信號發(fā)生器在電子實驗中作為信號源，通常用得多的是正弦波、三角波、方波以及用作觸發(fā)信號的脈沖波。本次制作的是能產(chǎn)生九種波形的信號發(fā)生器。

　　設(shè)計目標是簡單易制、工作可靠、信號頻率在音頻范圍連續(xù)可調(diào)，即20Hz～20KHz，輸出信號電壓能與TTL電平兼容。

　　電路中采用了兩塊CMOS數(shù)字集成電路74C04（內(nèi)含六個反相器）和74C14（內(nèi)含六個帶施密特電路的反相器）。

　　電路見圖1，由反相器IC1的a、b、c三個并連，和電阻W1+R1、電容C1、C2、C3構(gòu)成振蕩器以產(chǎn)生三角波，振蕩頻率計算公式為f=1/1.7RC。振蕩頻率分為×10、×100、×1k三段、用開關(guān)K2改變接入的電容量粗調(diào)頻率，由電位器W1細調(diào)20~200Hz、200~2kHz、2k~20kHz，覆蓋音頻頻段。三角波經(jīng)射極跟隨器T2輸出，約3VP-P。此三角波經(jīng)施密特觸發(fā)器IC2a整形為方波，再經(jīng)IC2b~f并聯(lián)輸出（多個門電路并聯(lián)以提高驅(qū)動能力），其電平兼容TTL。IC1d、IC1e~f構(gòu)成兩級線性放大器，用于將三角波整形為模擬正弦波，原理是利用放大器飽和將三角波的尖端限幅為圓形，再經(jīng)射極跟隨器T1輸出，約6.5VP-P。當波形選擇開關(guān)K3將電阻R2和二極管D1或D2接入電路時，輸出的方波被整流為正電壓或負電壓加到三角波發(fā)生器的輸入端，構(gòu)成壓控振蕩器（VCO），從而獲得極性不同的鋸齒波或脈沖波，脈沖寬度取決于電阻R2和積分電容的大小。如此構(gòu)成一個實用的多波形信號發(fā)生器，開關(guān)K3是波形選擇開關(guān)，其位置與波形的關(guān)系見附表。

　　積分電容C1、C2、C3選用溫度特性好的薄膜電容，容量值要求準確，每組電容器由兩個電容器并聯(lián)以得到需要的數(shù)值，需用數(shù)字萬用表的電容檔精選，才能保證三條頻率刻度的—致性。電容C4、C5一定要用無極性電容，可用兩個4.7μ有極性電介電容同極性串連代替。電容C6、C7用鉭電介。圖1中未注明電壓的電容器均選用50V。頻率細調(diào)電位器W1選用金屬殼全密封碳膜電位器，最好選用阻值變化為線性（即型號后綴帶有“X”）的。開關(guān)K2、K3選用小型—刀三位波段開關(guān)。9V直流穩(wěn)壓電源選用小電流的三端穩(wěn)壓集成電路78L09。六施密特觸發(fā)器74C14也可用HEF40106直接代換。

　　由于采用低耗電的C-MOS電路，本機也可用9V積層電地供電。

　　電路制作完成后需要調(diào)整的只有正弦波形。有示波器時可在示波器監(jiān)視下調(diào)整微調(diào)電阻W2、W3，使波形最接近正弦波；無示波器時，可將正弦波輸出接到家用音頻功放的輸入端，頻率調(diào)整到數(shù)百周，調(diào)W2、W3使聲音最悅耳即可。

　　制作難點是面板上的頻率刻度盤的繪制及校準。下面詳細介紹：

　　讀數(shù)標尺的制作：

　　讀數(shù)標尺與頻率細調(diào)電位器W1的旋鈕為—體。選擇一塊無劃痕的透明板（如薄有機玻璃板或CD盒蓋），接圖2裁取—塊，其長度以面板能容納的半徑為限（長些為好），作為標尺，經(jīng)過圓心用針尖刻一直線槽，在槽中涂上紅色墨水，形成一條紅線，作為讀數(shù)標線；用502膠水或AB雙管膠將標尺與旋鈕底面對接粘合。

　　刻度校準：

　　用AUTOCAD或CAXA制圖軟件，作一直徑約100mm的圓（直徑大些，繪圖時易于估計小數(shù)），點擊“等分弧”，將圓周分為100等分，打印兩份（當然也可手工用圓規(guī)和量角器完成此工作）。將其中一份按標尺長度為半徑裁剪—個圓，臨時粘合到面板上W1位置。將帶標尺的旋鈕固定到W1軸上，根據(jù)標線確定W1旋轉(zhuǎn)的起點和終點位置，一般電位器旋轉(zhuǎn)范圍為0~253度，在繪制的等分圓周上約0~70.4格。

　　打開發(fā)生器電源，讓其工作一段時間預熱穩(wěn)定。將頻率粗調(diào)開關(guān)K2置“×100擋”、波形選擇開關(guān)K3置“1”檔，在方波輸出端接上數(shù)字萬用表的“測頻率檔”，從“0”開始旋轉(zhuǎn)W1，在頻率的整數(shù)位記下標線指示的刻度值（如1KHz，17.3格等）并列出表格；在K3的另外兩擋位重復上面工作。

　　繪制頻率刻度：

　　利用上面測繪的三個刻度表，在繪圖軟件窗口畫出各刻度線。如果無條件使用計算機繪圖，可利用繪制的等分圓周圖和透明直尺手工繪制出三條頻率刻度。

　　將繪制的刻度盤粘合到面板上相應(yīng)位置。在K3的各檔位測試一遍刻度與輸出頻率的對應(yīng)關(guān)系，你會發(fā)現(xiàn)，如果電容C1、C2、C3的數(shù)值準確的話，各檔刻度與輸出頻率基本吻合，完全能滿足業(yè)余使用的要求。至此，這臺多波形發(fā)生器就完成了。

二、基于AMR技術(shù)的智能水表方案

　　隨著人類社會不斷的發(fā)展，作為不可替代的自然資源--水資源也開始面臨著種種問題和危機。人口的增長、工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，使得人類對水的需求逐年增加。無序的開發(fā)和環(huán)境的污染更加重了水資源的危機。曾經(jīng)的藍色星球也變得越來越饑渴。各國政府和組織都相繼制定政策和法規(guī)力圖建立節(jié)水型社會體系。一系列的節(jié)水措施給水表制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來機遇，同時也提出了挑戰(zhàn)。

　　目前國內(nèi)水表的種類很多，按照測量原理可以分為速度式水表和容積式水表，按照結(jié)構(gòu)和技術(shù)可分為純機械式，帶電子裝置的混合式和全固態(tài)電子式水表。因為成本的原因，純機械式和混合式占據(jù)了國內(nèi)水表市場的絕大多數(shù)。但隨著計量技術(shù)的發(fā)展，也日益暴露出很多問題：

　　始動流量大，也就是靈敏度差

　　漏損率高

　　穩(wěn)定性差

　　性能低，量程比小，特別是小流量精度差

　　功耗高，使用壽命短等

　　2008年，我國從水資源管理的實際需求出發(fā)，并考慮與國外先進標準接軌，全面提升水表產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平，發(fā)布了等同采用ISO4064－2005 《封閉滿管道中水流量的測量 飲用冷水水表和熱水水表》的GB/T 778－2007國家標準，對水表流量值和量程比重新做了規(guī)定。傳統(tǒng)的機械式水表往往因為系統(tǒng)材料、機械加工等原因，大多量程比不高，要實現(xiàn)新標準要求的更高量程比的水表，往往需要非常長的設(shè)計、測試和標定周期，往往造成更多的資金、人員和時間的投入。而新的計量技術(shù)例如超聲波和電磁感應(yīng)等往往因為器件、生產(chǎn)成本等因素只能適用于特殊的場合，無法大規(guī)模的應(yīng)用于普通電子水表中。

　　如何在保持現(xiàn)有基表設(shè)計的基礎(chǔ)上設(shè)計出更高計量參數(shù)的水表也現(xiàn)實地擺在水表行業(yè)面前。EPSON結(jié)合自身電子元器件特點和感檢測技術(shù)，最新推出了完整的超低功耗電子水表解決方案，很好的解決了以上種種問題。該方案仍然采用普通的速度式水表基表部分，取消了傳統(tǒng)計數(shù)齒輪和磁簧開關(guān)等易損部件，采用了非接觸式各向異性磁阻傳感器（AMR）來檢測葉輪轉(zhuǎn)動，大大提高了流量檢測的靈敏度；在軟件補償算法的配合下，計量特性有了實質(zhì)性的提高；使得高量程比、高精度的電子水表成為可能。

　　Energy Saving作為EPSON電子元器件的最重要的設(shè)計理念，也體現(xiàn)在這款電子水表方案中。無論是專用處理器和各向異性磁阻傳感器（AMR）都采用低功耗設(shè)計生產(chǎn)技術(shù)，特別針對電池供電系統(tǒng)。

　　方案框圖如圖所示：

　　水量檢測通過安裝在葉輪轉(zhuǎn)動軸上的磁鐵隨著水流旋轉(zhuǎn)，在周邊產(chǎn)生方向周期性變化的磁場，放置在磁鐵上方的各向異性磁阻傳感器（AMR sensor）將磁場變化信號轉(zhuǎn)變成電信號，交由專用處理器進行計量、錯誤檢測等處理、并將結(jié)果通過液晶或脈沖輸出。

　　除了一般流量統(tǒng)計外，專用處理器還支持多種檢測模式，例如瞬時流速、滴漏檢測，水流倒轉(zhuǎn)等附加功能，為流量的實時檢測、實時控制提供了便利。水流方向的設(shè)置，即使水表倒裝，也可以正常統(tǒng)計反轉(zhuǎn)流量； 檢測周期的設(shè)置，讓開發(fā)者有更靈活的檢測精度和功耗管理的選擇。

　　AMR傳感器一般由硅或玻璃基板上覆以鐵磁體合金材料的薄膜構(gòu)成。薄膜電阻值隨著外加磁場的強度和方向而變化，因此被稱為各向異性磁阻傳感器（Anisotropic Magnet Resistance），當外界磁場方向垂直于電流方向時（90°。270°），電阻變化最大，外界磁場方向平行于電流方向時，電阻變化最??；根據(jù)這個特性，將磁場方向轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓?，進而轉(zhuǎn)化為電壓的變化，最終由微處理器來分析處理。

　　相比于目前傳統(tǒng)的電子水表，EPSON的電子水表方案具有如下明顯的優(yōu)勢：

　　流量測量性能/功能提高

　　方案中采用的一顆AMR傳感器芯片采用小型的SOP8封裝，內(nèi)部集成了兩組全橋 磁阻網(wǎng)絡(luò)，互呈45度角放置， AB兩相輸出為相位差90度的正弦/余弦信號，每一相都采用差分輸出方式（+Sine， -Sine， +Cosine， - Cosine），這有助于消除同相噪聲帶來的誤差，

　　決定水表計量精度主要有兩個主要因素：

　?。保畟鞲衅鳒蚀_感應(yīng)基表葉輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)

　?。玻恳蝗α鬟^的水量

　　由于采用磁阻檢測計量，減少了傳統(tǒng)電子水表必需的多個計數(shù)齒輪，簡化了機械運動部件的設(shè)計，減小了葉輪的負載，對小流速水流提高了檢測靈敏度，提升了水表始動流量檢測的性能；A，B輸出連續(xù)的波形，根據(jù)相位差最小可以檢測到葉輪1/8周的轉(zhuǎn)動，并依據(jù)特定相位差的時間序列可以用于水流方向的檢測和計量，對于葉輪抖動或其它因素造成的異常時間序列可以予以篩除，提高了圈數(shù)統(tǒng)計的準確性，特別是小水流情況下的測量精準度。

　　一般來說，水表在不同流速下的誤差是不同的（高流速誤差小、低流速誤差大），該方案由于可以測量水表當前的流速，可以通過對不同流速的誤差進行軟件修正和補償，由于涉水部分機械運動部件簡單，測量的重復性好，配合計量標定過程，在機械結(jié)構(gòu)基本不變的前提下，大大提高了水表水量檢測的準確度等級。

　　另外方案還可以支持多種滴漏，水流反向等檢測功能，為遠程控制提供了必要的技術(shù)手段。

　　系統(tǒng)簡單，高度集成，外圍器件少，可靠性提高

　　除了傳統(tǒng)的機械部分外，系統(tǒng)主要的元器件為專用處理芯片S1C17M01和AMR傳感器芯片。專為流量檢測設(shè)計的S1C17M01 內(nèi)部集成AMR控制器，包括模擬前端（AFE），帶磁滯功能的比較器，相位/圈數(shù)計數(shù)器等功能電路，可以直接連接AMR傳感器毫伏級輸出，減少了以往多個外圍分離器件；豐富的周邊電路包括128段液晶驅(qū)動器，定時器、實時時鐘、低電壓檢測，R/F轉(zhuǎn)換器，多種串行接口等，可以方便的連接段碼液晶，溫度傳感器，外部存儲，通信模塊等器件。

　　因為采用非接觸的磁場檢測技術(shù)，避免了傳統(tǒng)機械/磁簧開關(guān)使用壽命和抗震動和碰撞的問題；將兩個全橋磁阻電路集成于一體，避免的分離模式下器件組裝的一致性問題；采用普通的鐵氧體材料的磁鐵，使用壽命得到了保證等等，所有這些都大大提高了系統(tǒng)設(shè)計的可靠性和穩(wěn)定性，同時也降低了開發(fā)和制造成本。

　　極低的系統(tǒng)功耗和電源管理更適合電池供電系統(tǒng)

　　不同與電表的設(shè)計，水表往往因為環(huán)境的限制，無法采用有源供電的方式。如何降低整機功耗，使用盡可能小的電池保證6－8年的使用壽命也一直困擾著水表的設(shè)計者。憑借著多年在低功耗產(chǎn)品設(shè)計積累的技術(shù)和經(jīng)驗，EPSOＮ從一開始就關(guān)注方案整體的功耗，特別設(shè)計的專用處理器和選擇的低功耗傳感器，使系統(tǒng)整體工作電流在40rps轉(zhuǎn)速的情況下僅為6.5uA， 無水流時系統(tǒng)工作電流更低至2uA（包括傳感器功耗在內(nèi)），

　　在保證水表使用壽命的前提下，設(shè)計者可以采用更小更低成本的電池。

　　完整的設(shè)計支持

　　處理提供元器件方案外，EPSON還提供完整的流量檢測軟硬件參考設(shè)計。包括累計流量，瞬間流量，過大流量檢測，逆流檢測，滴漏檢測，未使用檢測，電壓檢測，脈沖輸出等基本功能，用戶簡單設(shè)置幾個參數(shù)就可以完成，并可以以此為基礎(chǔ)定制出更多更復雜的計量功能。

　　該方案還可以應(yīng)用于其他流量檢測的場合，例如氣表、熱量表中。如果對該方案感興趣，需要更詳細的產(chǎn)品和方案信息，請聯(lián)系EPSON各地分公司電子元器件部門。

基于GP21+EFM32的超低功耗超聲波熱量表#e#

三、基于GP21+EFM32的超低功耗超聲波熱量表

　　隨著生活質(zhì)量的提高人們對于居住舒適度的要求，我國北方地區(qū)的樓宇建設(shè)都將普遍推廣熱量表到戶，用于冬天的暖氣供應(yīng)。自從2009年起，我國北方進行了供熱改革，至今已卓見成效。預計未來幾年按熱量計費將是北方供暖改革的重要方向。而熱量表更是供熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它負責熱量的計算、記錄和數(shù)據(jù)傳送工作。超聲波熱量表由于其測量方式無接觸部件，且具有低壓降、低能量消耗、測量精度高的優(yōu)勢，所以它正在逐漸取代機械式的熱量表，成為北方供熱供暖計量方案的首選。

　　基于Energymicro公司的32位Cortex-M3內(nèi)核的超低功耗微控制器EFM32與ACAM公司的高集成度TDC-GP21芯片推出的超聲波熱量表方案，能夠充分發(fā)揮EFM32的超低功耗與高運算能力的特點及GP21高精度的測量能力，它將成為超聲波熱量表方案中的最優(yōu)之選。

　　系統(tǒng)框架

　　圖 1所示，超聲波熱量表包括超低功耗微控制器EFM32TG840F32、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP21（熱敏電阻PT1000、超聲波換能器）、LCD顯示液晶屏、操作按鍵、紅外通信電路及MBUS通信電路。整個系統(tǒng)由3.6V鋰電池供電，考慮到TDC-GP21的供電電壓將電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。

　　圖 1 超聲波熱量表方案框圖

　　硬件設(shè)計

　　1、主控及顯示部分

　　超聲波主控MCU采用EFM32TG840F32，它是基于ARM公司的32位Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計而來，對比于傳統(tǒng)的8位、16位單片機，它具有更高的運算和數(shù)據(jù)處理能力，更高的代碼密度，更低的功耗。實際數(shù)據(jù)顯示，EFM32TG840在執(zhí)行32位乘法運算僅需4個內(nèi)核時鐘周期，32位除法運算僅需8個內(nèi)核時鐘周期，而相應(yīng)熱表上運用的16位單片機卻分別需要50和465個時鐘周期。而恰恰在時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21上采集得到的數(shù)據(jù)均是32位長度，因此在運算和熱量計算時均是32位的數(shù)據(jù)運算?？梢姡捎肊FM32TG840可以讓超聲波熱量表有更好的運算性能，從而使得整機可以縮短處在運行計算狀態(tài)狀態(tài)，達到降低運行功耗的效果。

　　EFM32TG840具有EM0-EM4共5種低功耗模式。在EM2的低功耗模式下，微控制器仍可實現(xiàn)RTC運行，LEUART、LETIMER及LESENSE的通信或控制功能，而功耗僅需900你A。而且它具有靈活的喚醒方式和自主工作的PRS系統(tǒng)，可以由外部I/O、I2C通信接口、LEUART通信信號等等方式喚醒。

　　EFM32TG840集成了8×20段的LCD驅(qū)動器，滿足直接驅(qū)動超聲波熱量表液晶屏的需求，而功耗僅為550nA。EFM32TG840的LCD驅(qū)動器內(nèi)部集成電壓升壓功能和對比度調(diào)節(jié)功能，可實現(xiàn)在芯片內(nèi)部VCMP電壓比較器監(jiān)控VDD電壓，分等級開啟LCD升壓及對比度調(diào)節(jié)，達到LCD的現(xiàn)象效果良好，即使系統(tǒng)電池隨著使用時間增加出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)象。

　　圖2 主控MCU及顯示電路（點擊查看大圖）

　　EFM32TG840的I/O可以設(shè)置為低功耗模式喚醒及GPIO中斷模式，因此外部操作按鈕可以在低功耗條件下實現(xiàn)交互控制動作。

　　2、TDC-GP21超聲波采集部分

　　TDC-GP21是德國ACAM公司在2011年11月底推出的新一代專門針對超聲波熱量表檢測計量所用的數(shù)字時間轉(zhuǎn)換器。TDC-GP21芯片采用QFN32封裝，除了具備TDC-GP2的功能外，還額外集成了超聲波熱量表所需要的信號處理模擬部分，例如模擬開關(guān)以及低噪聲斬波穩(wěn)定（自動進行溫度電壓校正）模擬信號比較器。TDC-GP21溫度部分集成了施密特觸發(fā)器，可直接接上溫度傳感器和參考電阻，就可以進行高精度的測量，測量的性能遠遠超過熱量表所需的要求。7x32bit的EEPROM單元，可用于存儲熱量表整表的ID信息及配置寄存器信息。

　　TDC-GP21需要兩個供電電壓，分別是核心電壓VCC和I/O電壓Vio，在本方案中采用了ACAM推薦的兩個供電電壓使用相同的電壓源進行供電，并增加去耦雙通道濾波電路以達到降低系統(tǒng)噪聲的效果。其他部分電路例如換能器、PTC電阻的連接以及晶體的接法均采用原廠提供的官方參考電路進行搭建。在時鐘方面TDC-GP21將輸出32.768KHz時鐘，為EFM32TG840F32提供低頻時鐘，可節(jié)省主控MCU的低頻晶振。

　　圖3 TDC-GP21電路圖（點擊查看大圖）

　　3、MBUS通信部分

　　超聲波熱量表通過MBUS（Meter Bus）總線通信進行自動抄表?，F(xiàn)場的熱量表可通過MBUS將數(shù)據(jù)上傳到集中器，然后由集中器或再上一級集中器將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或無線GPRS通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓┡行牡暮笈_，進行計費及管理。本方案中采用TI公司的MBUS芯片為TSS721A。TSS721A是一種用于儀表總線的收發(fā)器集成芯片，其內(nèi)含接口電路可以調(diào)節(jié)儀表總線結(jié)構(gòu)中主從機之間的電平，同時該收發(fā)器可由總線供電，對從機不增加功率需求，總線可無極性連接。TSS721A的連接電路如圖4所示。

　　圖4 TSS721A連接電路

　　4、紅外通信部分

　　根據(jù)《CJ/T 188-2004》技術(shù)規(guī)范文檔，超聲波熱量表紅外通信采用38KHz的載波對通信數(shù)據(jù)進行調(diào)制且有效通信距離大于2m，選用波長為940nm的紅外發(fā)射管與接收管。供熱管理人員可以使用手持紅外抄表設(shè)備對超聲波熱量表進行抄表。紅外通信電路如圖5所示。

　　圖5 紅外通信電路

　　軟件設(shè)計

　　超聲波熱量表方案的軟件部分可以劃分為3個部分：TDC-GP21的檢測計量部分、紅外及MBUS的抄表通信部分、按鍵液晶屏的顯示交互部分。

　　針對TDC-GP21的檢測計量軟件部分可參考ACAM官方提供技術(shù)文檔，它提供了TDC-GP21在單次采集的軟件配置及實現(xiàn)過程。熱量表通過計算超聲波上游和下游的時間差，進而通過公式計算得到流量，然后通過對PT1000的測量和計算可以采集得到進水口熱水與出水口冷水的溫度差。最終通過熱量熵積分Q=cmΔt，計算得到熱量的值。而在實際采集當中，為了更精確的熱量計算值，軟件設(shè)計者可對非線性參數(shù)增加相應(yīng)的補償處理。

　　對于熱量表的通信抄表部分的軟件設(shè)計，軟件設(shè)計者在實現(xiàn)的紅外與MBUS的底層串行通信后，可參考《CJ 188-2004 戶用計量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》上所要求的抄表命令、抄表通信數(shù)據(jù)幀格式、抄表應(yīng)答數(shù)據(jù)要求進行相應(yīng)的軟件編寫。

　　熱量表的人機交互軟件部分主要是根據(jù)用戶的按鍵操作實現(xiàn)對應(yīng)的查詢數(shù)據(jù)的顯示。對于EFM32TG840的液晶屏控制器底層驅(qū)動，軟件設(shè)計者控制起來非常方便，在執(zhí)行完LCD控制器的初始化后，向?qū)?yīng)的SEG段寄存器操作對應(yīng)的數(shù)據(jù)位，即可將液晶屏上對應(yīng)的段碼點亮顯示。綜合段碼顯示內(nèi)容及用戶操作即可實現(xiàn)交互部分的軟件設(shè)計。

　　方案優(yōu)勢

　　基于EFM32TG840與TDC-GP21實現(xiàn)的超聲波熱量表方案具有的優(yōu)勢包括：

　　1、相對于傳統(tǒng)的8位、16位單片機，EFM32TG840以Cortex-M3為內(nèi)核，具有更強運算處理能力，使整表的性能得到提升；

　　2、EFM32TG840與TDC-GP21均具有低功耗的優(yōu)勢，綜合使得整機的功耗更低，增長熱量表的電池壽命，間接降低了整表對于電池的需求成本；

　　3、EFM32TG840集成了LCD控制器、RTC，以及它的Flash可用于數(shù)據(jù)存儲功能，使得整體方案的外圍元件減少，降低方案成本。

　　總結(jié)

　　綜述上文，以EFM32TG840為主控MCU，TDC-GP21為關(guān)鍵檢測元器件而設(shè)計的超聲波熱量表，充分地發(fā)揮了EFM32TG840的高性能、低功耗、良好集成度的特點，結(jié)合了數(shù)字時間轉(zhuǎn)換器TDC-GP21的高精度、低功耗的優(yōu)勢，使得它將成為供暖系統(tǒng)熱計量部分的最佳選擇。

四、微波探測聲音方法的實現(xiàn)

　　微波在現(xiàn)實生活中有多種用途，例如：微波通信、微波雷達、微波測速等。本文介紹一種以微波作為載波來實現(xiàn)探測聲音的實驗方法，并且在實驗室進行了測試。從實驗結(jié)果看，能達到利用微波探測聲音的目的。本實驗原理簡明，所用微波器件為實驗室常見的微波器件，電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。

　　1 實驗原理

　　微波探測聲音的原理與廣播類似，它利用高頻的微波信號來“載馱”所要傳送的聲頻信號，也就是高頻微波信號的振幅隨所傳送的聲頻信號的變化而變化。高頻微波信號為“載波”，調(diào)制微波的聲頻信號為“調(diào)制信號”。經(jīng)過調(diào)制后的高頻信號為調(diào)幅波。

　　式(1)和(2)中Ω、F分別為調(diào)制信號的角頻率和頻率。載波為遠高于調(diào)制信號頻率的正弦波。

　　調(diào)制的作用是使載波的振幅Vcm隨調(diào)制信號vΩ而相應(yīng)的變化，從而得到調(diào)幅波。調(diào)幅波振幅變化的軌跡即波峰點的連線稱為包絡(luò)線。調(diào)幅波包絡(luò)線的瞬時值為：

　　式(4)中，VΩm/Vcm稱為調(diào)幅指數(shù)，用ma表示。

　　語言、音樂等都不是單音頻信號，而是由很多不同頻率的波合成，它們不是標準的正弦信號。對于非正弦的周期信號，可以分解為多個不同頻率的正弦波信號。典型的調(diào)幅波的頻率成分，可以由它的瞬時值表示式推導出來，即

　　這表明單音信號(即調(diào)制信號是正弦信號)的調(diào)幅波由三部分頻率分量組成，即載波分量ω0、上邊頻分量ω0+Ω和下邊頻分量ω0-Ω。

　　調(diào)幅信號的解調(diào)是振幅調(diào)制的反過程，是從高頻已調(diào)信號中取出調(diào)制信號，常將這種解調(diào)稱為檢波。實現(xiàn)這種解調(diào)作用的電路稱為振幅檢波器。檢波器由高頻輸入回路、非線性器件和低通濾波器三部分組成。因振幅調(diào)制信號由載波頻率ω0和邊頻(ω0±Ω)組成，沒有調(diào)制信號本身的頻率分量Ω，但載頻ω0與上邊頻(ω0+Ω)或下邊頻(ω0-Ω)之差可得到Ω。為了取出原調(diào)制信號頻率Ω，從高頻輸入回路輸入的高頻已調(diào)信號，通過非線性器件產(chǎn)生新的頻率分量，其中就包含所需的Ω分量，再用低通濾波器濾除不需要的高頻分量，即可得所需的聲音信號。

　　2 實驗裝置與基本器件

　　本實驗裝置與基本器件組成圖如圖1所示。微波振蕩器產(chǎn)生的微波，經(jīng)隔離器和環(huán)形器由天線投射到待測聲源處，作為載波的微波被聲源處的音頻信號調(diào)制后被反射回來，由天線接收(發(fā)射、接收天線為同一天線)，再經(jīng)過微波晶體檢波器檢波和電流、電壓及功率放大，最后還原出聲源處的音頻信號。實驗裝置中所用到的振蕩器、隔離器、環(huán)形器、角錐天線和晶體檢波器均為實驗室中常見的3厘米波段(X波段)的微波器件。

　　3 電路結(jié)構(gòu)

　　本實驗所用的前置放大電路如圖2所示。它包括兩級，第一級由OP07構(gòu)成的弱電流放大電路。由于一般情況下，檢波后得到的電流形式的音頻信號很微弱，為了達到較好的放大效果，實驗中加了一級弱電流放大電路。根據(jù)運放電路的相關(guān)知識可知，輸入電流I1流經(jīng)R2和R3的流I2和I3的關(guān)系為

，即輸出電流的放大倍數(shù)為

倍;第二級用NE5532運放構(gòu)成一個低噪聲的電壓放大電路。NE5532是一種高速低噪聲運算放大器。它的帶寬為10 MHz，相比大多數(shù)標準運算放大器，它顯示出更好的噪聲性能，更高輸出驅(qū)動能力和小信號帶寬。

　　自動增益放大電路(AGC)如圖3所示。其基本原理是當輸入信號幅度較大時，AGC電壓控制可變增益放大器的放大倍數(shù)減小，當輸入信號幅度較小時，AGC電壓控制可變增益放大器的放大倍數(shù)增加。

　　圖3中，輸入信號從運放F1的同相端輸入，二極管VD對運放F1的輸出信號整流后，經(jīng)一個∏形濾波電路得到一個負向AGC電壓，這一電壓經(jīng)過運放F2放大后送往場效應(yīng)管3DJ6的柵極。當輸入信號幅值較大時，相應(yīng)地得到較大的AGC電壓，運放F2輸出較大的負壓至場效應(yīng)管3DJ6的柵極，增大了場效應(yīng)管3DJ6的源漏極間的電阻，從而減小了運放F1的放大倍數(shù);反之，當輸入信號的幅值較小時，AGC電壓也很小，運放F2輸出也很小，場效應(yīng)管3DJ6的源漏極間的電阻很低，使運放F1得到較大的放大倍數(shù)。

　　功放采用低電壓音頻功率放大器LM386，電路圖如圖4所示。其電路電壓增益可調(diào)，外接元件少，總的諧波失真小，對低電壓信號的放大效果良好，且驅(qū)動能力強，輸出信號可直接驅(qū)動8 Ω的揚聲器。

　　4 實驗結(jié)果及分析

　　根據(jù)所設(shè)計的實驗方案，我們在實驗室制作了相關(guān)電路和進行了實驗測試。實驗結(jié)果如圖5示：

　　由圖5可知，在圖5(a)中，聲源頻率為5 kHz的正弦波，接收解調(diào)后信號較好的還原回正弦信號;在圖5(b)中，聲源為通常的聲音信號時，接收解調(diào)后的信號能夠較清晰的還原為原來的聲音信號，此時輸出端接音頻喇叭能還原出聲源處的聲音。

　　5 結(jié)束語

　　通過在實驗室中的實驗實測，由接收電路得到的信號能較好地還原原來的音頻信號，證明本實驗方法可行。本實驗可作為一種趣味性或演示性實驗開設(shè)，對拓展學生的知識面、提高學生的動手能力，加深學生對有關(guān)知識的理解有很好的幫助。