电荷放大器零点漂移补偿技术及实验分析

张 浩

（中国船舶集团第七一五研究所（CSSC），浙江 杭州）

零点漂移现象会对电荷放大器的数据处理精度产生不良影响，要想提升电荷放大器的性能必须采取零点漂移补偿技术。目前常用的补偿方案有两种类型，一种是基于硬件的补偿方案，主要针对电荷放大器的电荷转换电路、归一化电路采取补偿措施，例如增加多个运算放大器构成减法电路，补偿零点漂移信号；另一种是基于软件的补偿方案，实现方法是在主控芯片中写入零点漂移补偿程序，达到补偿效果。对比来看，软件补偿方案的成本更低，实现方便，补偿效果稳定，因此本文主要对电荷放大器零点漂移的软件补偿技术展开分析。

1 电荷放大器零点漂移补偿技术

1.1 软件补偿方案

本文设计的软件补偿方案如下：在电荷放大器的输出端安装一块补偿电路板，可以实时收集电荷放大器的输出信号。然后利用A/D 转换芯片将模拟信号转换为数字信号。在主控芯片中写入零点漂移补偿程序，使用该程序处理转换后的数字信号，实现零点漂移补偿。补偿后的结果通过数码管进行显示，整个补偿过程如图1 所示。

图1 零点漂移的软件补偿方案

与硬件补偿相比，本文设计的软件补偿具有以下优势：其一是所用元器件较少，降低了补偿成本。如图1 所示，该补偿方案中只需要在电荷放大器的输出端加装一块补偿电路板（A/D 转换芯片可以嵌入到电路板中），即可达到零点漂移补偿效果。同时，补偿电路板的尺寸能够灵活调整，确保可以放置在电荷放大器内，不需要增加电荷放大器的体积。其二是补偿效果更好，如果采取硬件补偿，无法避免循环电路带来的死区时间影响，补偿效果也会大打折扣。而软件补偿则避免了此类问题，因此补偿效果更加理想。

1.2 零点漂移补偿电路结构组成

软件补偿电路由A/D 转换、温度检测、数据显示等多个电路组成，如图2 所示。其中，单片机主控电路会根据前端参数找出合适的零点漂移补偿程序，并在数码管上显示补偿结果；报警电路在传感器输入阻抗达不到要求的情况下进行报警，提醒工作人员及时更换传感器；另外，考虑到温度对零点漂移的影响显著，还设计了温度检测电路，根据检测结果改变室温，提供符合电荷放大器正常运行的温度。

图2 零点漂移补偿硬件电路结构

1.2.1 电源模块

软件补偿电路运行需要4 种电压，分别是+15 V、+5 V、+3 V 和-15 V。可以选择常规的3 通道（±15 V、+5 V）电源，再连接低压降稳压电路将+5 V 电压降低成+3.3 V 电压，以满足补偿电路板的运行需要。电源模块的电路结构如图3 所示。

图3 电源模块电路

图3 中，左侧的1、2、3 接口与电源箱连接，可以得到+15 V、-15 V 和+5 V 三种电压；利用2 个电容C1和C2构成低压降稳压电路，稳定输出+3.3 V 电压。该电源模块的输出电流最高可以达到1.2 A，电压稳定度在0.2%以内，负载稳定度在0.5%以内，可以满足零点漂移补偿电路的运行需要。D1和D2是2 个LED 灯，如果灯亮则表明电压成功引入和成功转换。

1.2.2 主控电路模块

本文设计的零点漂移补偿电路，主控芯片选择了STM32f103RCT6，该芯片有56KB 的RAM 和512KB的FLASH，内置20 个通用I/O 口、1 个USB 口、1 个CAN 口，以及6 个定时器，能够满足补偿电路板引脚资源与内部处理器资源的处理需求。主控电路由外部晶振电路、复位电路组成，晶振电路可以根据芯片运行需要产生相应的时钟频率；复位电路则是在完成主控程序后使主控电路恢复为初始状态[1]。两条电路利用通用I/O 口与其他芯片（如A/D 转换芯片）连接，完成数据通信。报警电路中的信息验证功能也通过主控芯片来实现，该芯片每隔一段时间（默认为10 ms）进行一次压电传感器实际阻抗与设计阻抗的对比，如果达不到设计要求则报警指示端口的电位被拉高，指示灯亮起，工作人员尽快更换新的压电传感器。

1.2.3 模数转换模块

数模（A/D）转换电路可以将电荷放大器输出的零点漂移模拟电压信号转换成STM32f103RCT6 主控芯片可识别的数字信号。为了兼顾转换效率和转换精度，本文选择了AD574A 转换芯片，其分辨率可以达到0.02%，转换精度不超过0.05%，转换时间在50 us以内。A/D 转换电路为双极性电压输入，输入电压为±5 V，数字输出量D 与模拟输入量V 之间的关系为：

式中，V1表示满量程电压，为10 V。经过A/D 转换后，主控芯片可以得到实时数字电压值，然后启动已经写好的补偿程序即可实现零点漂移补偿。

1.2.4 温度检测模块

环境温度会对电荷放大器的运行产生影响，如果温度偏高或太低都会导致数据处理精度下降。因此，为了进一步提高零点漂移补偿效果，本文在软件补偿电路中加入了温度检测模块，该模块的核心部分是DS18B20 温度传感器，具有体积小、抗干扰能力强等特点。温度传感器与主控芯片之间采用CAN 总线接口完成数据传递和指令接收[2]。检测范围-50～100 ℃，检测精度可以达到0.1 ℃。另外，DS18B20 温度传感器属于磁吸式仪器，可以利用磁力吸附在电荷放大器表面，有利于提高温度检测结果的精确性和实时性。

1.3 零点漂移补偿电路的软件部分

补偿电路软件部分的设计任务是编写补偿程序，本文选择Keil Vision5 软件作为编程开发平台，补偿程序为：补偿电路启动后，首先进行系统与工作端口的初始化，完成初始化后计时器开始计时，为补偿公式中的时间参数提供数字。温度检测模块投入运行，并将采集到的实时温度值展示在数码管上。在实时温度处于电荷放大器工作温度区间内的情况下，利用A/D 转换芯片将电荷放大器输出端采集到的模拟信号转化成数字信号，然后进行补偿处理。完成补偿后，结果在数码管上显示；同时执行一个判断程序“V1＞15V？”如果判断结果为“是”，则结束程序；如果判断结果为“否”，则开启下一轮补偿。重复上述过程，直到得到最终的补偿结果[3]。软件程序如图4 所示。

图4 补偿程序流程

2 电荷放大器零点漂移补偿实验

2.1 零点漂移补偿采集装置

为了验证上文设计的电荷放大器零点漂移补偿方案，组建了零点漂移补偿采集系统并进行了补偿实验。实验装置包括压电传感器、电荷放大器、补偿电路板、电源箱以及连接各装置的电线。压电传感器用于模拟电荷放大器输入端接入的高输入阻抗，电荷放大器与补偿电路板的地线相接后再接地。零点漂移补偿采集装置的实物连接如图5 所示。

图5 零点漂移补偿采集装置实物连接

该装置中，将电荷放大器与压电传感器的I 端口连接，电荷放大器的输出端与补偿电路板连接。电源箱输出一个+15 V 和一个+5 V 的电压，满足补偿电路板中各电器元件的运行需要。为避免实验过程中外部电磁干扰对补偿电路板的运行产生不良影响，在设计实验装置时间补偿电路板放在一个铝制盒中，起到屏蔽干扰的作用[4]。

2.2 零点漂移补偿实验分析

完成实物连接后，使用本套装置进行零点漂移补偿实验，并对比不同条件下的零点漂移补偿效果。结合电荷放大器的运行原理可知，压电传感器阻抗、传感器灵敏度、加载方式等都会对电荷放大器的零点漂移产生影响。本文选取了“压电传感器阻抗”这一因素展开实验分析，对比补偿前后的零点漂移值验证该装置的补偿效果。

采用控制变量法，将压电传感器阻抗作为唯一变量，将传感器灵敏度参数设定为1.25pC/unit，输出灵敏度设定为1mV/unit, 选择压电传感器的I 通道连入电荷放大器的输入端[5]。完成上述准备工作后，闭合开关使电荷放大器运行，并采集数据。设定数据采集间隔为50 s，分别在0 s、50 s、100 s……600 s、650 s获取补偿前后的零点漂移值，统计结果见表1。

表1 接入压电传感器I 通道时零点漂移补偿前后数据对比

由表1 数据可知，在补偿电路板接入前，电荷放大器的零点漂移值随着时间的推移呈现出递增趋势，启动时（0 s）为0.0033 mV，在启动650 s 后上升至11.9964 mV；在补偿电路板接入后，电荷放大器的零点漂移值虽然总体上也呈现出了上升趋势，但是上升速度明显变慢，并且在650 s 时零点漂移值仅为3.0000 mV，约为补偿前的1/4，这一数据表明本文设计的补偿方案能够取得很好的补偿效果。

结束语

本文提出了一种基于软件补偿的电荷放大器零点漂移补偿方案，其核心装置是一块由主控芯片控制的补偿电路板，可以将采集到的模拟信号转化成数字信号并利用零点漂移补偿程序进行处理。实验表明，使用该方案进行补偿后，电荷放大器的零点漂移值相比于未补偿时降低了约1/4，达到了设计预期。