測試測量設(shè)計(jì)實(shí)例（一）

一、簡易多波形信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)

　　信號(hào)發(fā)生器在電子實(shí)驗(yàn)中作為信號(hào)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(hào)的脈沖波。本次制作的是能產(chǎn)生九種波形的信號(hào)發(fā)生器。

　　設(shè)計(jì)目標(biāo)是簡單易制、工作可靠、信號(hào)頻率在音頻范圍連續(xù)可調(diào)，即20Hz～20KHz，輸出信號(hào)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(gè)反相器）和74C14（內(nèi)含六個(gè)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(gè)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(jì)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(xì)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(gè)門電路并聯(lián)以提高驅(qū)動(dòng)能力），其電平兼容TTL。IC1d、IC1e~f構(gòu)成兩級(jí)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(dāng)波形選擇開關(guān)K3將電阻R2和二極管D1或D2接入電路時(shí)，輸出的方波被整流為正電壓或負(fù)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(gè)實(shí)用的多波形信號(hào)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(zhǔn)確，每組電容器由兩個(gè)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(gè)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(xì)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(hào)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(jī)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(shí)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(shí)，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(diǎn)是面板上的頻率刻度盤的繪制及校準(zhǔn)。下面詳細(xì)介紹：

　　讀數(shù)標(biāo)尺的制作：

　　讀數(shù)標(biāo)尺與頻率細(xì)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(jī)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(biāo)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(biāo)線；用502膠水或AB雙管膠將標(biāo)尺與旋鈕底面對接粘合。

　　刻度校準(zhǔn)：

　　用AUTOCAD或CAXA制圖軟件，作一直徑約100mm的圓（直徑大些，繪圖時(shí)易于估計(jì)小數(shù)），點(diǎn)擊“等分弧”，將圓周分為100等分，打印兩份（當(dāng)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(biāo)尺長度為半徑裁剪—個(gè)圓，臨時(shí)粘合到面板上W1位置。將帶標(biāo)尺的旋鈕固定到W1軸上，根據(jù)標(biāo)線確定W1旋轉(zhuǎn)的起點(diǎn)和終點(diǎn)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(shí)間預(yù)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(biāo)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(fù)上面工作。

　　繪制頻率刻度：

　　利用上面測繪的三個(gè)刻度表，在繪圖軟件窗口畫出各刻度線。如果無條件使用計(jì)算機(jī)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(huì)發(fā)現(xiàn)，如果電容C1、C2、C3的數(shù)值準(zhǔn)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(tái)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(huì)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(jī)。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(jī)。曾經(jīng)的藍(lán)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(huì)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(jī)遇，同時(shí)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(jī)械式，帶電子裝置的混合式和全固態(tài)電子式水表。因?yàn)槌杀镜脑?，純機(jī)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(jì)量技術(shù)的發(fā)展，也日益暴露出很多問題：

　　始動(dòng)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(shí)際需求出發(fā)，并考慮與國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，對水表流量值和量程比重新做了規(guī)定。傳統(tǒng)的機(jī)械式水表往往因?yàn)橄到y(tǒng)材料、機(jī)械加工等原因，大多量程比不高，要實(shí)現(xiàn)新標(biāo)準(zhǔn)要求的更高量程比的水表，往往需要非常長的設(shè)計(jì)、測試和標(biāo)定周期，往往造成更多的資金、人員和時(shí)間的投入。而新的計(jì)量技術(shù)例如超聲波和電磁感應(yīng)等往往因?yàn)槠骷?、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(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出更高計(jì)量參數(shù)的水表也現(xiàn)實(shí)地?cái)[在水表行業(yè)面前。EPSON結(jié)合自身電子元器件特點(diǎn)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(jì)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(dòng)，大大提高了流量檢測的靈敏度；在軟件補(bǔ)償算法的配合下，計(jì)量特性有了實(shí)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(jì)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(jì)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(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，交由專用處理器進(jìn)行計(jì)量、錯(cuò)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(jì)外，專用處理器還支持多種檢測模式，例如瞬時(shí)流速、滴漏檢測，水流倒轉(zhuǎn)等附加功能，為流量的實(shí)時(shí)檢測、實(shí)時(shí)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(jì)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(qiáng)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(dāng)外界磁場方向垂直于電流方向時(shí)（90°。270°），電阻變化最大，外界磁場方向平行于電流方向時(shí)，電阻變化最??；根據(jù)這個(gè)特性，將磁場方向轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓?，進(jìn)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