油氣井出砂信號預處理電路的設計

表1運放參數列表

反饋電容Cf的選取

電荷放大器輸出靈敏度的調節通常通過改變電荷轉換電路的反饋電容Cf實現，反饋電容的值不能選得太小，否則測試系統中使用的低噪聲同軸電纜的寄生電容將影響輸出靈敏度，且有積分漂移和泄露現象；反饋電容的值也不能選的太大，否則容易引起自激現象。而且Cf的精度直接影響測量的精度，所以反饋電容精度要高。一般要求精度在0.5% ~1% ,我們選擇的是聚苯乙烯電容。為了保證一定的增益，Cf 一般取100pF-10000pF。考慮以上因素及實際情況選取Cf為100PF。

電阻R1與R2的選擇

由于電荷放大器的頻率上限主要決定于運算放大器頻響和和輸入電纜的影響，若電纜太長，雜散電容增加，同時導線的自身電阻也會增加，這些參數都影響放大器的高頻特性。本項目中選用的傳感器本身的等效電容為10PF,振動頻率為100kHz-1MHz,可計算出R1約為16KΩ。

電荷放大器的頻率下限由反饋電容Cf和Rf反饋電阻決定。由于在電荷放大器中采用電容負反饋，對直流工作點相當于開路，對電纜噪聲比較敏感,故放大器零漂較大而產生誤差，為減小零漂，使放大器工作穩定， 選阻值非常高的電阻，以提供直流反饋。如果要制作頻帶響應非常好的電荷放大器，則反饋電阻必須在1GΩ以上。考慮到以上因素及實際情況選取R2為1GΩ。

濾波電路的設計

圖3 帶通濾波電路

帶通濾波器如圖3所示，它由二階低通濾波電路和二階高通濾波電路組成，其頻帶范圍為100kHz-1MHz。根據有源濾波電路的快速設計理論，很容易得到高低通濾波器的各個參數。

低通濾波器的帶內增益為1，截止頻率為1MHz，低通濾波器的各個參數為：

C10=10pF，R8=14.5K ，R9=50K ，C11=3.3PF

高通濾波器的帶內增益為1，截止頻率為100kHz，高通濾波器的各個參數為：

C13=100PF，C14=100PF，R10=11.3K ，R11=22.5K

該電路中的C4、C5、C12、C15、C20、C21、C23、C24是為減小正負電源對運放的影響，減小引入運放的高、低頻干擾。

測試仿真

電荷放大器的仿真測試

采用Mutilsim10電子電路仿真軟件對電荷放大器電路進行仿真測試。而在Multisim10仿真軟件中，沒有直接的電荷源信號，而考慮到壓電傳感器輸出的電荷信號，在形式上是以電流的形式輸出的。在電路分析時可以把傳感器看作一個電流源，其輸出電流在其電荷收集時間較短時可以看做是一種持續時間極短的電流沖擊脈沖。所以在仿真中使用脈沖電流源來近似代替電荷源信號。電荷放大器仿真電路如圖4所示。

圖4 電荷放大器的仿真測試圖

為了驗證運放的參數、反饋電阻、反饋電容對電荷放大器輸出的影響，分別做了電路仿真測試試驗。

在電路其它測試參數不變的條件下，對 進行參數掃描，讓 從100pF到1000pF以步長100pF進行參數，從圖5掃描的結果可以看出，反饋電容越小，其輸出電壓越大。與理論分析一致。

圖5 反饋電容的掃描波形

圖6 反饋電阻的掃描波形

同理讓Rf從1G到10G以步長1G進行參數掃描，從圖6掃描結果可以看出反饋電阻越大，其輸出電壓越大，與理論分析反饋電阻越大，反饋電容放電越慢，輸出電壓越大相一致。

為了驗證所選集成運放參數對電荷放大器測量結果的影響，分別對由集成運放AD823和CA3140組成的電荷放大器在輸入電荷變換的情況下進行了測試。其測試結果如表2、3所示。