如何設計便攜式超聲波水聲聲壓計

　　系統設計
　　設計目標要求:實現15-45kHz超聲波聲壓、聲強的測量。測量的范圍是0-10個大氣壓(或聲壓級范圍：30-120dB)。測量的誤差為在總體的頻率范圍內大小3dB,對單一頻率小于1dB。
　　CS-3型水聽器的特性是在10-100kHz,其M參數的不一致性小于3dB。M參數是指水聽器受單位聲壓的作用而產生的輸出電壓,單位是V/Pa。用分貝表示的M參數是：
M(dB )=20log(M/Mo),其中Mo為參考聲壓Mo=1V/礟a。
聲強I=P2 /(r*C),其中P為聲壓,C為聲速,r為密度。
　　為滿足設計的目標,需進行測量誤差分析。
　　對應于在為30-120dB的聲壓級,在流體中的聲強為：I=P*V*cosy
　　自由場中聲強為：I=P2/(r*C)
　　聲強級的表達式為：I=10log(I/Io)
　　其中Io為10-12 (W/m2),在自由聲場中聲壓級與聲強級近似相等。
　　從而可得出(在近似測量中)聲強級的不一致性對應于M參數的不一致性小于3dB。
　　從而得出：不必進行頻率校正,聲壓、聲強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現。跟隨、放大、濾波、峰值和頻率檢測,產生誤差主要在濾波、峰值和頻率檢測。我們所設計的濾波通帶不穩定度為1dB、峰值檢測的誤差小于1dB,但通過進行頻率的檢測,和時間的平均,進行軟件和硬件的補償可以使誤差較好的滿足要求。
　　根據上面的分析,考慮到超聲波測量的特點,系統框圖示于圖1。其中預加重考慮隔直和系統頻率特性。

圖1 系統框圖

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現,也可通過開關來實現測量范圍的轉換。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算聲壓的原始數據,頻率為提供頻率數據和進行聲壓計算的頻率校正。
　　帶通濾波電路
　　考慮系統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行設計。帶通由高通和低通級聯實現。
　　考慮具體的要求截至頻率定為10kHz。取高通的階數為5,低通的階數為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現峰值檢波的電路。
　　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,因而增加了接口轉換電路(圖4)。

圖3 峰值檢波電路

圖4 過零檢測電路

系統接口
　　本系統用TI公司MSP430微控制器的P6端口的12位A/D轉換進行峰值測量,利用P1口的定時捕獲/比較進行頻率測量。在MSP430硬件的設計上提供晶振、復位、時鐘電路以及JTAG,完成整體設計。根據硬件,設計相關的軟件進行聲壓測量。
　　結語
　　本聲壓計的設計采用了功耗極低的MSP430微控制器,用簡單和便宜的集成運放和比較器實現較為復雜的超聲波的信號調理電路設計,滿足了設計的要求。

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