基于电容式噪声传感器的信号调理电路设计

焦新泉，李功，侯卓，储成群

（1.中北大学电子技术国家重点实验室，太原030051；

2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

基于电容式噪声传感器的信号调理电路设计

焦新泉1，2，李功1，2，侯卓1，2，储成群1，2

（1.中北大学电子技术国家重点实验室，太原030051；

2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

在航空航天的飞行器遥测试验中，大推力火箭和导弹飞行时，由燃气射流引起的噪声会对飞行器的结构以及载荷造成巨大的危害。电容式噪声传感器由于其频率响应范围宽，被广泛应用于飞行试验中。电容式传感器工作时需要用恒压源供电，且其采集的信号受到外界干扰较大，输出电压值不满足大多数模数芯片转换要求。针对以上问题，设计了恒压源供电模块和隔直分压电路、低通滤波电路等调理模块，使其最终输出电压范围在0～2.5 V，满足模数转换芯片的要求。该噪声传感器的信号调理电路可靠性高，已经成功应用于飞行器发射试验中。

噪声，恒压源，低通滤波电路，声压

0　引言

飞行器在飞行过程中由于结构的气动过程以及发动机、伺服系统的工作，必然产生复杂的噪声环境，对飞行器的结构及内部的电子仪器产生不利影响。因此，飞行中飞行器产生噪声的准确测量对评价飞行器总体方案、分析飞行情况具有重要意义。在航空航天飞行器的遥测试验中，飞行器产生的噪声可能达到170dB，压电式传声器由于其量程小以及不能适用于高温环境的缺陷不适用于该类试验中。电容式传声器的可用频率范围为3Hz～50kHz，其主要特点是结构简单、灵敏度高、失真小、噪声低、抗振能力强。在航空航天领域中，电容式传声器主要用于对飞行物腔体内部噪声的测量。

根据国内某厂家生产的电容式噪声传感器的工作特性，本文从电源模块和传感器输出信号调理电路两大部分进行了详细的介绍，对所设计的电路不仅采用了Multisim软件进行了仿真，而且还使用了信号源与示波器对实际电路进行了实际测试，通过仿真数据与实测数据的分析，验证了本调理电路的准确性与可靠性。

1　总体方案设计

基于电容式噪声传感器的调理电路本文从两大部分进行设计，电源模块提供28V电压给传感器供电，输出信号的调理部分包括隔直分压电路、低通滤波电路、50 Hz带阻滤波电路、光电隔离电路。硬件总体示意图如图1所示。噪声传感器输出信号的电压范围为-10 V～10 V，隔直放大电路隔掉了噪声传感器输出信号中的直流电压量，并将信号的输出范围调理到0 V～2.5 V，使之符合模数转换芯片AD7667的输入电压转换范围要求，并且采用了低通滤波电路、50Hz带阻滤波电路滤除了高频率的噪声和50Hz工频干扰，保证了噪声信号的采集精度。

图1　总体方案框图

2　硬件电路设计

2.1电源模块设计

在本文设计的硬件电路系统中，整体采用5 V供电。为满足电容式噪声传感器28V供电要求，选用MAX629ESA逆变升压芯片实现电压转换进行了5V转28V电源模块设计。该芯片电压转换准确度高、瞬态响应快、工作温度范围宽为-40℃～+85℃等优点［2］，适用于航空航天的试验要求。该芯片的工作电压为2.7 V～5.5 V，由于系统采用5 V供电，所以5 V电压作为芯片的工作电压和转换28 V电压工作，5V转28V原理图如图2所示。

图2　5V转28V逆变升压电路

通过查阅MAX629SEA的芯片资料得出输出电压Vout由式（1）得出：

其中Vret=1.25V

由式（1）可以看出，该电路转换输出电压由电阻R1和电阻R2决定，其中R1的值为390 K，R2的值为18.2K。为保证转换电压28 V的输出精度，电阻R1和电阻R2均选用高精度电阻。

2.2隔直分压电路设计

由于噪声传感器采集到的信号是直流量与交流量的混合信号，根据本文设计要求滤除4 Hz以下的直流信号。如图3所示，噪声信号在进入分压电路之前首先通过一个10 uF的极性钽电容。极性钽电容具有储藏电量、进行充放电等性能，主要应用于滤波、能量贮存与转换。通过Multisim软件仿真该隔直分压电路，信号衰减到-3dB时该电路的截止频率为3.957Hz符合设计要求。

图3　隔直分压电路

噪声信号的输入电压为-10 V～+10 V，为满足AD7667输入电压0 V～2.5 V模数转换范围，需要调理运放的输出信号。根据运放的“虚短”和“虚断”原则［1］，输出电压由式（2）计算得出。

本文设计中电阻R4选用4 K，电阻R5选用390 Ω。因此，由式（2）算出分压电路的输出信号电压范围为0.273V～2.223V，满足AD7667工作时的输入范围。在此隔直分压电路中，可以适当调节R5/R4的比值，满足不同模数转化芯片输入电压信号要求。

2.3低通滤波电路设计

在本文设计中，要求噪声信号的带通频率范围为4 Hz～10 kHz，选用的低通滤波芯片为MAX296，MAX296属于贝塞尔型8阶低通开关电容滤波器。贝塞尔式滤波器具有精度高、温度稳定性好等优势［3］，而且设计电路中使用的MAX296芯片体积小，便于集成，外围电路简单，滤波效果好。该滤波器通带边界下降缓慢，但其相频特性接近于线性，而且具有最佳的相位特性，适合用于要求输出信号相位线性的场合。滤波器MAX29截止频率范围可在0.1 Hz～50 kHz之内通过外围电路调节，其截止频率由芯片的时钟频率决定，截止频率与时钟频率之比为1∶50，即fclk=50fo，fo≤50 kHz。fo为滤波器设定的截止频率，fclk为滤波器的时钟信号频率［4］。因此，可以通过选择决定截止频率的时钟频率就可以完成滤波电路的设计。在MAX296芯片中，CLK引脚可以由外部时钟或者通过内部振荡器来设置，内部振荡器的频率由外接电容来决定。外接时钟会增加电路的复杂性。因此，本文设计采用在CLK引脚上外接电容COSC的方式来产生时钟频率。该滤波电路在信号衰减至-3dB时的截止频率fo与电容COSC的关系满足式（3）：

根据设计要求fo=10 kHz，则fclk=500 kHz，由式（3）得出COSC=66 pF，查阅常用电容容值表，其中没有66 pF电容，选择68 pF电容，计算得出截止频率fo为9.8kHz。

图4　贝塞尔型8阶低通滤波电路

该低通滤波电路原理图如图4所示，电路采用单电源供电模式，因此V+引脚接+5 V电源，C7为电源滤波电容，以确保输入电压的质量。由于R6与R7为等值电阻，通过分压到GND引脚的参考电压为Vcc的一半。OPI、OPO引脚为芯片内部独立运放的同相输入端与输出端，在应用中将其连接在一起。CLK引脚为时钟输入引脚，通过上述计算C7为68pF，实验中测量得到CLK引脚的频率为490kHz，保证其截止频率为9.8kHz符合设计要求。IN引脚为信号输入引脚，采集的信号中由于混合有直流量信号，通过隔直电容C8可以滤除信号中的直流量信号，提高电路的可靠性。OUT引脚为滤波电路的输出引脚，通过该滤波电路可以输出性能良好的波形。

2.4滤除50 Hz工频干扰带阻滤波电路设计

在进行噪声信号的采集和分析时，周围环境的电气环境比较复杂容易影响信号的采集精度。当整个硬件电路工作时，频率为50 Hz的系统用电会伴随噪声信号被采集处理和分析，干扰正常的噪声信号［6］。

本文设计的滤除50 Hz工频干扰带阻滤波电路采用具有放大、滤波、调节、反馈功能的可调Q值双T有源带阻滤波电路。在有源带阻滤波电路的基础上，又增加了具有反馈功能的运算放大器和具有调节功能的电位器Rx。其中，电位器Rx具有调节电路的品质因数Q的作用，Q值越大，阻带宽度越窄，选频特性越好。本文设计的50 Hz独立可调Q值双T有源带阻滤波电路如图5。

图5　滤除50Hz工频带阻滤波电路

其中，C10=C12=0.01 uF，C11=0.02 uF，R8=R9= 318.4kΩ，R10=159.2kΩ。调整电位器Rx使阻带中心频率在50 Hz处，并使阻带带宽在2 Hz以内，以达到该滤波电路完全滤除50 Hz的工频信号，又尽量保存其他频率的有用信号。利用Multisim软件对该电路进行的仿真结果如图6所示。在输入信号的频率为49.689 Hz时，输出信号衰减至-50.64 dB，在该频率处出现带阻滤波现象，其他频段幅频特性曲线平稳，并且阻带带宽非常窄，接近1 Hz，符合电路设计要求。

图6　工频带阻滤波电路仿真图

2.5电压跟随电路的设计

基于前级50Hz工频干扰带阻滤波电路的输出阻抗较高，本文选用OPA4340UA作为电压跟随器，设计电压跟随电路。由于该部分电路输出电压近似输入电压，并对前级滤波电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，提高了整个电路的负载能力［5］。

3　实验测试结果与分析

将本文设计的硬件电路与某地面采集系统连接，采用型号为Sound Calibrator Type4231的噪声发生源给噪声传感器提供声音信号，信号的强度为114dB，频率为1000Hz。根据声压级定义公式［7］：

其中Peo为参考声压，其值为20×10-5Pa。根据采用噪声源输出信号的特征得出LP=114dB。故由式（4）可以得出Pe=10.024 Pa。实验中采用的电容式噪声传感器的灵敏度为3.15 mV/Pa，得出测得的电压值应为31.577 mV。利用地面采集系统采集该声音信号，并将采集数据用origin软件处理得到图7。

图7　噪声信号分析图

从图7绘制的波形中可以看出，采集回波形类似于正弦波且波形峰值的最大值接近于32 mV，与理论计算值的误差为1.33%。

4　结论

针对飞行器地面试验过程中，发动机点火产生的噪声对飞行器内部器件的影响，本文设计了一种基于电容式噪声传感器测量噪声信号的电路，用于测量飞行器腔体内的噪声量。经实验表明该电路能够准确、有效地滤除被测噪声信号中的高频信号以及50Hz工频信号，采集有用噪声信号。该调理电路已经应用在飞行器地面发射实验中，验证了电路的可行性。

［1］韩焱.模拟电子技术基础［M］.北京：电子工业出版社，2010：158-160.

［2］尉广军，王竹林.MAX629在DC-DC转换电路中的应用［J］.仪器仪表学报，2002，32（2）：23-24.

［3］陶照园.开关电容滤波器的特点与应用［J］.矿业研究与开发，1997，17（4）：45-47.

［4］李达义，陈乔夫，贾正春，等.一种基于开关电容滤波器的快速基波检测方法［J］.电力自动化，2005，29（10）：38-39.

［5］王敏，侯卓，李勋.基于新型ICP脉动压力传感器的信号调理电路设计与实现［J］.计算机测量与控制，2014，22（10）：54-55.

［6］应志军.新型交叉指型低频宽阻带超导滤波器研究［J］.低温物理学报，2010，32（6）：32-34.

［7］杜功焕.声学基础［M］.南京：南京大学出版社，2006：78-86.

Design of Signal Adjustment Circuit Based on Capacitive Noise Sensor

JIAOXin-quan1，2，LI Gong1，2，HOU Zhuo1，2，CHU Cheng-qun1，2
（1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

In the telemetry test of aerospace aircraft，the noise will cause great harm to the structure and load of the aircraft，which created by gas jet flow，when rockets and missiles high thrust are flying.Because of the wide range of frequency response，capacitive noise sensors are applied in the flight test widely.In view of the problems that constant-voltage supply should be in accordance with the need of the sensor during working，the signal it collects is affected by external environment and the output voltage do not meet the requirements of most analog-digital conversion chips，design a module of constant-voltage supply and conditioning modules，such as DC-blocking voltage divider circuit，low-pass filter circuit and so on，so that the final output voltage ranging of 0～2.5V meets the requirements of analog-digital conversion chip.This signal adjustment circuit based on noise sensor is highly reliable and has been successfully applied to aircraft emission test.

noise，constant-voltagesupply，low-passfiltercircuit，acoustic pressure

TP353

A

1002-0640（2016）10-0159-04

2015-08-07

2015-09-16

焦新泉（1978-），男，江苏泰兴人，副教授，硕士生导师。研究方向：电路与系统测试。