一种传声器极化电压测量装置的设计

2023-12-18李耀祖张欢欢王双杰郭凯龙

电子设计工程 2023年24期

李耀祖，张欢欢，王双杰，郭凯龙

（1.杭州爱思维仪器有限公司，浙江杭州 311122；2.杭州爱华仪器有限公司，浙江杭州 311122）

传声器是将声信号转换成电信号的声电换能器，它有多种类型。其中电容传声器是指利用电容的变化工作的传声器，它具有接近理想传声器所要求的各种特性，因此，在精确的声学测量领域，大多采用电容传声器[1]。传声器极化电压是指加在电容式传声器振膜和极板之间的直流电压，是影响电容传声器的声压灵敏度的主要因素之一[2-3]，电压值一般为28 V、200 V。极化电压经过一个20～100 MΩ的高阻值电阻从声学测量仪器输出到传声器的前置放大器上[1]，因此具有很高的输出阻抗，无法用普通的电压表进行精确测量。在国家相关校准规范中，推荐采用一种间接的方法——补偿法，其主要步骤：将一个可调直流稳压电源的输出和待测极化电压的输出分别接至直流检流计的两端，直流稳压电源的输出端同时还接入电压表的输入端，调节可调直流稳压电源的输出电压使其接近于极化电压的标称值，然后仔细调节可调直流稳压电源的输出电压，使直流检流计的读数为零，此时电压表的示值即为极化电压的值。可以看出该测量方法需要多种仪器配合使用，操作也比较繁琐，对操作人员的要求较高。针对上述问题，设计了一种专用测量装置，以降低测量操作难度和设备复杂度，提高测量精度。

1 整体设计

设计的重点在于如何利用普通的低压电路实现对高压信号的阻抗变换和精确测量。系统的整体结构如图1 所示。

图1 整体结构

整体结构主要包括阻抗变换模块、直流电压表、MCU 采样控制模块、隔离电源模块、高压直流电源模块等。阻抗变换模块的核心电路是由普通的JFET-Input 运放组成的电压跟随电路，具有近似无穷大的输入阻抗。隔离电源模块为阻抗变换模块的运放电路提供正负电源，并在其0 V 输出端接入高压直流电源模块输出的参考电压VREF，能够相应地提高运放的共模工作电压而不改变其正负电源端的差模电压。MCU 采样控制模块用于监测直流电压表输入端的电压范围，并根据电压范围控制高压直流电源模块的工作状态和电压输出。

2 模块电路设计

2.1 阻抗变换模块

阻抗变换电路如图2 所示，其核心元件是一个JFET-Input 运放，型号选用TI 公司的经典型号TL082，采用双电源供电，最大供电电压为±15 V，该芯片由于采用JFET 输入结构，因此具有很高的输入阻抗，可达1 000 GΩ[4]。运放的输入端串联一个高阻值的电阻R10，当输入信号的电压超过运放的输入电压范围时，可保护运放的输入端。运放的输出与负输入端相连，组成一个电压跟随电路，进一步增大了运放电路的输入阻抗，因此，该电路的输入阻抗可视为无穷大[5-6]，消除了极化电压的高输出阻抗的影响。由于电压跟随电路的输出阻抗很低，其输出端接普通的直流电压表即可[7-9]。

图2 阻抗变换电路

2.2 隔离电源模块

在运放电路中，运放输入输出的电平范围只能位于供电电压之间，以TL082 运放为例，输入输出信号的电平范围必定只能在-15～15 V 之间，远达不到极化电压的电压范围。图3 是为解决这个问题而设计的电路，主要采取两种措施：运放采用双路隔离电源模块供电，输出±15 V；隔离电源模块的0 V 输出参考端接入一个参考电压VREF。

图3 隔离电源电路

如此，隔离电源模块相对于GND 的输出电压变为VREF+15 V～VREF-15 V。如当VREF 的值为200 V 时，运放的输入输出信号的电平范围提高到185～215 V 之间，同时，运放的正负电源端的电压差仍然为30 V，不影响运放的正常工作。因此使用普通的低压运放电路即可以完成对200 V 极化电压的阻抗变换。这里隔离电源模块的型号选用金升阳公司的WRA1215S-1WR2 模块电源，实现隔离稳压正负双路输出，最大输出功率1 W，可满足设计的要求[10]。

2.3 高压直流电源模块

极化电压的标称值通常为200 V、28 V 和0 V，故高压直流电源模块的输出也需要设置成这三个电压选项，由MCU 采样控制模块控制。高压直流电源模块电路如图4 所示，核心元件仍采用金升阳公司的模块电源，型号为HO1-P401V-5C，采用非隔离单路稳压输出，输出电压线性连续可调，最高可达400 V，具有极低的输出纹波、时漂和温漂，有使能管脚，是金升阳公司专门针对板上电源系统中需要产生高电压并且对输出纹波要求高、对输出电压稳定性要求高的应用场合而设计的成熟产品[11]。R4、R5用于调节输出电压，C8用于降低输出纹波，使输出稳定在200 V[12]。R14、R15分压产生28 V 电压，和200 V 一起接入继电器的管脚，由MCU 通过控制HV_SL 的电平来选择需要接通的电压。当MCU控制HV_EN使模块电源处于关断状态，且VREF接通28 V输出端，VREF输出为0 V。

图4 高压直流电源模块电路

2.4 MCU采样控制模块

为了适应实际使用时获得不同的极化电压输入值，系统还设计有MCU 采样控制模块。MCU 最小系统部分的电路不再详述，简化后的电路如图5 所示。阻抗变换电路的输出通过R17、R18两个电阻分压，信号幅度缩小为原来的1/100 后接入MCU 的ADC 输入管脚，MCU 再对输入信号的电平进行采样、监测。同时C9对分压后的信号进行滤波，保证采样的精度[13-14]。MCU 根据采样信号的电平值来判定待测极化电压的取值范围，再通过HV_SL、HV_EN控制高压直流电源模块输出合适的参考电压VREF。此外MCU 还控制一个绿色LED 和一个红色LED，正常工作时点亮绿色LED，异常时点亮红色LED。具体的软件工作流程后续会详细介绍。

图5 MCU采样控制简化电路

2.5 PCB设计

在相对湿度较高的环境中，绝缘材料易受潮，其表面吸附的水分随湿度增加而增大，使绝缘材料的整体绝缘性能及耐压强度下降。阻抗变换电路的输入阻抗也必然会受到影响，进而影响测量结果[15-16]。预防的方法为在PCB 设计时对运放芯片的信号输入管脚区域做架空设计，使对应的管脚在焊接时不与PCB接触[17]。局部的输入管脚架空设计图如图6所示。

图6 输入管脚架空设计

3 嵌入式软件设计

在图2 的电路中，运放的输出幅值只能在VREF±15 V 范围内上下浮动，且极化电压的值相对固定，根据此特性，可以对运放输出的电压进行监测，根据监测电压与当前VREF 的差值ΔU，可以判断当前的输入电压是否正常，同时还可以判断VREF的设置是否合适。如不合适，则需要更改VREF的值。

在默认状态下，VREF 输出为200 V，如MCU 监测到的电压值U也为200 V 左右，则说明系统工作正常；如ΔU>10 V，说明输入电压值超过210 V，此时应点亮红色LED，指示输入异常；如ΔU<-10 V，说明输入电压值低于190 V，此时应将VREF 的输出设置为28 V；类似的，此时如MCU 监测到的电压值U也为28 V 左右，则说明系统工作正常；如ΔU>10 V，说明输入电压值超过38 V，此时应点亮红色LED；如ΔU<-10 V，说明输入的极化电压值低于18 V，此时应将VREF 的输出设置为0 V。嵌入式软件运行流程如图7 所示。