電子測量技術(shù) 聲級計及設計

1、電子測量技術(shù)課程設計報告課題：聲級計的設計 班級電子3071學號3072107110 學生姓名張 熙 鋒 專業(yè) 電子信息工程 系別 電子與電氣工程學院 指導教師電子測量課程設計指導小組 淮陰工學院電子信息工程系2010年6月 一、 設計目的：1.1 培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的正確設計思想，訓練綜合運用已經(jīng)學過的理論和生產(chǎn)實際知識去分析和解決工程實際問題的能力。1.2 學習較復雜的電子系統(tǒng)設計的一般方法，提高基于模擬、數(shù)字電路等知識解決電子信息方面常見實際問題的能力，由學生自行設計、自行制作和自行調(diào)試。1.3 進行基本技能訓練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識別、測量、熟練運用的能力，掌握設計資

2、料、手冊、標準和規(guī)范以及使用仿真軟件、實驗設備進行調(diào)試和數(shù)據(jù)處理等。1.4 培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。二、 設計要求：1、測量范圍：20150dB；2、測量結(jié)果以3位數(shù)碼顯示；3、畫出總體設計電路圖；4、提交格式上符合要求，內(nèi)容完整的設計報告；三、 設計內(nèi)容3.1 總框架圖3.1.1 聲壓級的測量機理    人耳的聽閾一般是20m Pa (微帕),痛閾一般是200Pa（帕）,其間相差107倍,這樣寬廣的聲壓范圍很不易測量,而且人耳對聲壓的相對變化的分辨具有非線性特征。因此,聲學中常用聲壓級LP來反映聲壓的變化,將聲壓p的聲壓級表示成LP=20lg(p/p0) dB

3、60;  (1)其中,基準量p0為20m Pa。當p=p0時,Lp=0dB,而當p=200 Pa時,LP=140dB。用聲級計可以測量聲壓級,采用1kHz純音輸入0.2秒到0.25秒或0.5秒以上,即可得到真實聲壓級或平均聲壓級?？紤]到人耳對不同頻率的響度感覺,在噪聲測量中,常取40方（phon）等響曲線的反曲線對聲壓級進行計權(quán)校正,即用A計權(quán)網(wǎng)絡測得A聲級,寫成dB（A）。表1給出倍頻帶中心頻率與A聲級的校正量之間的關(guān)系。表1 倍頻帶中心頻率與A聲級校正量的關(guān)系倍頻帶中心頻率（Hz）31.563125250500A聲級校正量（dB）-39.4-26.2-16.1-8.6-3.2倍頻

4、帶中心頻率（Hz）1k2k4k8k16kA聲級校正量（dB）01.21.0-1.1-6.6 表13.1.2總體設計思路及方法說明環(huán)境噪聲經(jīng)高靈敏度、無指向性駐極體傳聲器轉(zhuǎn)換成電信號。由運放LM324構(gòu)成三級放大電路,精心調(diào)整相關(guān)外圍元件參數(shù),可使其幅頻特性與A計權(quán)曲線相近。D1、C1、R1組成峰值檢波網(wǎng)絡,其輸出直流電平反映了噪聲聲壓的大小。 由LM331構(gòu)成電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路,輸出的頻率信號變成TTL電平送給單片機的P3.4引腳,作為T0的計數(shù)脈沖。 系統(tǒng)的核心部分是80C51單片機,其P3.5引腳接入由NE555構(gòu)成的定時器輸出的100kHz方波,通過T1中斷去控制T0定時計數(shù)。從T0端輸

5、入的計數(shù)脈沖頻率,即反映了所測聲壓的大小。經(jīng)軟件處理后,噪聲聲壓級顯示值由P1口輸出,經(jīng)CC4511譯碼再驅(qū)動三位LED數(shù)碼管顯示,適當控制譯碼器使能端,使三數(shù)碼管實現(xiàn)動態(tài)顯示,降低功耗。4、 單元電路設計4.1 駐極體傳聲器駐極體傳聲器有兩塊金屬極板，其中一塊表面涂有駐極體薄膜（多數(shù)為聚全氟乙丙烯）并將其接地，另一極板接在場效應晶體管的柵極上，柵極與源極之間接有一個二極管。當駐極體膜片本身帶有電荷，表面電荷地電量為Q，板極間地電容量為C，則在極頭上產(chǎn)生地電壓U=Q/C，當受到振動或受到氣流地摩擦時，由于振動使兩極板間的距離改變，即電容C改變，而電量Q不變，就會引起電壓的變化，電壓變化的大小，

6、反映了外界聲壓的強弱，這種電壓變化頻率反映了外界聲音的頻率，這就是駐極體傳聲器地工作原理。 由于這種傳聲器也是電容式結(jié)構(gòu)，信號內(nèi)阻很大，為了將聲音產(chǎn)生的電壓信號引出來并加以放大，其輸出端也必須使用場效應晶體管。4.2集成四運放LM324LM324是四運放集成電路,它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器, 除電源共用外,四組運放相互獨立。每一組運算放大器，LM324的 引腳排列可用下圖表示。本設計中用LM324作相交流放大器。同相交流放大器的特點是輸入阻抗高。其中的R1、R2組成1/2V+分壓電路,通過R3對運放進行偏置。電路的電壓放大倍數(shù)Av也僅由外接電阻決定：Av=1+Rf/R4,電路輸入

7、電阻為R3。R4的阻值范圍為幾千歐姆到幾十千歐姆。4.3NE555構(gòu)成的方波輸出電路本設計中用NE555構(gòu)成定時器輸出100KHZ的方波，接入80C51單片機的P3.5引腳，通過T1中斷去控制T0定時計數(shù)。圖 4為NE555構(gòu)成的100KHZ方波產(chǎn)生電路。圖中，電路利用D2、D3單向?qū)щ娞匦詫㈦娙萜鰿充、放電回路分開，可以通過選取不同的RA和RB的值來調(diào)節(jié)振蕩器輸出波形的占空比：q=RA/(RA+RB)。因而，振蕩頻率為：f=1.43/(RA+RB)C。 圖4 NE555構(gòu)成的方波輸出電路4.4LM331頻率電壓轉(zhuǎn)換器圖5是由LM331 組成的電壓頻率變換電路，輸出的頻率信號變成TTL電平送給

8、單片機的P3.4引腳,作為T0的計數(shù)脈沖。該轉(zhuǎn)換電路線性良好,抗干擾能力強,輸出頻率范圍在1010000Hz以上,其變化比達103,優(yōu)于普通8位并行A/D轉(zhuǎn)換器,有利于提高系統(tǒng)的測量范圍。LM331 內(nèi)部由輸入比較器、定時比較器、RS 觸發(fā)器、輸出驅(qū)動、復零晶體管、能隙基準電路和電流開關(guān)等部分組成。輸出驅(qū)動管采用集電極開路形式，因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配TTL、DTL 和CMOS 等不同的邏輯電路。當輸入端Vi輸入一正電壓時，輸入比較器輸出高電平，使RS 觸發(fā)器置位，輸出高電平，輸出驅(qū)動管導通，輸出端f0 為邏輯低電平，同時電源Vcc 也通過電阻R2

9、 對電容C2 充電。當電容C2 兩端充電電壓大于Vcc 的2/3時，定時比較器輸出一高電平，使RS 觸發(fā)器復位，輸出低電平，輸出驅(qū)動管截止，輸出端f0 為邏輯高電平，同時，復零晶體管導通，電容C2 通過復零晶體管迅速放電；電子開關(guān)使電容C3 對電阻R3 放電。當電容C3 放電，電壓等于輸入電壓Vi 時，輸入比較器再次輸出高電平，使RS 觸發(fā)器置位，如此反復循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。輸出脈沖頻率f0 與輸入電壓Vi 成正比，從而實現(xiàn)了電壓頻率變換。其輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為：fo=(Vin×R4)/(2.09×R3×R2×C2)由式知電阻R2、R3、R4、和C

10、2 直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果f0，因此對元件的精度要有一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當選擇。電阻R1 和電容C1 組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換精度。4.5用80C51單片機設計軟件部分 環(huán)境噪聲測量系統(tǒng)的軟件采用模塊化設計,由主程序、中斷服務程序、查表子程序和顯示子程序組成。主程序處于循環(huán)工作狀態(tài),主要完成定時/計數(shù)器和中斷系統(tǒng)的初始化,并循環(huán)調(diào)用查表和顯示子程序。每當T1對外接100kHz時鐘計數(shù)達0.5秒后,申請中斷,CPU響應中斷后即讀取TH0、TL0兩寄存器中的計數(shù)值,并重新初始化T0、T1,以便檢測下一次的數(shù)據(jù)。各程序模塊的流程圖如圖6所示。得指出的是,查表程序?qū)?/p>

11、現(xiàn)了計數(shù)值向聲壓級的轉(zhuǎn)換。由式（1）知聲壓每增加12.2%,聲壓級增加1dB,因此T0計數(shù)值每增加12.2%,聲壓級增加1dB。在E2PROM中定義一張表格,每三個字節(jié)為一組數(shù)據(jù),其中前兩個字節(jié)為計數(shù)值,后一個字節(jié)為壓縮BCD碼表示的聲壓級值。調(diào)試時,參照精密聲級計,讀出某聲壓級所對應的計數(shù)值,從而確定表格中兩參數(shù)的對應關(guān)系,當程序固化后,還可通過硬件電路對其進行調(diào)整。下面給出定義該表格的偽指令格式。TAB：DB 1BH,0A0H,0BBH, ;05H, 83H, 83H,04H,0EAH, 82H,04H, 61H, 81H,03H,0E7H, 80H,03H, 7AH, 79H,03H,

12、19H, 78H,02H,0C3H, 77H,02H, 76H, 76H,00H, 00H,0AAH ; 其中,“0AAH”、“0BBH”兩個數(shù)據(jù)經(jīng)譯碼后分別顯示下限標記“”和上限標記“”,表示超出測量范圍。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力,除了在硬件上采取了相應的措施外,軟件上采用了冗余設計法即重復重要的指令,未用空間設置空操作指令,以防止程序跳飛而死機。4.6CC4511譯碼驅(qū)動電路4.6.1七段譯碼驅(qū)動器本設計中采用CC4511 BCD碼（鎖存/ 七段譯碼/ 驅(qū)動器）來驅(qū)動共陰數(shù)碼管。圖7為CC4511引腳排列。其中，A，B，C，D是四個輸入端和a是七個輸出端，它還具有輸入BCD碼鎖存、燈測試和

13、熄滅顯示控制功能，它們分別由鎖存端LE、燈測試端LT、熄滅控制端/BI來控制。 圖7 CC4511引腳排列圖實驗時只要接通+5V電源和將十進制數(shù)的BCD碼接到譯碼器的相應輸入端即可顯示09的數(shù)字。四位數(shù)碼管可接受四組BCD碼輸入。CC4511與數(shù)碼管的連接如圖8所示。 圖8 CC4511與數(shù)碼管的連接此電路中只使用CC4511的譯碼功能，故將3、4腳接電源，5、8腳接地，從單片機P0端口輸出的電平分別接入CC4511的A、B、C、D端，經(jīng)過譯碼后輸出七位編碼。由CC4511的驅(qū)動和輸出的數(shù)碼點亮對應的段，顯示相應的數(shù)值。4.6.2七段發(fā)光二極管數(shù)碼管一個LED數(shù)碼管可用來顯示一位09十進制數(shù)。

14、LED數(shù)碼管要顯示BCD碼所表示的十進制數(shù)字就需要有一個專門的譯碼器，該譯碼器不但要完成譯碼功能，還要有相當?shù)尿?qū)動能力。圖9（a）(b)為共陰管電路和共陰數(shù)碼管引出腳功能圖。 圖9（a）共陰管電路 圖9（b）共陰數(shù)碼管引腳五.設計總結(jié)本次課程設計，在陳老師布置課題并講解了基本原理后，兩個星期以來我查閱了許多有關(guān)此設計的資料，并通過與同學交流經(jīng)驗和自學，以及向老師請教等方式，最終基本完成了此次課程設計。通過這次電子課程設計，對以前所學的電子電路知識既是鞏固又是發(fā)展，進一步理解并加深了對所學的電子技術(shù)的認識。學會了在實踐中運用理論，用理論來指導實踐，培養(yǎng)了理論聯(lián)系實際的正確設計思想。通過對課題的設計，訓練了運用所學的理論知識去思考問題并聯(lián)系理論實際解決問題的能力，提高了邏輯思維的能力。同時通過此次設計，學會了較復雜的電子系統(tǒng)設計的一般方法，進一步掌握了分析與設計一般電子電路的方法，并增強了獨立的思考問題和解決問題的能力。同時進行基本的技能訓練，學會了基本儀器的使用及基本電子元器件的識別與測量，進一步了解了一些重要的也是基本的電子元器件的內(nèi)部