如何設(shè)計(jì)便攜式超聲波水聲聲壓計(jì)
設(shè)計(jì)目標(biāo)要求:實(shí)現(xiàn)15-45kHz超聲波聲壓、聲強(qiáng)的測量。測量的范圍是0-10個(gè)大氣壓(或聲壓級(jí)范圍：30-120dB)。測量的誤差為在總體的頻率范圍內(nèi)大小3dB,對單一頻率小于1dB。
CS-3型水聽器的特性是在10-100kHz,其M參數(shù)的不一致性小于3dB。M參數(shù)是指水聽器受單位聲壓的作用而產(chǎn)生的輸出電壓,單位是V/Pa。用分貝表示的M參數(shù)是：
M(dB )=20log(M/Mo),其中Mo為參考聲壓Mo=1V/礟a。
聲強(qiáng)I=P2 /(r*C),其中P為聲壓,C為聲速,r為密度。
為滿足設(shè)計(jì)的目標(biāo),需進(jìn)行測量誤差分析。
對應(yīng)于在為30-120dB的聲壓級(jí),在流體中的聲強(qiáng)為：I=P*V*cosy
自由場中聲強(qiáng)為：I=P2/(r*C)
聲強(qiáng)級(jí)的表達(dá)式為：I=10log(I/Io)
其中Io為10-12 (W/m2),在自由聲場中聲壓級(jí)與聲強(qiáng)級(jí)近似相等。
從而可得出(在近似測量中)聲強(qiáng)級(jí)的不一致性對應(yīng)于M參數(shù)的不一致性小于3dB。
從而得出：不必進(jìn)行頻率校正,聲壓、聲強(qiáng)的不一致性可以滿足要求。
由于一般測的是有效聲壓,為平均值,所以測量的精度相比起來比較容易實(shí)現(xiàn)。跟隨、放大、濾波、峰值和頻率檢測,產(chǎn)生誤差主要在濾波、峰值和頻率檢測。我們所設(shè)計(jì)的濾波通帶不穩(wěn)定度為1dB、峰值檢測的誤差小于1dB,但通過進(jìn)行頻率的檢測,和時(shí)間的平均,進(jìn)行軟件和硬件的補(bǔ)償可以使誤差較好的滿足要求。
根據(jù)上面的分析,考慮到超聲波測量的特點(diǎn),系統(tǒng)框圖示于圖1。其中預(yù)加重考慮隔直和系統(tǒng)頻率特性。
圖1 系統(tǒng)框圖
圖2 高通濾波電路
跟隨器起隔離水聽器和減小后端電路影響的作用。放大器與分壓通過可控增益放大來實(shí)現(xiàn),也可通過開關(guān)來實(shí)現(xiàn)測量范圍的轉(zhuǎn)換。帶通濾波為測量特定頻率的超聲波聲壓的必需。峰值檢測為測量和計(jì)算聲壓的原始數(shù)據(jù),頻率為提供頻率數(shù)據(jù)和進(jìn)行聲壓計(jì)算的頻率校正。
帶通濾波電路
考慮系統(tǒng)對頻率范圍的不平度有較高的要求,采用巴特沃斯濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。帶通由高通和低通級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。
考慮具體的要求截至頻率定為10kHz。取高通的階數(shù)為5,低通的階數(shù)為6。圖2是高通濾波電路。
峰值檢波電路
圖3是用集成放大器來實(shí)現(xiàn)峰值檢波的電路。
過零檢測電路
過零檢測電路在輸出需考慮與MSP430的接口問題,因而增加了接口轉(zhuǎn)換電路(圖4)。
圖3 峰值檢波電路
圖4 過零檢測電路
系統(tǒng)接口
本系統(tǒng)用TI公司MSP430微控制器的P6端口的12位A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行峰值測量,利用P1口的定時(shí)捕獲/比較進(jìn)行頻率測量。在MSP430硬件的設(shè)計(jì)上提供晶振、復(fù)位、時(shí)鐘電路以及JTAG,完成整體設(shè)計(jì)。根據(jù)硬件,設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件進(jìn)行聲壓測量。
結(jié)語
本聲壓計(jì)的設(shè)計(jì)采用了功耗極低的MSP430微控制器,用簡單和便宜的集成運(yùn)放和比較器實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的超聲波的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì),滿足了設(shè) 計(jì) 的 要 求。
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