探测电路的设计优化技巧

根据静电探测原理和空中目标电荷特性，进行静电引信探测器总体设计。静电引信探测器分为探测电极、微弱电流检测电路、低通滤波电路和信号处理电路4个主要部分，其总体结构如图9-6所示。探测电极感应目标电场变化，产生感应电荷，形成感应电流。微弱电流检测电路是整个系统的核心，是决定探测系统探测性能高低的重要因素。低通滤波器滤除系统和环境中的各种高频干扰，提高系统信噪比。信号处理电路进行目标识别和起爆控制。

图9-6　静电引信探测电路系统框图

一、微弱电流检测电路

在静电引信使用中，探测电极面积不可能做得很大，弹目间的距离可能较远，因此需要检测电路具有较高的探测灵敏度。这就对电路的微弱电流检测性能提出了较高要求。虚地单运放电路是弱电流检测中最合适的电路之一，可以检测到微安甚至若干皮安（picoamp）级的电流，该电路的等效电路模型如图9-7所示。

图9-7　微弱电流检测电路原理图

图中，RS是运放输入端与地间总的有效电阻，包括信号源电阻和运放差分输入电阻；CS为运放输入端对地的总寄生电容。CS包括电极到电路的输入引线间电容，电路板走线间电容和器件管脚间电容。并联在反馈电阻Rf两端为一小电容C，其作用是防止电路自激振荡。对应图9-3，在图9-7中电流检测电路接在探测电极D和弹体B上，以电流源和电容C2的模型代表探测电极和弹体间电容的等效作用，其中C2接地一端表示弹体，另一端表示探测电极。对图9-4中的总电阻R为连接在弹体两电极间，即电容C2两端的电阻总和，包括电阻RS、Rf和运算放大器输出端到地的电阻。由于RS远大于Rf，而运放输出端到地的电阻又远小于Rf，所以总电阻R主要由反馈电阻Rf决定。

从图9-7可得到电流检测电路的输出为：

其中，。将它们代入式（9-26）中，有电流检测电路的传递函数HI（jω）：

其中，AVOL为运算放大器的开环增益。这就是检测电路的输入输出关系，可以看到检测电压的大小和反馈电阻Rf的大小成正相关系，增大Rf的阻值可以增大电路对微弱电流检测的能力。但是，Rf的增大也同时增大了噪声、偏置电压和漂移，因此Rf的选择应折中考虑。同时从式（9-27）可以看到，增大运算放大器的开环增益、增大运算放大器输入端与地间总的有效电阻RS，电流检测电路传递函数增益增加。

输出偏置电压为：

式中，UIO为运放输入偏置电压，IB为运放输入失调电流。可见，反馈电阻R增大偏置电压随同增大。

检测电路可检测的最小电流由输入偏置电流、偏置电压和漂移共同决定。为了增强探测性能，减小上述不利因素的影响，工程实践中遵循如下设计准则可有效地提高检测电路的性能：

（1）减小电路零点漂移的设计方法。

采用FET结型场效应运算放大器，这种运算放大器具有较小的输入失调电流，一般为若干皮安；(www.xing528.com)

尽量使RS≫R，否则输入偏置电压将会被放大；

为进一步减小输入失调电流的影响，可在运算放大器反向输入端和地间接一与R等大小的电阻，同时并接一去耦电容在这一电阻上，以减小该电阻所引入的噪声及阻止电路可能产生的振荡；

为减小温度变化所引起的失调电流漂移，应尽量采用低电压芯片和运放输出负载驱动不要太大（输出负载电阻≥10kΩ）。

（2）减小增益误差的设计准则。

增益的大小是由反馈电阻R决定的，通常R都设计得较高。高阻值的电阻易受温度和湿度的影响而变化，导致增益的不稳定性。因此应选择金属膜电阻等受外界环境较小的电阻作为反馈电阻。

应保证AVRS≫R，否则检测电路的精度和线性度较难保证。

（3）减小频响误差的设计准则。

寄生电容CS的不确定性，导致信号不同频率分量时滞的不一致性。为避免这个问题，可在反馈电阻R上并联一小电容。

（4）减小噪声的设计准则。

电路噪声主要来源于三个噪声源：反馈电阻R、运放输入电压噪声和运放输入电流噪声。后两者噪声通过运放的反馈电阻而放大，电路增益增大的同时噪声也同时增大，这也是反馈电阻不能设置得任意大的原因。对弱电流放大器这样的高增益放大器，当反馈电阻R＞1MΩ时，反馈电阻的噪声是主要的噪声源，为此这同样提出了对温度稳定性电阻的要求。

（5）减小干扰的设计准则。

高增益的弱电流放大器属于高灵敏、高阻抗的电路，极易受到外界自然干扰信号的影响，为此应使用金属壳将电路封装。此外，机械震动也可能给电路带来干扰。

二、滤波器设计

由于微弱电流检测电路增益设置较高，电路中的噪声随之放大，尤其是实验室环境中50Hz的交流噪声严重地影响着电路的正常工作，在静电引信实际工作中，目标特性频率也在几十kHz以下，因此需要在静电引信探测电路中加入低通滤波器，以滤除不必要的高频噪声和干扰信号。

根据静电引信目标特性的研究，检测信号的波形特征在信号识别中起着很大的作用，低通滤波器的引入不能引起原信号波形的畸变。为此，应选择通带内具有较好幅频响应平坦性和相频响应具有常量组延迟的低通滤波器。在几种模拟滤波器结构中，bessel低通滤波器正是符合这些条件的滤波器。但是，bessel低通滤波器的过渡带衰减较慢，同样的滤波器阻带波动下需要更多的阶数。在设计中，采用了四阶bessel低通滤波器，该滤波器对50Hz信号衰减为-38dB。该滤波器的电路原理图如图9-8所示。

图9-8　bessel低通滤波器电路原理图

可得出该低通滤波器的传递函数为：