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。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，電壓值一般為28V、200V。極化電壓經(jīng)過一個20MΩ~100MΩ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，因此具有很高的輸出阻抗，無法用普通的電壓表去進行精確測量。
在國家相關校準規(guī)范中，推薦采用一種間接的方法—補償法，其主要步驟為：將一個可調(diào)直流穩(wěn)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(wěn)壓電源的輸出同時還接入電壓表的輸入端，調(diào)節(jié)可調(diào)直流穩(wěn)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(diào)節(jié)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓，使直流檢流計的讀數(shù)為零，此時電壓表的示值即為極化電壓的值?？梢钥闯鲈摐y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，我公司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(xiàn)對高壓信號的阻抗變換和精確測量。系統(tǒng)的整體結構組成如圖1所示。
圖1 整體結構
系統(tǒng)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一個由普通的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0V輸出端接入高壓直流電源模塊輸出的參考電壓VREF，能夠相應的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(jiān)測直流電壓表輸入端的電壓范圍，并根據(jù)電壓范圍控制高壓直流電源模塊的工作狀態(tài)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，采用雙電源供電，最大供電電壓為±15V，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1000GΩ。運放的輸入端串聯(lián)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，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。
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，以本文選擇的運放為例，輸入輸出信號的電平范圍必定只能在-15V~15V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，主要采取兩個措施：運放采用雙路隔離電源模塊供電，輸出±15V；隔離電源模塊的0V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?yōu)椋篤REF+15V，VREF-15V。例如，當VREF的值為200V時，運放的輸入輸出信號的電平范圍提高到185V~215V之間，同時，運放的正負電源端的電壓差仍然為30V，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200V極化電壓的阻抗變換。
2.3 高壓直流電源模塊
極化電壓的標稱值通常為200V、28V和0V，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。電路如圖4所示，R4、R5用于調(diào)節(jié)輸出電壓，C8用于降低輸出紋波，使輸出穩(wěn)定在200V。R14、R15分壓產(chǎn)生28V和200V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(tài)，且VREF接通28V的輸出時，VREF輸出為0V。
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不同的極化電壓輸入值，系統(tǒng)還設計有MCU采樣控制模塊。MCU最小系統(tǒng)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，信號幅度縮小約100倍后接入MCU的ADC輸入管腳，MCU再對輸入信號的電平進行采樣、監(jiān)測。同時C9對分壓后的信號進行濾波，保證采樣的精度。MCU根據(jù)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在下一個章節(jié)會詳細介紹。
圖5 MCU采樣控制簡化電路
3 調(diào)試及測試結果
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6所示?？烧{(diào)電源模塊串接一個高阻值電阻模擬待測的極化電壓，調(diào)節(jié)電源模塊的輸出，使輸出值分別為：18V、28V、38V、190V、200V、210V，同時記錄數(shù)字萬用表和測試樣機的數(shù)值。
圖6 測試方法示意圖
為了避免不同型號電壓表之間的數(shù)值誤差對測試結果的影響，在測試過程中，將測試裝置中的直流電壓表也用Agilent 34401A代替。
4 結論
我公司設計的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?？蓱糜诼晫W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。
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