油气井出砂信号预处理电路的设计

表1运放参数列表

反馈电容Cf的选取

电荷放大器输出灵敏度的调节通常通过改变电荷转换电路的反馈电容Cf实现，反馈电容的值不能选得太小，否则测试系统中使用的低噪声同轴电缆的寄生电容将影响输出灵敏度，且有积分漂移和泄露现象；反馈电容的值也不能选的太大，否则容易引起自激现象。而且Cf的精度直接影响测量的精度，所以反馈电容精度要高。一般要求精度在0.5% ~1% ,我们选择的是聚苯乙烯电容。为了保证一定的增益，Cf 一般取100pF-10000pF。考虑以上因素及实际情况选取Cf为100PF。

电阻R1与R2的选择

由于电荷放大器的频率上限主要决定于运算放大器频响和和输入电缆的影响，若电缆太长，杂散电容增加，同时导线的自身电阻也会增加，这些参数都影响放大器的高频特性。本项目中选用的传感器本身的等效电容为10PF,振动频率为100kHz-1MHz,可计算出R1约为16KΩ。

电荷放大器的频率下限由反馈电容Cf和Rf反馈电阻决定。由于在电荷放大器中采用电容负反馈，对直流工作点相当于开路，对电缆噪声比较敏感,故放大器零漂较大而产生误差，为减小零漂，使放大器工作稳定， 选阻值非常高的电阻，以提供直流反馈。如果要制作频带响应非常好的电荷放大器，则反馈电阻必须在1GΩ以上。考虑到以上因素及实际情况选取R2为1GΩ。

滤波电路的设计

图3 带通滤波电路

带通滤波器如图3所示，它由二阶低通滤波电路和二阶高通滤波电路组成，其频带范围为100kHz-1MHz。根据有源滤波电路的快速设计理论，很容易得到高低通滤波器的各个参数。

低通滤波器的带内增益为1，截止频率为1MHz，低通滤波器的各个参数为：

C10=10pF，R8=14.5K ，R9=50K ，C11=3.3PF

高通滤波器的带内增益为1，截止频率为100kHz，高通滤波器的各个参数为：

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

该电路中的C4、C5、C12、C15、C20、C21、C23、C24是为减小正负电源对运放的影响，减小引入运放的高、低频干扰。

测试仿真

电荷放大器的仿真测试

采用Mutilsim10电子电路仿真软件对电荷放大器电路进行仿真测试。而在Multisim10仿真软件中，没有直接的电荷源信号，而考虑到压电传感器输出的电荷信号，在形式上是以电流的形式输出的。在电路分析时可以把传感器看作一个电流源，其输出电流在其电荷收集时间较短时可以看做是一种持续时间极短的电流冲击脉冲。所以在仿真中使用脉冲电流源来近似代替电荷源信号。电荷放大器仿真电路如图4所示。

图4 电荷放大器的仿真测试图

为了验证运放的参数、反馈电阻、反馈电容对电荷放大器输出的影响，分别做了电路仿真测试试验。

在电路其它测试参数不变的条件下，对 进行参数扫描，让 从100pF到1000pF以步长100pF进行参数，从图5扫描的结果可以看出，反馈电容越小，其输出电压越大。与理论分析一致。

图5 反馈电容的扫描波形

图6 反馈电阻的扫描波形

同理让Rf从1G到10G以步长1G进行参数扫描，从图6扫描结果可以看出反馈电阻越大，其输出电压越大，与理论分析反馈电阻越大，反馈电容放电越慢，输出电压越大相一致。

为了验证所选集成运放参数对电荷放大器测量结果的影响，分别对由集成运放AD823和CA3140组成的电荷放大器在输入电荷变换的情况下进行了测试。其测试结果如表2、3所示。