到實(shí)時(shí)數(shù)字電壓值，然后啟動(dòng)已經(jīng)寫好的補(bǔ)償程序即可實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)漂移補(bǔ)償。

1.2.4 溫度檢測(cè)模塊

環(huán)境溫度會(huì)對(duì)電荷放大器的運(yùn)行產(chǎn)生影響，如果溫度偏高或太低都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理精度下降。因此，為了進(jìn)一步提高零點(diǎn)漂移補(bǔ)償效果，本文在軟件補(bǔ)償電路中加入了溫度檢測(cè)模塊，該模塊的核心部分是DS18B20 溫度傳感器，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。溫度傳感器與主控芯片之間采用CAN 總線接口完成數(shù)據(jù)傳遞和指令接收[2]。檢測(cè)范圍-50～100 ℃，檢測(cè)精度可以達(dá)到0.1 ℃。另外，DS18B20 溫度傳感器屬于磁吸式儀器，可以利用磁力吸附在電荷放大器表面，有利于提高溫度檢測(cè)結(jié)果的精確性和實(shí)時(shí)性。

1.3 零點(diǎn)漂移補(bǔ)償電路的軟件部分

補(bǔ)償電路軟件部分的設(shè)計(jì)任務(wù)是編寫補(bǔ)償程序，本文選擇Keil Vision5 軟件作為編程開發(fā)平臺(tái)，補(bǔ)償程序?yàn)椋貉a(bǔ)償電路啟動(dòng)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)與工作端口的初始化，完成初始化后計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，為補(bǔ)償公式中的時(shí)間參數(shù)提供數(shù)字。溫度檢測(cè)模塊投入運(yùn)行，并將采集到的實(shí)時(shí)溫度值展示在數(shù)碼管上。在實(shí)時(shí)溫度處于電荷放大器工作溫度區(qū)間內(nèi)的情況下，利用A/D 轉(zhuǎn)換芯片將電荷放大器輸出端采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)行補(bǔ)償處理。完成補(bǔ)償后，結(jié)果在數(shù)碼管上顯示；同時(shí)執(zhí)行一個(gè)判斷程序“V1＞15V？”如果判斷結(jié)果為“是”，則結(jié)束程序；如果判斷結(jié)果為“否”，則開啟下一輪補(bǔ)償。重復(fù)上述過程，直到得到最終的補(bǔ)償結(jié)果[3]。軟件程序如圖4 所示。

圖4 補(bǔ)償程序流程

2 電荷放大器零點(diǎn)漂移補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

2.1 零點(diǎn)漂移補(bǔ)償采集裝置

為了驗(yàn)證上文設(shè)計(jì)的電荷放大器零點(diǎn)漂移補(bǔ)償方案，組建了零點(diǎn)漂移補(bǔ)償采集系統(tǒng)并進(jìn)行了補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置包括壓電傳感器、電荷放大器、補(bǔ)償電路板、電源箱以及連接各裝置的電線。壓電傳感器用于模擬電荷放大器輸入端接入的高輸入阻抗，電荷放大器與補(bǔ)償電路板的地線相接后再接地。零點(diǎn)漂移補(bǔ)償采集裝置的實(shí)物連接如圖5 所示。

圖5 零點(diǎn)漂移補(bǔ)償采集裝置實(shí)物連接

該裝置中，將電荷放大器與壓電傳感器的I 端口連接，電荷放大器的輸出端與補(bǔ)償電路板連接。電源箱輸出一個(gè)+15 V 和一個(gè)+5 V 的電壓，滿足補(bǔ)償電路板中各電器元件的運(yùn)行需要。為避免實(shí)驗(yàn)過程中外部電磁干擾對(duì)補(bǔ)償電路板的運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)間補(bǔ)償電路板放在一個(gè)鋁制盒中，起到屏蔽干擾的作用[4]。

2.2 零點(diǎn)漂移補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)分析

完成實(shí)物連接后，使用本套裝置進(jìn)行零點(diǎn)漂移補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比不同條件下的零點(diǎn)漂移補(bǔ)償效果。結(jié)合電荷放大器的運(yùn)行原理可知，壓電傳感器阻抗、傳感器靈敏度、加載方式等都會(huì)對(duì)電荷放大器的零點(diǎn)漂移產(chǎn)生影響。本文選取了“壓電傳感器阻抗”這一因素展開實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)比補(bǔ)償前后的零點(diǎn)漂移值驗(yàn)證該裝置的補(bǔ)償效果。

采用控制變量法，將壓電傳感器阻抗作為唯一變量，將傳感器靈敏度參數(shù)設(shè)定為1.25pC/unit，輸出靈敏度設(shè)定為1mV/unit, 選擇壓電傳感器的I 通道連入電荷放大器的輸入端[5]。完成上述準(zhǔn)備工作后，閉合開關(guān)使電荷放大器運(yùn)行，并采集數(shù)據(jù)。設(shè)定數(shù)據(jù)采集間隔為50 s，分別在0 s、50 s、100 s……600 s、650 s獲取補(bǔ)償前后的零點(diǎn)漂移值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 接入壓電傳感器I 通道時(shí)零點(diǎn)漂移補(bǔ)償前后數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1 數(shù)據(jù)可知，在補(bǔ)償電路板接入前，電荷放大器的零點(diǎn)漂移值隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)，啟動(dòng)時(shí)（0 s）為0.0033 mV，在啟動(dòng)650 s 后上升至11.9964 mV；在補(bǔ)償電路板接入后，電荷放大器的零點(diǎn)漂移值雖然總體上也呈現(xiàn)出了上升趨勢(shì)，但是上升速度明顯變慢，并且在650 s 時(shí)零點(diǎn)漂移值僅為3.0000 mV，約為補(bǔ)償前的1/4，這一數(shù)據(jù)表明本文設(shè)計(jì)的補(bǔ)償方案能夠取得很好的補(bǔ)償效果。

結(jié)束語

本文提出了一種基于軟件補(bǔ)償?shù)碾姾煞糯笃髁泓c(diǎn)漂移補(bǔ)償方案，其核心裝置是一塊由主控芯片控制的補(bǔ)償電路板，可以將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)并利用零點(diǎn)漂移補(bǔ)償程序進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)表明，使用該方案進(jìn)行補(bǔ)償后，電荷放大器的零點(diǎn)漂移值相比于未補(bǔ)償時(shí)降低了約1/4，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。