水用檢波器快速測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李淑清，劉興華，李建良

(天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222)

水用檢波器快速測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李淑清，劉興華，李建良

(天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222)

為檢測(cè)水用檢波器在固定頻率的靈敏度，以便快速準(zhǔn)確地確定檢波器的好壞，設(shè)計(jì)了水用檢波器快速測(cè)試儀.測(cè)試儀主要由信號(hào)源模塊、功率放大模塊、數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換芯片AD7663進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將檢波器的靈敏度實(shí)時(shí)地顯示在液晶屏上，以便觀察.測(cè)試結(jié)果表明，快速測(cè)試儀的最大偏差為 0.5, μV/Pa，測(cè)試結(jié)果與標(biāo)稱(chēng)值的平均相對(duì)誤差為 0.93%.可見(jiàn)，快速測(cè)試儀的測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，且重復(fù)性較好.

快速測(cè)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(qū)勘探的發(fā)展，水用檢波器的應(yīng)用日益增多，生產(chǎn)水用檢波器的廠家也隨之增加，水用檢波器性能測(cè)試儀的需求量迅速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外勘探施工單位對(duì)水用檢波器的性能作定期測(cè)試分析的要求也越來(lái)越強(qiáng)烈[1].然而，目前使用的水用檢波器測(cè)試儀是進(jìn)行全頻測(cè)量，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，只能用于生產(chǎn)廠家的技術(shù)分析，不能應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)的快速檢測(cè).

目前對(duì)水聽(tīng)傳感器的測(cè)試一般采用耦合腔互易測(cè)量、壓電補(bǔ)償法、振動(dòng)液柱法、密閉腔比較法等幾種對(duì)比測(cè)量方法[2].其中密閉腔比較法裝置簡(jiǎn)單，校準(zhǔn)速度快，適用頻率范圍為1～3,000,Hz，用于測(cè)試聲壓靈敏度時(shí)，測(cè)量精度比用現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的振動(dòng)液柱法高[3].水用檢波器的實(shí)際測(cè)試頻率范圍在 5～600,Hz，所以宜采用密閉腔比較法來(lái)測(cè)試水用檢波器的靈敏度.

本文根據(jù)密閉腔比較法檢測(cè)方案設(shè)計(jì)了混音箱，研制了基于ATmega128單片機(jī)的高精度高速度的水用檢波器性能測(cè)試儀，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試.

1 結(jié)構(gòu)原理

測(cè)試系統(tǒng)主要由信號(hào)源模塊、功率放大模塊、混音箱、水用檢波器、數(shù)據(jù)采集模塊和液晶顯示模塊等部分組成.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 System architecture diagram

根據(jù)水用檢波器的工作原理，需要建立一個(gè)均勻壓力場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試.設(shè)計(jì)的混音箱是滿足均勻場(chǎng)條件的聲學(xué)壓力場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為聲場(chǎng))，采用兩端密閉的剛性圓桶模擬均勻場(chǎng)環(huán)境，圓管的一端為電動(dòng)式低頻揚(yáng)聲器，作為聲場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)源；另一端采用鋼性材料密封.

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)源設(shè)計(jì)

信號(hào)源包括信號(hào)發(fā)生器和功率放大器兩部分，產(chǎn)生推動(dòng)電–聲換能器的功率激勵(lì)信號(hào)[4].

信號(hào)發(fā)生器部分采用AD9850芯片產(chǎn)生正弦波.AD9850是最高時(shí)鐘為125,MHz、采用的CMOS技術(shù)的直接頻率合成器，可以產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈、頻率和相位都可以編程控制且穩(wěn)定性很好的模擬正弦波.

系統(tǒng)中，AD9850使用的時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于奈奎斯特采樣定理fDDS≤0.5,fc的要求，避開(kāi)了整數(shù)分頻點(diǎn)，也避開(kāi)了頻率高端性能的失真.

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

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

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用 AD7663.AD7663是一款16位的低功耗、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)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(gè)串行口.AD7663具有分辨率高、采樣速率高、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，在高速高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用.

由于水用檢波器輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)信號(hào)，因此采用AD620進(jìn)行電壓放大后作為AD7663的輸入，放大倍數(shù)可以通過(guò)可調(diào)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié).AD7663輸入信號(hào)的范圍配置為±2.5,V，其數(shù)據(jù)端口采用高速并行接口 D0～D15，包括一個(gè)基準(zhǔn)電壓、一個(gè)電壓跟隨器及供電電路等.數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)采集電路Fig.2 Circuit of data acquisition

選擇了高精度的 ADR421基準(zhǔn)電源為 AD7663提供2.5,V的模擬電壓基準(zhǔn)，并利用AD8031對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行跟隨處理，減少電壓波動(dòng)對(duì)采樣信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)，本測(cè)試系統(tǒng)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(nèi)置控制芯片 ST7920為中文圖形控制芯片，它是一種內(nèi)置128×64點(diǎn)陣的漢字/圖形的液晶顯示控制模塊.該芯片共內(nèi)置8,192個(gè)中文漢字(16×16點(diǎn)陣)、128個(gè)字符的 ASCII字符庫(kù)(8×16點(diǎn)陣)及 64×256點(diǎn)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(shè)計(jì)

采用 ICCAVR[6]軟件對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程.程序是整個(gè)檢波器測(cè)試儀軟件的一條主線，上電復(fù)位后檢波器測(cè)試儀首先執(zhí)行主程序.它的主要任務(wù)是識(shí)別命令、解釋命令并獲得轉(zhuǎn)入相應(yīng)服務(wù)程序的入口，以便完成相應(yīng)的功能.主程序引導(dǎo)檢波器測(cè)試儀進(jìn)入正常運(yùn)行，協(xié)調(diào)各部分軟、硬件有條不紊地工作，單片機(jī)系統(tǒng)主程序流程圖見(jiàn)圖4.

系統(tǒng)初始化完成硬件設(shè)備的初始化，用來(lái)分配寄存器并初始化，主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器、工作狀態(tài)寄存器等.信號(hào)源模塊的軟件編程就是要將外部輸入的數(shù)據(jù)變換成AD9850芯片所能接收的格式，并送出相應(yīng)的頻率、相位控制字，從而使 AD9850能產(chǎn)生相位、頻率可程序控制的正弦信號(hào).數(shù)據(jù)采集指對(duì)檢波器輸出電壓信號(hào)的采集.通過(guò) A/D轉(zhuǎn)換將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量，以便單片機(jī)進(jìn)行處理.數(shù)據(jù)處理是指對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)分析結(jié)果設(shè)置工作狀態(tài)寄存器及控制顯示模塊.液晶顯示是指根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

圖5為快速測(cè)試儀的面板圖.左側(cè)為液晶顯示界面，可以實(shí)時(shí)地顯示檢波器的靈敏度、測(cè)量頻率及測(cè)試儀的型號(hào).右側(cè)紅色按鈕為電源開(kāi)關(guān)，綠色和黃色按鈕可以補(bǔ)償靈敏度，分別為±0.5,μV/Pa.

圖5 面板實(shí)物圖Fig.5 Physical map of panel

選用固定頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，用快速測(cè)試儀對(duì)水用檢波器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試.其中，用快速測(cè)試儀對(duì) 15臺(tái)標(biāo)定過(guò)靈敏度的檢波器各進(jìn)行 5次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1.

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experiment results

由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本測(cè)試儀的重復(fù)性較好，最大重復(fù)性誤差為 0.5,μV/Pa.測(cè)試結(jié)果的平均相對(duì)誤差為 0.93%，其中 15號(hào)檢波器測(cè)試結(jié)果的相對(duì)誤差最大，為2.02%.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了水用檢波器快速測(cè)試儀，用來(lái)檢測(cè)水用檢波器在固定頻率的靈敏度，以便快速準(zhǔn)確地確定檢波器的好壞.給出了測(cè)試儀的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).

在檢波器生產(chǎn)廠家實(shí)際考核近 60天，并與現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備進(jìn)行同等條件的對(duì)比測(cè)試.結(jié)果表明，本測(cè)試儀的平均相對(duì)誤差為 0.93%，最大重復(fù)性誤差為0.5,μV/Pa，符合設(shè)計(jì)要求.

［1］付小寧. 地震檢波器參數(shù)測(cè)試的現(xiàn)狀及動(dòng)向[J]. 石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2000，16(3)：30–31.

［2］易碧金. 地震儀器中地震道檢波器的測(cè)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(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 國(guó)外電子元器件，2007(10)：6–9.

［4］李淑清，趙耀，沈時(shí)強(qiáng)，等. 海洋檢波器性能測(cè)試儀信號(hào)源的設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)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(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005：73.

［6］陳冬云，杜敬倉(cāng)，任柯燕. ATmega128單片機(jī)原理與開(kāi)發(fā)指導(dǎo)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)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(xué)校科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目(20060622)

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

常濤