水用檢波器快速測試儀的設計與實現

李淑清，劉興華，李建良

(天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222)

水用檢波器快速測試儀的設計與實現

李淑清，劉興華，李建良

(天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222)

為檢測水用檢波器在固定頻率的靈敏度，以便快速準確地確定檢波器的好壞，設計了水用檢波器快速測試儀.測試儀主要由信號源模塊、功率放大模塊、數據采集模塊和顯示模塊等部分組成，以ATmega128為主控芯片，利用A/D轉換芯片AD7663進行數據采集，將檢波器的靈敏度實時地顯示在液晶屏上，以便觀察.測試結果表明，快速測試儀的最大偏差為 0.5, μV/Pa，測試結果與標稱值的平均相對誤差為 0.93%.可見，快速測試儀的測試結果準確，且重復性較好.

快速測試儀；水用檢波器；靈敏度

隨著石油勘探由陸地向淺海和沼澤地區勘探的發展，水用檢波器的應用日益增多，生產水用檢波器的廠家也隨之增加，水用檢波器性能測試儀的需求量迅速增長，國內外勘探施工單位對水用檢波器的性能作定期測試分析的要求也越來越強烈[1].然而，目前使用的水用檢波器測試儀是進行全頻測量，測量時間長，只能用于生產廠家的技術分析，不能應用于施工現場的快速檢測.

目前對水聽傳感器的測試一般采用耦合腔互易測量、壓電補償法、振動液柱法、密閉腔比較法等幾種對比測量方法[2].其中密閉腔比較法裝置簡單，校準速度快，適用頻率范圍為1～3,000,Hz，用于測試聲壓靈敏度時，測量精度比用現行國家標準中的振動液柱法高[3].水用檢波器的實際測試頻率范圍在 5～600,Hz，所以宜采用密閉腔比較法來測試水用檢波器的靈敏度.

本文根據密閉腔比較法檢測方案設計了混音箱，研制了基于ATmega128單片機的高精度高速度的水用檢波器性能測試儀，并對系統性能進行測試.

1 結構原理

測試系統主要由信號源模塊、功率放大模塊、混音箱、水用檢波器、數據采集模塊和液晶顯示模塊等部分組成.系統的結構原理如圖1所示.

圖1 系統結構原理圖Fig.1 System architecture diagram

根據水用檢波器的工作原理，需要建立一個均勻壓力場對其進行測試.設計的混音箱是滿足均勻場條件的聲學壓力場(以下簡稱為聲場)，采用兩端密閉的剛性圓桶模擬均勻場環境，圓管的一端為電動式低頻揚聲器，作為聲場的驅動源；另一端采用鋼性材料密封.

2 硬件設計

2.1 信號源設計

信號源包括信號發生器和功率放大器兩部分，產生推動電–聲換能器的功率激勵信號[4].

信號發生器部分采用AD9850芯片產生正弦波.AD9850是最高時鐘為125,MHz、采用的CMOS技術的直接頻率合成器，可以產生一個頻譜純凈、頻率和相位都可以編程控制且穩定性很好的模擬正弦波.

系統中，AD9850使用的時鐘頻率 fc＝40,MHz，要求 DDS輸出的頻率 fDDS＝5～600,MHz.fc的選取基于以下方面：

(1) fDDS≤0.1,fc，遠遠小于奈奎斯特采樣定理fDDS≤0.5,fc的要求，避開了整數分頻點，也避開了頻率高端性能的失真.

(2) DDS的頻率分辨率可以達到Δf＝fc/232≈0.01,Hz，10 倍頻后Δf0＝10Δf＝0.1,Hz，滿足系統的要求.

功率放大器用于將信號發生電路輸出的小功率信號放大到揚聲器所需要的功率(25,W)，從而測試儀的輸出信號可以直接接到混響箱的揚聲器上.系統采用1片音頻功率放大芯片TDA7261.

2.2 數據采集模塊

高速模數轉換器采用 AD7663.AD7663是一款16位的低功耗、逐次逼近型模數轉換器芯片，其采用5,V單電源供電，并提供 8位或 16位并行口和一個串行口.AD7663具有分辨率高、采樣速率高、功耗小等優點，在高速高精度的數據采集系統中得到了廣泛的應用.

由于水用檢波器輸出的電壓信號為毫伏級信號，因此采用AD620進行電壓放大后作為AD7663的輸入，放大倍數可以通過可調電阻進行調節.AD7663輸入信號的范圍配置為±2.5,V，其數據端口采用高速并行接口 D0～D15，包括一個基準電壓、一個電壓跟隨器及供電電路等.數據采集電路如圖2所示.

圖2 數據采集電路Fig.2 Circuit of data acquisition

選擇了高精度的 ADR421基準電源為 AD7663提供2.5,V的模擬電壓基準，并利用AD8031對基準電壓進行跟隨處理，減少電壓波動對采樣信號的影響.盡管 AD7663是＋5,V的單電源供電，為了兼容不同器件的電平標準，本測試系統還提供了－5,V的電源.

2.3 液晶顯示模塊

液晶模塊選用 LCM128645ZK.該模塊內置控制芯片 ST7920為中文圖形控制芯片，它是一種內置128×64點陣的漢字/圖形的液晶顯示控制模塊.該芯片共內置8,192個中文漢字(16×16點陣)、128個字符的 ASCII字符庫(8×16點陣)及 64×256點陣顯示 RAM(GDRAM)[5].

ATmega128采用串行通信方式與液晶控制芯片ST7920連接，連接電路如圖3所示.

圖3 液晶顯示電路Fig.3 Display circuit of liquid crystal

3 軟件設計

采用 ICCAVR[6]軟件對單片機進行編程.程序是整個檢波器測試儀軟件的一條主線，上電復位后檢波器測試儀首先執行主程序.它的主要任務是識別命令、解釋命令并獲得轉入相應服務程序的入口，以便完成相應的功能.主程序引導檢波器測試儀進入正常運行，協調各部分軟、硬件有條不紊地工作，單片機系統主程序流程圖見圖4.

系統初始化完成硬件設備的初始化，用來分配寄存器并初始化，主要包括數據存儲寄存器、工作狀態寄存器等.信號源模塊的軟件編程就是要將外部輸入的數據變換成AD9850芯片所能接收的格式，并送出相應的頻率、相位控制字，從而使 AD9850能產生相位、頻率可程序控制的正弦信號.數據采集指對檢波器輸出電壓信號的采集.通過 A/D轉換將采集到的模擬信號轉換為相應的數字量，以便單片機進行處理.數據處理是指對采集的數據進行統計分析，并根據分析結果設置工作狀態寄存器及控制顯示模塊.液晶顯示是指根據數據處理的結果顯示最終的靈敏度值.

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

4 系統實現及結果分析

圖5為快速測試儀的面板圖.左側為液晶顯示界面，可以實時地顯示檢波器的靈敏度、測量頻率及測試儀的型號.右側紅色按鈕為電源開關，綠色和黃色按鈕可以補償靈敏度，分別為±0.5,μV/Pa.

圖5 面板實物圖Fig.5 Physical map of panel

選用固定頻點進行測量，用快速測試儀對水用檢波器進行實際測試.其中，用快速測試儀對 15臺標定過靈敏度的檢波器各進行 5次實驗的實驗數據見表 1.

表1 實驗結果Tab.1 Experiment results

由表1實驗結果可以看出，本測試儀的重復性較好，最大重復性誤差為 0.5,μV/Pa.測試結果的平均相對誤差為 0.93%，其中 15號檢波器測試結果的相對誤差最大，為2.02%.

5 結 語

本文設計了水用檢波器快速測試儀，用來檢測水用檢波器在固定頻率的靈敏度，以便快速準確地確定檢波器的好壞.給出了測試儀的硬件和軟件設計，并進行了實驗.

在檢波器生產廠家實際考核近 60天，并與現有測試設備進行同等條件的對比測試.結果表明，本測試儀的平均相對誤差為 0.93%，最大重復性誤差為0.5,μV/Pa，符合設計要求.

［1］付小寧. 地震檢波器參數測試的現狀及動向[J]. 石油工業技術監督，2000，16(3)：30–31.

［2］易碧金. 地震儀器中地震道檢波器的測試原理和方法[J]. 物探裝備，1998，8(2)：6–9.

［3］孫宏軍，郭寶龍，程霖. 基于 ARM 的檢波器特性測量儀設計與實現[J]. 國外電子元器件，2007(10)：6–9.

［4］李淑清，趙耀，沈時強，等. 海洋檢波器性能測試儀信號源的設計[J]. 自動化與儀表，2009，24(1)：9–12.

［5］李晶皎，劉天華，丁言鎂. 液晶顯示器的C語言程序設計[M]. 北京：科學出版社，2005：73.

［6］陳冬云，杜敬倉，任柯燕. ATmega128單片機原理與開發指導[M]. 北京：機械工業出版社，2005：292–304.

Design and Implementation of Hydrophone Quick Tester

LI Shuqing，LIU Xinghua，LI Jianliang
(College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

A hydrophone quick tester was designed to detect the sensitivity of hydrophone ata certain frequency so as to ascertain its performance quickly. The quick tester mainly consists of a signal source module，a power amplifier module，a data acquisition module and a display module. ATmega128 was used as the main control chip of the quick tester，A/D converter chip AD7663 was used to design the data capture circuit，and the sensitivity can be displayed on the LCD real-time，so it is easy to observe. Test results show that the maximum deviation is 0.5,μV/Pa，and the average relative error of the test results against the nominal value is 0.93%. The testing result is accurate and repeatable.

quick tester；hydrophone；sensitivity

TP216

A

1672-6510(2012)02-0053-04

2011–08–28；

2011–11–10

天津市高等學校科技發展基金資助項目(20060622)

李淑清（1960—），女，黑龍江人，教授，lshq@tust.edu.cn.

常濤