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。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，電壓值一般為28V、200V。極化電壓經(jīng)過一個20MΩ~100MΩ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，因此具有很高的輸出阻抗，無法用普通的電壓表去進(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(bǔ)償法，其主要步驟為：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(jì)的兩端，直流穩(wěn)壓電源的輸出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(jì)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，我公司設(shè)計(jì)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(jì)
設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于如何利用普通的低壓電路實(shí)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)組成如圖1所示。
圖1 整體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)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一個由普通的JFET-Input運(yùn)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(yùn)放電路提供正負(fù)電源，并在其0V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)的提高運(yùn)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(jì)
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(yùn)放，采用雙電源供電，最大供電電壓為±15V，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)1000GΩ。運(yùn)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(yùn)放的輸入電壓范圍時，可保護(hù)運(yùn)放的輸入端。運(yùn)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(yùn)放電路的輸入阻抗，因此，該電路的輸入阻抗可視為無窮大，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。
圖2 阻抗變換電路
2.2 隔離電源模塊
在運(yùn)放電路中，運(yùn)放輸入輸出的電平范圍只能位于供電電壓之間，以本文選擇的運(yùn)放為例，輸入輸出信號的電平范圍必定只能在-15V~15V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(jì)的電路，主要采取兩個措施：運(yùn)放采用雙路隔離電源模塊供電，輸出±15V；隔離電源模塊的0V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)椋篤REF+15V，VREF-15V。例如，當(dāng)VREF的值為200V時，運(yùn)放的輸入輸出信號的電平范圍提高到185V~215V之間，同時，運(yùn)放的正負(fù)電源端的電壓差仍然為30V，不影響運(yùn)放的正常工作。因此使用普通的低壓運(yùn)放電路即可以完成對200V極化電壓的阻抗變換。
2.3 高壓直流電源模塊
極化電壓的標(biāo)稱值通常為200V、28V和0V，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(xiàng)，由MCU采樣控制模塊控制。電路如圖4所示，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200V。R14、R15分壓產(chǎn)生28V和200V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28V的輸出時，VREF輸出為0V。
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(shí)際使用時不同的極化電壓輸入值，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)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，信號幅度縮小約100倍后接入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。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(diǎn)亮綠色LED，異常時點(diǎn)亮紅色LED。具體的軟件工作流程在下一個章節(jié)會詳細(xì)介紹。
圖5 MCU采樣控制簡化電路
3 調(diào)試及測試結(jié)果
為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的效果，對制作的樣機(jī)進(jìn)行了測試，測試方法如圖6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：18V、28V、38V、190V、200V、210V，同時記錄數(shù)字萬用表和測試樣機(jī)的數(shù)值。
圖6 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)果的影響，在測試過程中，將測試裝置中的直流電壓表也用Agilent 34401A代替。
4 結(jié)論
我公司設(shè)計(jì)的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(diǎn)?？蓱?yīng)用于聲學(xué)測量放大器、聲級計(jì)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。
相關(guān)產(chǎn)品：愛華儀器AWA1792型極化電壓緩沖器
AWA1792型極化電壓緩沖器是一款直流電壓緩沖器，配合直流電壓表即可完成高阻抗設(shè)備極化電壓的測量。AWA1792的輸入級采用場效應(yīng)晶體管運(yùn)算放大器，具有極高的輸入阻抗和超低的輸入偏置電流。
更多產(chǎn)品詳情，歡迎咨詢了解！
