一種傳聲器極化電壓測量裝置的設計

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，在精確的聲學測量領域，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。極化電壓經過一個20～100 MΩ的高阻值電阻從聲學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行精確測量。在國家相關校準規范中，推薦采用一種間接的方法——補償法，其主要步驟：將一個可調直流穩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，直流穩壓電源的輸出端同時還接入電壓表的輸入端，調節可調直流穩壓電源的輸出電壓使其接近于極化電壓的標稱值，然后仔細調節可調直流穩壓電源的輸出電壓，使直流檢流計的讀數為零，此時電壓表的示值即為極化電壓的值。可以看出該測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，設計了一種專用測量裝置，以降低測量操作難度和設備復雜度，提高測量精度。

1 整體設計

設計的重點在于如何利用普通的低壓電路實現對高壓信號的阻抗變換和精確測量。系統的整體結構如圖1 所示。

圖1 整體結構

整體結構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，能夠相應地提高運放的共模工作電壓而不改變其正負電源端的差模電壓。MCU 采樣控制模塊用于監測直流電壓表輸入端的電壓范圍，并根據電壓范圍控制高壓直流電源模塊的工作狀態和電壓輸出。

2 模塊電路設計

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 輸入結構，因此具有很高的輸入阻抗，可達1 000 GΩ[4]。運放的輸入端串聯一個高阻值的電阻R10，當輸入信號的電壓超過運放的輸入電壓范圍時，可保護運放的輸入端。運放的輸出與負輸入端相連，組成一個電壓跟隨電路，進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，遠達不到極化電壓的電壓范圍。圖3 是為解決這個問題而設計的電路，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 的輸出電壓變為VREF+15 V～VREF-15 V。如當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，實現隔離穩壓正負雙路輸出，最大輸出功率1 W，可滿足設計的要求[10]。

2.3 高壓直流電源模塊

極化電壓的標稱值通常為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，采用非隔離單路穩壓輸出，輸出電壓線性連續可調，最高可達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中需要產生高電壓并且對輸出紋波要求高、對輸出電壓穩定性要求高的應用場合而設計的成熟產品[11]。R4、R5用于調節輸出電壓，C8用于降低輸出紋波，使輸出穩定在200 V[12]。R14、R15分壓產生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MCU控制HV_EN使模塊電源處于關斷狀態，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

為了適應實際使用時獲得不同的極化電壓輸入值，系統還設計有MCU 采樣控制模塊。MCU 最小系統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行采樣、監測。同時C9對分壓后的信號進行濾波，保證采樣的精度[13-14]。MCU 根據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會詳細介紹。

圖5 MCU采樣控制簡化電路

2.5 PCB設計

在相對濕度較高的環境中，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，進而影響測量結果[15-16]。預防的方法為在PCB 設計時對運放芯片的信號輸入管腳區域做架空設計，使對應的管腳在焊接時不與PCB接觸[17]。局部的輸入管腳架空設計圖如圖6所示。

圖6 輸入管腳架空設計

3 嵌入式軟件設計

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

在默認狀態下，VREF 輸出為200 V，如MCU 監測到的電壓值U也為200 V 左右，則說明系統工作正常；如ΔU>10 V，說明輸入電壓值超過210 V，此時應點亮紅色LED，指示輸入異常；如ΔU<-10 V，說明輸入電壓值低于190 V，此時應將VREF 的輸出設置為28 V；類似的，此時如MCU 監測到的電壓值U也為28 V 左右，則說明系統工作正常；如ΔU>10 V，說明輸入電壓值超過38 V，此時應點亮紅色LED；如ΔU<-10 V，說明輸入的極化電壓值低于18 V，此時應將VREF 的輸出設置為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 調試及測試結果

在樣機組裝調試時，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過PCB，使用絕緣導線代替，可有效避免環境濕度的影響。

為了驗證設計的效果，對制作的樣機進行了測試，測試方法如圖8 所示。可調電源模塊串接一個高阻值電阻模擬待測的極化電壓，調節電源模塊的輸出，使輸出值分別為18、28、38、190、200、210 V，同時記錄數字萬用表和測試樣機的數值。

圖8 測試方法示意圖

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

表1 測試數據

5 結論

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，設計了一個極化電壓專用測量裝置，具有操作簡便、測量準確、成本較低的特點，可應用于聲學測量放大器、聲級計等精密聲學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。