积分电路设计

RC电路有多种用途，视RC值和 信号特性而定：
RC耦合电路
RC滤波电路 RC微积分电路
ei
RC分压电路
eo
RC
dei dt
CI
R eo
RC微分电路的频率特性
四、RC积分电路
RC积分电路的频率特性
积分电路的对数曲线
典型的积分曲线
速度积分曲线1 速度积分曲线2
积分器的阶跃、方波响应
积分器的正弦波响应
Hale Waihona Puke Baidu
(1) 通过一次积分电路输出位移； (2) 通过二次积分电路输出速度。 如果是测量振动位移，则速度和加速度分别通过 一次和二次微分电路来实现。 如如果是测量振动速度，则一次微分为加速度， 一次积分为位移。
横向振动加速度积分得速度
二次积分得位移
三、RC微分电路
输出电压与输入电压的微分成 比例，要求：RC<<T
位移 速度
加速度 若令 则有
x(t) Asin( t) Asin( 2πft)
v(t) Acos(t) Asin t π
2
a(t) 2 Asin( t) 2 Acos(t π) V A, a0 2 A a0 V 2 A
振动时域参数的相位关系
振动时域参数间的幅 度关系：
在实际应用中，一个传感器只能测量一种参数； 在某些情况下，振动的某个参数可能不容易测量，
或无法测量； 在振动信号分析处理时，常需要研究振动的三种
参数； 需要利用三个参数间的微积分关系，通过微积分
网络，实现三个参数的转换，以满足分析需要。
加速度、速度和位移的转换
加速度传感器只能测量振动加速度； 速度和位移通过积分电路实现：
五、基本反相积分电路
差动输入反相积分电路
有源积分电路特点
特点：频率范围宽，误差小 电容上的初始电压
输出
Uo
1 RC
Uidt UC0
截止频率
0
1 K 0 RC
误差 r 1
2 K 0 RC
有源反相积分电路设计
为限制电路的低频增益，减少失调电压的影响， 一般在反馈电容上并一个电阻。
列车车体的最低振动频率一般不低于0.5Hz， 考虑到这一情况，可将积分器的低端频率取为 0.1Hz。
设计要求
积分器低端截止频率 0.01Hz，衰减为-3dB； 高端频率为学号最末三位数，衰减取-25dB；
学号最末三位数
积分网络数目确定
一般要设计多条积分曲线； 第二条积分曲线的截止频率应该为第一条积分曲
线衰减-25dB处的频率，即第二条积分曲线在此 处衰减-3dB； 第三条曲线参照上述处理。
积分电路仿真实例
积分电路截止点的仿真结果
加速度
速度 相位相差 π/2
六、二次积分电路设计
二次有源反相积分电路
二次有源反相积分电路：
二次积分电路仿真实例
二次积分电路截止点仿真结果
加速度 位移 相位相差π
频率对幅度的影响-诺莫图
位
加
移
速
度
交越频率
振动测量参数的选取
从反映频率与位称、速度和加速度关系的诺莫图 可知： (1)低频时，测量位移可提高测量精度； (2)中频时，测量速度可提高测量精度； (3)高频时，测量加速度可提高测量精度。
对位移和加速度测量都能达到最大值的频率点称
为交越频率。
一个传感器只能测量一种参数
f0
1 2πR f
C
积 分 器 下 限 频 率 ，低 于 此 点 不 再 是 积 分 器
Rf R1 (一般取20倍左右)
R2 R1 // Rf
输入信号频率大于f0时为积分器。
传感器的工作频率范围
应变式传感器频率工作范围
低端0.01Hz
积分器低端截止频率的确定
由于传感器输出的最低信号频率为0.01Hz，给 积分器设计带来了困难；
相位a、v、x依次超 前π/2。
v
x
a ω
x、v、a三者的相位关系
二、传感器的动态特性
传感器的动态特性参数比较多，反映能测量参数 的频率线性范围。 (1)频率线性范围： 频率响应曲线，频率对灵敏度的影响； (2)幅度线性范围： 频率对测量幅度的影响(诺莫图)； (3)相位线性范围：频率对相位的影响。
积分电路设计
积分电路是信号调理器实现加速 度信号转换为速度和位移的变换 电路。
一、基本概念
最简单的振动是简谐振动 特点： (1) 参量是时间的谐和函数； (2) 在时域为一正弦波； (3) 在频域为一直线谱(信号的傅立叶变换)。
X(ω) x(t)
0
t
0 ω0
ω
简谐振动的时域参数
振动时域参数间的幅度关系：微积分关系
当积分器的输为正 弦波时，
输出为余弦波，相 差为90度，幅度增 大ω倍。
a V=ωa
相位差为90度
微积分电路的实现
两种微积分电路： (1)无源RC微积电路 无源RC微积分电路衰减大，频率范围较窄，积分 误差大。 一般采用运算放大器先将信号放大，再 通过无源微积分电路； (2)有源微积分电路 电路衰减小，频率范围较宽，积分误差小。