一种用于位置敏感探测器的高频信号处理电路及方法

1.本发明属于微弱信号转换和检测技术领域，尤其涉及一种用于位置敏感探测器的高频信号处理电路及方法。


背景技术：

2.mems(微机电系统)技术是继微电子之后又一个对科技和社会发展有重大影响的技术领域，具有智能化、微型化、集成化、成本低、效能高等优点，mems传感器和执行器在生物医学、环境、工业、化学等领域具有重要的应用价值，mems微加工技术将传统机械传感器的尺寸缩小到微米甚至亚微米范围。各种微结构传感器中尤其以微悬臂梁传感器使用最为广泛，同传统的传感器相比，微悬臂梁体积更小，灵敏度和效率更高，而且其鲁棒性强、响应快、使用方便。
3.谐振式微悬臂梁在传感领域占据了重要的地位，所以需要对微悬臂梁的振动特性进行研究，对微悬臂梁振动频率的变化量进行读出。由于微悬臂梁尺寸小、易损坏，所以传统的接触式振动测量方法无法使用，常用的一种微悬臂梁非接触式振动检测方法是光学检测方法，光学方法包括光学干涉法和光杠杆法，光杠杆法又称光束偏转法，是通过激光直接照射在微悬臂梁表面，并利用光电探测器接收微悬臂梁反射光，感知微悬臂梁振动信息。这种方法结构简单、使用方便，且分辨率与干涉法相当，自1988年由meyer提出以来已获得长足发展，被广泛应用于微悬臂梁动态或静态工作模式测量中。
4.位置敏感探测器(psd)，它是一种可以直接将作用在光敏面上的光斑位置信号转换成代表连续位置变化的电信号的光电传感器，具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快等特点。随着非接触检测技术的发展，近年来psd在自动化控制、激光定位、仪器仪表等方面的应用愈加广泛。
5.微悬臂梁式传感器的测试需要采集不同阶模态的振动信号，但目前的psd信号处理电路无法有效的检测出高频信号，且这个高频电流信号很微弱，常常会淹没在电路的噪声中。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明设计了一种用于位置敏感探测器的高频信号处理电路及方法。
7.一种用于位置敏感探测器psd的高频信号处理电路，包括：psd工作电路、跨阻放大电路、二级电压放大电路和加减法电路；所述加减法电路包括加法电路和减法电路；
8.其中，psd工作电路、跨阻放大电路、二级电压放大电路和加减法电路依次连接；
9.所述psd工作电路包括位置敏感探测器psd和5v基准电压源电路，5v基准电压源电路的功能是给位置敏感探测器提供5v的工作电源，5v基准电压源电路包括第一电容c5、第二电容c6和运算放大器u1；所述的放大器u1的输入端与电源vdd相连，第一电容c5与电源vdd和地gnd相连，第二电容c6与运算放大器u1的输出端和地gnd相连，敏感探测器psd的电
源端与与运算放大器u1的输出端相连；其中电源vdd是整个信号处理电路共用电源，地gnd也为整个信号处理电路共用的；
10.所述跨阻放大电路包括跨阻放大器u3、第一电阻rl1、第二电阻rl2、第三电阻rl3、第四电阻rl4、第三电容cl2、第四电容cl3、第五电容cl6、第六电容cl7、第七电容cl5、第八电容c3、第九电容cl9、第十电容c1；所述的跨阻放大器u3的四个反向输入端ina-、inb-、inc-、ind-分别与所述位置敏感探测器psd的电流输出端i1、i2、i3、i4连接。所述的跨阻放大器u3的反向输入端ina-通过第一电阻rl1和第三电容cl2与跨阻放大器u3的输出端outa相连，跨阻放大器u3的inb-、inc-、ind-也通过上述方法连接至跨阻放大器u3的输出端outb、outc、outd；所述第七电容cl5、第八电容c3分别与地gnd、电源vdd和跨阻放大器的电源端v+相连，所述第九电容cl9、第十电容c1分别与地gnd、电源vss和跨阻放大器的电源端v-相连；电源vss为整个电路共用；
11.所述二级电压放大电路包括电压放大器u2、第五电阻r2、第六电阻r3、第七电阻r6、第八电阻r8、第九电阻r4、第十电阻r1、第十一电阻r7、第十二电阻r5、第十一电容cl1、第十二电容cl4、第十三电容cl12、第十四电容cl13、第十五电容cl14、第十六电容cl15；所述电压放大器u2可满足同时对四路电流信号的转换与放大需求，可拆分为4个具有相同功能的放大器u2a、u2b、u2c、u2d，所述电压放大器u2a的反向输入端ina-通过第五电阻r2与跨阻放大电路中的跨阻放大器u3的输出端outa连接，u2a的反相输入端ina-与u2a的输出端outa通过第六电阻r3和第十三电容cl12相连，所述电压放大器u2a的正向输入端ina+与地gnd相连。第十一电容cl1、第十二电容cl4为电路的蓄能电容，所述电压放大器u2b的反向输入端inb-通过第七电阻r6与跨阻放大器u3的输出端outb连接，所述电压放大器u2b的反相输入端inb-与u2b的输出端outb通过第八电阻r8和第十四电容cl13相连,电压放大器u2b的正向输入端inb+与地gnd相连。所述电压放大器u2c的反向输入端inc-通过第九电阻r4与跨阻放大器u3的输出端outd连接，所述电压放大器u2c的反相输入端inc-与u2c的输出端outc通过第十电阻r1和第十五电容cl14相连,电压放大器u2c的正向输入端inc+与地gnd相连。所述电压放大器u2d的反向输入端ind-通过第十一电阻r7与跨阻放大器u3的输出端outc连接，所述电压放大器u2d的反相输入端ind-与u2d的输出端outd通过第十二电阻r5和第十六电容cl15相连,电压放大器u2d的正向输入端ind+与地gnd相连。
12.所述的减法电路是用来实现位置转换公式的(i2+i3)-(i1+i4)和(i2+i4)-(i1+i3)，包括运算放大器u4、第十三电阻r14、第十四电阻r18、第十五电阻r22、第十六电阻r27、第十七电阻r23、第十八电阻r11、第十七电容cl16、第十九电容cl10、第二十电容cl11、第十九电阻r15、第二十电阻r19、第二十一电阻r21、第二十二电阻r28、第二十三电阻r26、第二十四电阻r12、第二十一电容cl17，所述电压放大器u4为四路运算放大器,可拆分为u4a、u4b、u4c、u4d，包含四个反相输入端：ina-、inb-、inc-和ind-、四个同相输入端：ina+、inb+、inc+和ind+和四个输出端outa、outb、outc、outd。(i2+i3)-(i1+i4)的实现包括运算放大器u4a、第十三电阻r14、第十四电阻r18、第十五电阻r22、第十六电阻r27、第十七电阻r23、第十八电阻r11、第十七电容cl16、第十九电容cl10、第二十电容cl11；第十九电容cl10和第二十电容cl11为电路的蓄能电容，防止电源携带的噪声对电路构成干扰。u4a的反相输入端分别通过第十三电阻r18、第十四电阻r14与电压放大器u2的输出端outa、outc相连，u4a的同相输入端分别通过第十五电阻r22、第十六电阻r27与电压放大器u2的输出端outd、outb相连，
u4a的反相输入端通过第十八电阻r11和第十七电容cl16与输出端相连，第十七电阻r23分别与u4a的同相输入端和地相连；(i2+i4)-(i1+i3)的实现包括运算放大器u4b、第十九电阻r15、第二十电阻r19、第二十一电阻r21、第二十二电阻r28、第二十三电阻r26、第二十四电阻r12、第二十一电容cl17，其中，u4b的反相输入端分别通过第十九电阻r15、第二十电阻r19与电压放大器u2的输出端outa、outb相连，u4b的同相输入端分别通过第二十一电阻r21、第二十二电阻r28与电压放大器u2的输出端outd、outc相连，u4b的反相输入端通过第二十四电阻r12和第二十一电容cl17与输出端相连，第二十三电阻r26分别与u4b的同相输入端和地相连；
13.所述的加法电路是用来实现位置转换公式i1+i2+i3+i4的，包括运算放大器u4c、运算放大器u4d、第二十五电阻r13、第二十六电阻r16、第二十七电阻r20、第二十八电阻r24、第二十九电阻r30、第三十电阻r9、第三十一电阻r32、第三十二电阻r29、第三十三电阻r31、第二十二电容cl18、第二十三电容cl19，其中，u4c的反相输入端分别通过第二十五电阻r13、第二十六电阻r16、第二十七电阻r20、第二十八电阻r24与u2的outa、outd、outb、outc相连,u4c的反相输入端通过第三十电阻r9和第二十二电容cl18与输出端相连；u4d的反相输出端通过第三十一电阻r32与u4c的输出端相连，通过第三十三电阻r31和第二十三电容cl19与u4d的输出端相连；第二十九电阻r30和第三十二电阻r29分别与u4c、u4d的同相输入端和地相连。
14.一种用于位置敏感探测器的高频信号处理方法，基于上述一种用于位置敏感探测器的高频信号处理电路实现，具体包括以下：
15.步骤1：首先通过外接电源vdd、vss以及接gnd，来为整个电路中的运放供电，通过5v基准电压源电路将电源电压转换为5v的基准电压，然后为位置敏感探测器psd的cathode引脚提供反偏电压；
16.步骤2：位置敏感探测器psd会将直射在psd表面上的光信号转换为电流信号，通过位置转换公式：
[0017][0018][0019]
得到psd四个引脚构成的坐标系在x和y两个方向上的准确位置坐标；输出四路微弱电流信号i1、i2、i3和i4到跨阻放大电路；式中，lx为工作区域在x方向的长度；ly为工作区域在y方向的长度；
[0020]
步骤3：位置敏感探测器的四个输出电流i1、i2、i3和i4各自通过跨阻放大电路转换为电压信号；
[0021]
通过设计跨阻放大器u3的增益带宽积、反馈电阻、反馈电容参数来保证高频信号通过该电路而不被截止；psd与跨阻放大电路的最终组合截止频率按下式计算：
[0022][0023]
其中gbp为运算放大器的增益带宽积，cs为源电容，rf为反馈电阻；
[0024]
步骤4：电压信号经过跨阻放大电路放大后，其输出的电压信号幅值仍没有满足实际测试需求，需经过二次放大，二级电压放大电路采用反相放大器设计，反相放大器将跨阻放大电路输出的负电压转变为正电压，同时实现任意倍数增益；
[0025]
步骤5：根据步骤1位置计算公式，还需要进行加减法运算，减法电路完成位置计算公式分子部分的运算，为了求解加减法输入和输出的关系，需要将其进行等效处理，(i2+i4)-(i1+i3)的运算电路设计与(i2+i3)-(i1+i4)的相同；
[0026]
步骤5.1：减法电路运算；
[0027]
步骤5.1.1:(i2+i3)-(i1+i4)等效电路相当于同相加法电路，其输入输出关系为：
[0028][0029]
(i2+i3)-(i1+i4)等效电路相当于反相加法电路，其输入输出关系为：
[0030][0031]
因此根据叠加定理可得：
[0032][0033]
因为r
11
＝r
22
＝r
27
＝r
14
＝r
18
，所以：
[0034]uout
＝(u2+u3)-(u1+u4)
[0035]
式中，u1、u2、u3、u4分别为psd输出电流i1、i2、i3、i4经过跨阻放大电路和二级电压放大电路之后的输出结果；
[0036]
步骤5.1.2:(i2+i4)-(i1+i3)等效电路相当于同相加法电路，其输入输出关系为：
[0037][0038]
(i2+i4)-(i1+i3)等效电路相当于反相加法电路，其输入输出关系为：
[0039][0040]
因此根据叠加定理可得：
[0041][0042]
因为r
12
＝r
21
＝r
28
＝r
15
＝r
19
，所以：
[0043]uout
＝(u2+u4)-(u1+u3)
[0044]
步骤5.2：加法电路运算；
[0045]
加法电路负责对四路输出电流进行求和，得到位置运算公式的分母部分，求和电路采用反相加法电路设计；
[0046]
根据虚断可知：
[0047]
[0048]
根据虚短可知：u-＝u
+
＝0，故
[0049][0050]
因为r9＝r
13
＝r
16
＝r
20
＝r
24
,所以：
[0051]uoutc
＝-(u1+u2+u3+u4)
[0052]
u4c组成的加法电路的求和结果是反相的，因此用u4d组成的反相运算放大电路来进行一次反相，最后得到加法电路求和结果为u
out
＝(u1+u2+u3+u4)；
[0053]
步骤6：将加减法电路运算结果上传给上位机利用平均周期图法和傅里叶变换进行处理，进而得到位置转换公式最终结果，得到两个方向的位置信息。
[0054]
本发明有益技术效果：
[0055]
本发明提供一种用于psd的高频测量电路，用于精确检测传感器的高频的微弱电流变化量的技术问题。该电路具有电路结构简单、输出结果受运算放大器的放大精度与地面噪声干扰小的优点。
附图说明
[0056]
图1是本发明psd信号处理的原理示意图。
[0057]
图2是本发明的位置敏感探测器的工作面和背面，其中图a为位置敏感探测器的工作面，图b为位置敏感探测器的背面，图b中
①
anode x1表示psd的输出电流i1，
②③④⑦⑨
nc表示没有作用，
⑤
为anode y1表示psd的输出电流i3，
⑥
anode x2表示psd的输出电流i2
⑧
cathode表示psd的工作反偏电压为5v
⑩
anode y2表示psd的输出电流i4。
[0058]
图3是本发明实施例跨阻放大电路的带宽。
[0059]
图4是本发明实施例的5v基准电压源电路。
[0060]
图5是本发明实施例跨阻放大电路和二级电压放大电路。
[0061]
图6是本发明实施例减法电路(i2+i3)-(i1+i4)的实现电路。
[0062]
图7是本发明实施例减法电路(i2+i4)-(i1+i3)的实现电路，，。
[0063]
图8是本发明实施例加法电路。
[0064]
图9是本发明(i2+i3)-(i1+i4)减法等效电路。图a是等效同相加法电路，图b是等效反相加法电路。
[0065]
图10是本发明(i2+i4)-(i1+i3)减法等效电路。图a是等效同相加法电路，图b是等效反相加法电路。
[0066]
图11是psd电路稳定性实验测试结果。
具体实施方式
[0067]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。本发明提供一种高频微弱电流变化测量电路，包括：psd工作电路、跨阻放大电路、二级电压放大电路和加减法电路，如图1所示。
[0068]
图1所示的电路框图代表整个psd信号处理过程，psd输出四路微弱电流信号，经过
跨阻放大电路将电流信号放大并转换为电压信号，电压信号通过二级电压放大电路继续放大，接着经由加减法电路及求和电路得到两方向位置公式的分子和分母，最终输出x方向、y方向以及sum信号，再利用软件做除法，得到两个方向的位置信息。
[0069]
一种用于位置敏感探测器psd的高频信号处理电路，包括：psd工作电路、跨阻放大电路、二级电压放大电路和加减法电路；所述加减法电路包括加法电路和减法电路；
[0070]
其中，psd工作电路、跨阻放大电路、二级电压放大电路和加减法电路依次连接；
[0071]
所述psd工作电路包括位置敏感探测器psd和5v基准电压源电路，5v基准电压源电路的功能是给位置敏感探测器提供5v的工作电源，5v基准电压源电路包括第一电容c5、第二电容c6和运算放大器u1，如图4所示；所述的放大器u1的输入端与电源vdd相连，第一电容c5与电源vdd和地gnd相连，第二电容c6与运算放大器u1的输出端和地gnd相连，敏感探测器psd的电源端与与运算放大器u1的输出端相连；其中电源vdd是整个信号处理电路共用电源，地gnd也为整个信号处理电路共用的；
[0072]
所述跨阻放大电路要完成两个功能，功能一是将psd的输出电流信号转换为电压信号，功能二是完成输入信号放大。包括跨阻放大器u3、第一电阻rl1、第二电阻rl2、第三电阻rl3、第四电阻rl4、第三电容cl2、第四电容cl3、第五电容cl6、第六电容cl7、第七电容cl5、第八电容c3、第九电容cl9、第十电容c1，如图5所示；所述的跨阻放大器u3的四个反向输入端ina-、inb-、inc-、ind-分别与所述位置敏感探测器psd的电流输出端i1、i2、i3、i4连接。所述的跨阻放大器u3的反向输入端ina-通过第一电阻rl1和第三电容cl2与跨阻放大器u3的输出端outa相连，跨阻放大器u3的inb-、inc-、ind-也通过上述方法连接至跨阻放大器u3的输出端outb、outc、outd；所述第七电容cl5、第八电容c3分别与地gnd、电源vdd和跨阻放大器的电源端v+相连，所述第九电容cl9、第十电容c1分别与地gnd、电源vss和跨阻放大器的电源端v-相连；电源vss为整个电路共用；
[0073]
所述二级电压放大电路的作用是对跨阻放大电路输出的电压进行反相并继续放大，包括电压放大器u2、第五电阻r2、第六电阻r3、第七电阻r6、第八电阻r8、第九电阻r4、第十电阻r1、第十一电阻r7、第十二电阻r5、第十一电容cl1、第十二电容cl4、第十三电容cl12、第十四电容cl13、第十五电容cl14、第十六电容cl15，如图5所示；所述电压放大器u2可满足同时对四路电流信号的转换与放大需求，可拆分为4个具有相同功能的放大器u2a、u2b、u2c、u2d，所述电压放大器u2a的反向输入端ina-通过第五电阻r2与跨阻放大电路中的跨阻放大器u3的输出端outa连接，u2a的反相输入端ina-与u2a的输出端outa通过第六电阻r3和第十三电容cl12相连，所述电压放大器u2a的正向输入端ina+与地gnd相连。第十一电容cl1、第十二电容cl4为电路的蓄能电容，作用是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路，防止电源携带的噪声对电路构成干扰。所述电压放大器u2b的反向输入端inb-通过第七电阻r6与跨阻放大器u3的输出端outb连接，所述电压放大器u2b的反相输入端inb-与u2b的输出端outb通过第八电阻r8和第十四电容cl13相连,电压放大器u2b的正向输入端inb+与地gnd相连。所述电压放大器u2c的反向输入端inc-通过第九电阻r4与跨阻放大器u3的输出端outd连接，所述电压放大器u2c的反相输入端inc-与u2c的输出端outc通过第十电阻r1和第十五电容cl14相连,电压放大器u2c的正向输入端inc+与地gnd相连。所述电压放大器u2d的反向输入端ind-通过第十一电阻r7与跨阻放大器u3的输出端outc连接，所述电压放大器u2d的反相输入端ind-与u2d的输出端outd通过第十二电阻r5和
第十六电容cl15相连,电压放大器u2d的正向输入端ind+与地gnd相连。
[0074]
所述的减法电路是用来实现位置转换公式的(i2+i3)-(i1+i4)和(i2+i4)-(i1+i3)，包括运算放大器u4、第十三电阻r14、第十四电阻r18、第十五电阻r22、第十六电阻r27、第十七电阻r23、第十八电阻r11、第十七电容cl16、第十九电容cl10、第二十电容cl11、第十九电阻r15、第二十电阻r19、第二十一电阻r21、第二十二电阻r28、第二十三电阻r26、第二十四电阻r12、第二十一电容cl17，所述电压放大器u4为四路运算放大器,可拆分为u4a、u4b、u4c、u4d，包含四个反相输入端：ina-、inb-、inc-和ind-、四个同相输入端：ina+、inb+、inc+和ind+和四个输出端outa、outb、outc、outd。(i2+i3)-(i1+i4)的实现包括运算放大器u4a、第十三电阻r14、第十四电阻r18、第十五电阻r22、第十六电阻r27、第十七电阻r23、第十八电阻r11、第十七电容cl16、第十九电容cl10、第二十电容cl11，如图6所示；第十九电容cl10和第二十电容cl11为电路的蓄能电容，防止电源携带的噪声对电路构成干扰。u4a的反相输入端分别通过第十三电阻r18、第十四电阻r14与电压放大器u2的输出端outa、outc相连，u4a的同相输入端分别通过第十五电阻r22、第十六电阻r27与电压放大器u2的输出端outd、outb相连，u4a的反相输入端通过第十八电阻r11和第十七电容cl16与输出端相连，第十七电阻r23分别与u4a的同相输入端和地相连；(i2+i4)-(i1+i3)的实现包括运算放大器u4b、第十九电阻r15、第二十电阻r19、第二十一电阻r21、第二十二电阻r28、第二十三电阻r26、第二十四电阻r12、第二十一电容cl17,如图7所示，其中，u4b的反相输入端分别通过第十九电阻r15、第二十电阻r19与电压放大器u2的输出端outa、outb相连，u4b的同相输入端分别通过第二十一电阻r21、第二十二电阻r28与电压放大器u2的输出端outd、outc相连，u4b的反相输入端通过第二十四电阻r12和第二十一电容cl17与输出端相连，第二十三电阻r26分别与u4b的同相输入端和地相连；
[0075]
所述的加法电路是用来实现位置转换公式i1+i2+i3+i4的，包括运算放大器u4c、运算放大器u4d、第二十五电阻r13、第二十六电阻r16、第二十七电阻r20、第二十八电阻r24、第二十九电阻r30、第三十电阻r9、第三十一电阻r32、第三十二电阻r29、第三十三电阻r31、第二十二电容cl18、第二十三电容cl19，如图8所示，其中，u4c的反相输入端分别通过第二十五电阻r13、第二十六电阻r16、第二十七电阻r20、第二十八电阻r24与u2的outa、outd、outb、outc相连,u4c的反相输入端通过第三十电阻r9和第二十二电容cl18与输出端相连；u4d的反相输出端通过第三十一电阻r32与u4c的输出端相连，通过第三十三电阻r31和第二十三电容cl19与u4d的输出端相连；第二十九电阻r30和第三十二电阻r29分别与u4c、u4d的同相输入端和地相连。
[0076]
一种用于位置敏感探测器的高频信号处理方法，基于上述一种用于位置敏感探测器的高频信号处理电路实现，具体包括以下：
[0077]
步骤1：首先通过外接电源vdd、vss以及接gnd，来为整个电路中的运放供电，通过5v基准电压源电路将电源电压转换为5v的基准电压，然后为位置敏感探测器psd的cathode引脚提供反偏电压；
[0078]
位置敏感探测器psd是一种直接将作用在光敏面上的光斑位置信号转换成代表连续位置变化的电信号的光电传感器，具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快、光谱响应范围较宽，暗电流非常小的特点，能够满足微悬臂梁高速振动测试的需求，
[0079]
步骤2：位置敏感探测器psd会将直射在psd表面上的光信号转换为电流信号，通过
位置转换公式：
[0080][0081][0082]
得到psd四个引脚构成的坐标系在x和y两个方向上的准确位置坐标；输出四路微弱电流信号i1、i2、i3和i4到跨阻放大电路；式中，lx为工作区域在x方向的长度；ly为工作区域在y方向的长度；
[0083]
所述的psd为滨松s5991-01改进四侧型二维psd，如图2所示，该psd光谱响应范围较宽，暗电流非常小，响应速度快，能够满足微悬臂梁高速振动测试的需求，且具有很高的位置分辨率；
[0084]
步骤3：跨阻放大电路主要完成两个功能，功能一是将传感器的输出电流信号转换为电压信号，功能二是完成输入信号放大。要对psd输出的微弱电流信号进行处理且保证放大后信号不失真，通常需要将电流信号转换为电压信号，并且电压信号更利于对信号的后期处理且不易受到外界的干扰。位置敏感探测器的四个输出电流i1、i2、i3和i4各自通过跨阻放大电路转换为电压信号；
[0085]
所述放大器u2、u3、u4均选用opa4354，opa4354为低偏置电流的精密四运算放大器，其电压噪声和带宽噪声都非常低，采用正负7.5v双电源供电，可满足同时对四路电流信号的转换与放大需求，每个放大器均可拆分为4个具有相同功能的运放，为方便描述后面分为u2a、u2b、u2c、u2d、u3a、u3b、u3c、u3d、u4a、u4b、u4c、u4d的形式；所述放大器u1选用ref02，ref02为+5v精密基准电压源。
[0086]
所述电阻rl1、rl2、rl3、rl4、r2、r4、r6、r7、r9、r10、r11、r12、r13、r14、r15、r16，r17、r18、r19、r20、r21、r22、r23、r28、r28、r31、r32的阻值均为10k；r3、r8、r1、r5为100k。
[0087]
通过设计跨阻放大器u3的增益带宽积、反馈电阻、反馈电容参数来保证高频信号通过该电路而不被截止；跨阻放大电路的带宽与增益有直接关系，本发明用于高频微悬臂梁信号采集，所以需要电路具有较高的带宽，psd与跨阻放大电路的最终组合截止频率按下式计算：
[0088][0089]
其中gbp为运算放大器的增益带宽积，cs为源电容，rf为反馈电阻；
[0090]
为了对psd输出的微弱电流信号进行处理且保证放大后信号不失真，通常需要将电流信号转换为电压信号，电压信号更利于对信号的后期处理且不易受到外界的干扰，跨阻放大电路多用于光学传感器的前端放大器,跨阻放大电路一般利用低噪声运算放大器来设计，运算放大器应该合理选择，一般要选取输入阻抗较高和偏置电流低的运算放大器，首先在类型上要选jfet类型，jfet类型运算放大器一般都有着极高的阻抗和低偏置电流的特性,本系统综合了性能与成本需求情况，最终选择opa4354芯片作为跨阻放大电路的运算放大器。
[0091]
跨阻放大器的截止频率会影响整个psd处理电路的带宽，进而影响其能否采集到高频的信号变换，opa4354具有100mhz的增益带宽积，共模和差模输入电容均为2pf,psd的
结电容为500pf,选择反馈电阻rl1、rl2、rl3、rl4均为20k，选择反馈电容cl2、cl3、cl6、cl7为9pf；计算得到跨阻放大电路的-3db闭环带宽为1.247mhz,与ltspice软件仿真结果相同，仿真结果如图3所示，品质因子q为0.707，电路属于巴特沃斯型，可以实现最大的带宽。
[0092]
步骤4：电压信号经过跨阻放大电路放大后，其输出的电压信号幅值仍没有满足实际测试需求，需经过二次放大，二级电压放大电路采用反相放大器设计，反相放大器将跨阻放大电路输出的负电压转变为正电压，同时实现任意倍数增益；且能够有效的抑制共模干扰，二级电压放大电路增益倍数不易过大，增益过大将会导致最终输出电压过大，超过数据设备的采集电压范围。
[0093]
步骤5：根据步骤1位置计算公式，还需要进行加减法运算，减法电路完成位置计算公式分子部分的运算，(i2+i3)-(i1+i4)的实现如图6所示，为了求解加减法输入和输出的关系，需要将其进行等效处理，等效电路如图9所示。(i2+i4)-(i1+i3)的运算电路设计与(i2+i3)-(i1+i4)的相同，等效电路如图10所示；
[0094]
步骤5.1.1:(i2+i3)-(i1+i4)等效电路相当于同相加法电路，其输入输出关系为：
[0095][0096]
(i2+i3)-(i1+i4)等效电路相当于反相加法电路，其输入输出关系为：
[0097][0098]
因此根据叠加定理可得：
[0099][0100]
因为r
11
＝r
22
＝r
27
＝r
14
＝r
18
，所以：
[0101]uout
＝(u2+u3)-(u1+u4)
[0102]
式中，u1、u2、u3、u4分别为psd输出电流i1、i2、i3、i4经过跨阻放大电路和二级电压放大电路之后的输出结果；
[0103]
步骤5.1.2:(i2+i4)-(i1+i3)等效电路相当于同相加法电路，其输入输出关系为：
[0104][0105]
(i2+i4)-(i1+i3)等效电路相当于反相加法电路，其输入输出关系为：
[0106][0107]
因此根据叠加定理可得：
[0108][0109]
因为r
12
＝r
21
＝r
28
＝r
15
＝r
19
，所以：
[0110]uout
＝(u2+u4)-(u1+u3)
[0111]
步骤5.2：加法电路运算；
[0112]
加法电路负责对四路输出电流进行求和，得到位置运算公式的分母部分，求和电
路采用反相加法电路设计；其结构如图8所示。
[0113]
根据虚断可知：
[0114][0115]
根据虚短可知：u-＝u
+
＝0，故
[0116][0117]
因为r9＝r
13
＝r
16
＝r
20
＝r
24
,所以：
[0118]uoutc
＝-(u1+u2+u3+u4)
[0119]
u4c组成的加法电路的求和结果是反相的，因此用u4d组成的反相运算放大电路来进行一次反相，最后得到加法电路求和结果为u
out
＝(u1+u2+u3+u4)；
[0120]
步骤6：将加减法电路运算结果上传给上位机利用平均周期图法和傅里叶变换进行处理，进而得到位置转换公式最终结果，得到两个方向的位置信息。
[0121]
通过该电路处理得到的微悬臂梁多阶模态实验结果与非黏性理论相比较，相对误差在0.24％-7.73％之间，与黏性理论对比，相对误差在0.04％-4.18％，有效地验证了电路处理的准确性。通过测试psd在1min之内的稳定性如图11所示，设置采样频率为2khz，共取得12万个采样点，其输出仅在
±
1.678μm之间变化，psd输出信号在的稳定性良好。