一種傳聲器極化電壓測量裝置的設(shè)計

李耀祖，張歡歡，王雙杰，郭凱龍

（1.杭州愛思維儀器有限公司，浙江杭州 311122；2.杭州愛華儀器有限公司，浙江杭州 311122）

傳聲器是將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號的聲電換能器，它有多種類型。其中電容傳聲器是指利用電容的變化工作的傳聲器，它具有接近理想傳聲器所要求的各種特性，因此，在精確的聲學(xué)測量領(lǐng)域，大多采用電容傳聲器[1]。傳聲器極化電壓是指加在電容式傳聲器振膜和極板之間的直流電壓，是影響電容傳聲器的聲壓靈敏度的主要因素之一[2-3]，電壓值一般為28 V、200 V。極化電壓經(jīng)過一個20～100 MΩ的高阻值電阻從聲學(xué)測量儀器輸出到傳聲器的前置放大器上[1]，因此具有很高的輸出阻抗，無法用普通的電壓表進(jìn)行精確測量。在國家相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范中，推薦采用一種間接的方法——補償法，其主要步驟：將一個可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的輸出和待測極化電壓的輸出分別接至直流檢流計的兩端，直流穩(wěn)壓電源的輸出端同時還接入電壓表的輸入端，調(diào)節(jié)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓使其接近于極化電壓的標(biāo)稱值，然后仔細(xì)調(diào)節(jié)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓，使直流檢流計的讀數(shù)為零，此時電壓表的示值即為極化電壓的值?？梢钥闯鲈摐y量方法需要多種儀器配合使用，操作也比較繁瑣，對操作人員的要求較高。針對上述問題，設(shè)計了一種專用測量裝置，以降低測量操作難度和設(shè)備復(fù)雜度，提高測量精度。

1 整體設(shè)計

設(shè)計的重點在于如何利用普通的低壓電路實現(xiàn)對高壓信號的阻抗變換和精確測量。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)主要包括阻抗變換模塊、直流電壓表、MCU 采樣控制模塊、隔離電源模塊、高壓直流電源模塊等。阻抗變換模塊的核心電路是由普通的JFET-Input 運放組成的電壓跟隨電路，具有近似無窮大的輸入阻抗。隔離電源模塊為阻抗變換模塊的運放電路提供正負(fù)電源，并在其0 V 輸出端接入高壓直流電源模塊輸出的參考電壓VREF，能夠相應(yīng)地提高運放的共模工作電壓而不改變其正負(fù)電源端的差模電壓。MCU 采樣控制模塊用于監(jiān)測直流電壓表輸入端的電壓范圍，并根據(jù)電壓范圍控制高壓直流電源模塊的工作狀態(tài)和電壓輸出。

2 模塊電路設(shè)計

2.1 阻抗變換模塊

阻抗變換電路如圖2 所示，其核心元件是一個JFET-Input 運放，型號選用TI 公司的經(jīng)典型號TL082，采用雙電源供電，最大供電電壓為±15 V，該芯片由于采用JFET 輸入結(jié)構(gòu)，因此具有很高的輸入阻抗，可達(dá)1 000 GΩ[4]。運放的輸入端串聯(lián)一個高阻值的電阻R10，當(dāng)輸入信號的電壓超過運放的輸入電壓范圍時，可保護(hù)運放的輸入端。運放的輸出與負(fù)輸入端相連，組成一個電壓跟隨電路，進(jìn)一步增大了運放電路的輸入阻抗，因此，該電路的輸入阻抗可視為無窮大[5-6]，消除了極化電壓的高輸出阻抗的影響。由于電壓跟隨電路的輸出阻抗很低，其輸出端接普通的直流電壓表即可[7-9]。

圖2 阻抗變換電路

2.2 隔離電源模塊

在運放電路中，運放輸入輸出的電平范圍只能位于供電電壓之間，以TL082 運放為例，輸入輸出信號的電平范圍必定只能在-15～15 V 之間，遠(yuǎn)達(dá)不到極化電壓的電壓范圍。圖3 是為解決這個問題而設(shè)計的電路，主要采取兩種措施：運放采用雙路隔離電源模塊供電，輸出±15 V；隔離電源模塊的0 V 輸出參考端接入一個參考電壓VREF。

圖3 隔離電源電路

如此，隔離電源模塊相對于GND 的輸出電壓變?yōu)閂REF+15 V～VREF-15 V。如當(dāng)VREF 的值為200 V 時，運放的輸入輸出信號的電平范圍提高到185～215 V 之間，同時，運放的正負(fù)電源端的電壓差仍然為30 V，不影響運放的正常工作。因此使用普通的低壓運放電路即可以完成對200 V 極化電壓的阻抗變換。這里隔離電源模塊的型號選用金升陽公司的WRA1215S-1WR2 模塊電源，實現(xiàn)隔離穩(wěn)壓正負(fù)雙路輸出，最大輸出功率1 W，可滿足設(shè)計的要求[10]。

2.3 高壓直流電源模塊

極化電壓的標(biāo)稱值通常為200 V、28 V 和0 V，故高壓直流電源模塊的輸出也需要設(shè)置成這三個電壓選項，由MCU 采樣控制模塊控制。高壓直流電源模塊電路如圖4 所示，核心元件仍采用金升陽公司的模塊電源，型號為HO1-P401V-5C，采用非隔離單路穩(wěn)壓輸出，輸出電壓線性連續(xù)可調(diào)，最高可達(dá)400 V，具有極低的輸出紋波、時漂和溫漂，有使能管腳，是金升陽公司專門針對板上電源系統(tǒng)中需要產(chǎn)生高電壓并且對輸出紋波要求高、對輸出電壓穩(wěn)定性要求高的應(yīng)用場合而設(shè)計的成熟產(chǎn)品[11]。R4、R5用于調(diào)節(jié)輸出電壓，C8用于降低輸出紋波，使輸出穩(wěn)定在200 V[12]。R14、R15分壓產(chǎn)生28 V 電壓，和200 V 一起接入繼電器的管腳，由MCU 通過控制HV_SL 的電平來選擇需要接通的電壓。當(dāng)MCU控制HV_EN使模塊電源處于關(guān)斷狀態(tài)，且VREF接通28 V輸出端，VREF輸出為0 V。

圖4 高壓直流電源模塊電路

2.4 MCU采樣控制模塊

為了適應(yīng)實際使用時獲得不同的極化電壓輸入值，系統(tǒng)還設(shè)計有MCU 采樣控制模塊。MCU 最小系統(tǒng)部分的電路不再詳述，簡化后的電路如圖5 所示。阻抗變換電路的輸出通過R17、R18兩個電阻分壓，信號幅度縮小為原來的1/100 后接入MCU 的ADC 輸入管腳，MCU 再對輸入信號的電平進(jìn)行采樣、監(jiān)測。同時C9對分壓后的信號進(jìn)行濾波，保證采樣的精度[13-14]。MCU 根據(jù)采樣信號的電平值來判定待測極化電壓的取值范圍，再通過HV_SL、HV_EN控制高壓直流電源模塊輸出合適的參考電壓VREF。此外MCU 還控制一個綠色LED 和一個紅色LED，正常工作時點亮綠色LED，異常時點亮紅色LED。具體的軟件工作流程后續(xù)會詳細(xì)介紹。

圖5 MCU采樣控制簡化電路

2.5 PCB設(shè)計

在相對濕度較高的環(huán)境中，絕緣材料易受潮，其表面吸附的水分隨濕度增加而增大，使絕緣材料的整體絕緣性能及耐壓強度下降。阻抗變換電路的輸入阻抗也必然會受到影響，進(jìn)而影響測量結(jié)果[15-16]。預(yù)防的方法為在PCB 設(shè)計時對運放芯片的信號輸入管腳區(qū)域做架空設(shè)計，使對應(yīng)的管腳在焊接時不與PCB接觸[17]。局部的輸入管腳架空設(shè)計圖如圖6所示。

圖6 輸入管腳架空設(shè)計

3 嵌入式軟件設(shè)計

在圖2 的電路中，運放的輸出幅值只能在VREF±15 V 范圍內(nèi)上下浮動，且極化電壓的值相對固定，根據(jù)此特性，可以對運放輸出的電壓進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測電壓與當(dāng)前VREF 的差值ΔU，可以判斷當(dāng)前的輸入電壓是否正常，同時還可以判斷VREF的設(shè)置是否合適。如不合適，則需要更改VREF的值。

在默認(rèn)狀態(tài)下，VREF 輸出為200 V，如MCU 監(jiān)測到的電壓值U也為200 V 左右，則說明系統(tǒng)工作正常；如ΔU>10 V，說明輸入電壓值超過210 V，此時應(yīng)點亮紅色LED，指示輸入異常；如ΔU<-10 V，說明輸入電壓值低于190 V，此時應(yīng)將VREF 的輸出設(shè)置為28 V；類似的，此時如MCU 監(jiān)測到的電壓值U也為28 V 左右，則說明系統(tǒng)工作正常；如ΔU>10 V，說明輸入電壓值超過38 V，此時應(yīng)點亮紅色LED；如ΔU<-10 V，說明輸入的極化電壓值低于18 V，此時應(yīng)將VREF 的輸出設(shè)置為0 V。嵌入式軟件運行流程如圖7 所示。

圖7 軟件運行流程

4 調(diào)試及測試結(jié)果

在樣機組裝調(diào)試時，運放在圖6 中被架空的信號輸入管腳與輸入接口之間的連接不經(jīng)過PCB，使用絕緣導(dǎo)線代替，可有效避免環(huán)境濕度的影響。

為了驗證設(shè)計的效果，對制作的樣機進(jìn)行了測試，測試方法如圖8 所示?？烧{(diào)電源模塊串接一個高阻值電阻模擬待測的極化電壓，調(diào)節(jié)電源模塊的輸出，使輸出值分別為18、28、38、190、200、210 V，同時記錄數(shù)字萬用表和測試樣機的數(shù)值。

圖8 測試方法示意圖

為了避免不同型號電壓表之間的數(shù)值誤差對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，在測試過程中，將測試裝置中的直流電壓表也用Agilent 34401A 代替。測試環(huán)境溫度為30 ℃、濕度為85%RH，測試數(shù)據(jù)如表1 所示。從數(shù)據(jù)可以看出，測試結(jié)果與參考值相差無幾，誤差較小，滿足計量測試的要求。

表1 測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

針對傳聲器極化電壓測試過程中的問題，利用市場上普通的電路模塊、電子元件，設(shè)計了一個極化電壓專用測量裝置，具有操作簡便、測量準(zhǔn)確、成本較低的特點，可應(yīng)用于聲學(xué)測量放大器、聲級計等精密聲學(xué)測量儀器上的極化電壓測量，也可以用于高輸出阻抗、高壓直流信號的測量。