測試測量設計實(shí)例（一）

一、簡(jiǎn)易多波形信號發(fā)生器電路設計

　　信號發(fā)生器在電子實(shí)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。

　　設計目標是簡(jiǎn)單易制、工作可靠、信號頻率在音頻范圍連續可調，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數字集成電路74C04（內含六個(gè)反相器）和74C14（內含六個(gè)帶施密特電路的反相器）。

　　電路見(jiàn)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(kāi)關(guān)K2改變接入的電容量粗調頻率，由電位器W1細調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(mén)電路并聯(lián)以提高驅動(dòng)能力），其電平兼容TTL。IC1d、IC1e~f構成兩級線(xiàn)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(kāi)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電壓加到三角波發(fā)生器的輸入端，構成壓控振蕩器（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。如此構成一個(gè)實(shí)用的多波形信號發(fā)生器，開(kāi)關(guān)K3是波形選擇開(kāi)關(guān)，其位置與波形的關(guān)系見(jiàn)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(gè)電容器并聯(lián)以得到需要的數值，需用數字萬(wàn)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(wú)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。頻率細調電位器W1選用金屬殼全密封碳膜電位器，最好選用阻值變化為線(xiàn)性（即型號后綴帶有“X”）的。開(kāi)關(guān)K2、K3選用小型—刀三位波段開(kāi)關(guān)。9V直流穩壓電源選用小電流的三端穩壓集成電路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整的只有正弦波形。有示波器時(shí)可在示波器監視下調整微調電阻W2、W3，使波形最接近正弦波；無(wú)示波器時(shí)，可將正弦波輸出接到家用音頻功放的輸入端，頻率調整到數百周，調W2、W3使聲音最?lèi)偠纯伞?/P>

　　制作難點(diǎn)是面板上的頻率刻度盤(pán)的繪制及校準。下面詳細介紹：

　　讀數標尺的制作：

　　讀數標尺與頻率細調電位器W1的旋鈕為—體。選擇一塊無(wú)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(cháng)度以面板能容納的半徑為限（長(cháng)些為好），作為標尺，經(jīng)過(guò)圓心用針尖刻一直線(xiàn)槽，在槽中涂上紅色墨水，形成一條紅線(xiàn)，作為讀數標線(xiàn)；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(shí)易于估計小數），點(diǎn)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和量角器完成此工作）。將其中一份按標尺長(cháng)度為半徑裁剪—個(gè)圓，臨時(shí)粘合到面板上W1位置。將帶標尺的旋鈕固定到W1軸上，根據標線(xiàn)確定W1旋轉的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置，一般電位器旋轉范圍為0~253度，在繪制的等分圓周上約0~70.4格。

　　打開(kāi)發(fā)生器電源，讓其工作一段時(shí)間預熱穩定。將頻率粗調開(kāi)關(guān)K2置“×100擋”、波形選擇開(kāi)關(guān)K3置“1”檔，在方波輸出端接上數字萬(wàn)用表的“測頻率檔”，從“0”開(kāi)始旋轉W1，在頻率的整數位記下標線(xiàn)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(gè)刻度表，在繪圖軟件窗口畫(huà)出各刻度線(xiàn)。如果無(wú)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(pán)粘合到面板上相應位置。在K3的各檔位測試一遍刻度與輸出頻率的對應關(guān)系，你會(huì )發(fā)現，如果電容C1、C2、C3的數值準確的話(huà)，各檔刻度與輸出頻率基本吻合，完全能滿(mǎn)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A(yíng)MR技術(shù)的智能水表方案

　　隨著(zhù)人類(lèi)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(kāi)始面臨著(zhù)種種問(wèn)題和危機。人口的增長(cháng)、工農業(yè)的快速發(fā)展，使得人類(lèi)對水的需求逐年增加。無(wú)序的開(kāi)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(lái)越饑渴。各國政府和組織都相繼制定政策和法規力圖建立節水型社會(huì )體系。一系列的節水措施給水表制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)機遇，同時(shí)也提出了挑戰。

　　目前國內水表的種類(lèi)很多，按照測量原理可以分為速度式水表和容積式水表，按照結構和技術(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了國內水表市場(chǎng)的絕大多數。但隨著(zhù)計量技術(shù)的發(fā)展，也日益暴露出很多問(wèn)題：

　　始動(dòng)流量大，也就是靈敏度差

　　漏損率高

　　穩定性差

　　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(mǎn)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定。傳統的機械式水表往往因為系統材料、機械加工等原因，大多量程比不高，要實(shí)現新標準要求的更高量程比的水表，往往需要非常長(cháng)的設計、測試和標定周期，往往造成更多的資金、人員和時(shí)間的投入。而新的計量技術(shù)例如超聲波和電磁感應等往往因為器件、生產(chǎn)成本等因素只能適用于特殊的場(chǎng)合，無(wú)法大規模的應用于普通電子水表中。

　　如何在保持現有基表設計的基礎上設計出更高計量參數的水表也現實(shí)地擺在水表行業(yè)面前。EPSON結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(wèn)題。該方案仍然采用普通的速度式水表基表部分，取消了傳統計數齒輪和磁簧開(kāi)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(lái)檢測葉輪轉動(dòng)，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(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計理念，也體現在這款電子水表方案中。無(wú)論是專(zhuān)用處理器和各向異性磁阻傳感器（AMR）都采用低功耗設計生產(chǎn)技術(shù)，特別針對電池供電系統。

　　方案框圖如圖所示：

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

　　除了一般流量統計外，專(zhuān)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。水流方向的設置，即使水表倒裝，也可以正常統計反轉流量； 檢測周期的設置，讓開(kāi)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成。薄膜電阻值隨著(zhù)外加磁場(chǎng)的強度和方向而變化，因此被稱(chēng)為各向異性磁阻傳感器（Anisotropic Magnet Resistance），當外界磁場(chǎng)方向垂直于電流方向時(shí)（90°。270°），電阻變化最大，外界磁場(chǎng)方向平行于電流方向時(shí)，電阻變化最??；根據這個(gè)特性，將磁場(chǎng)方向轉變?yōu)殡娮枳兓?，進(jìn)而轉化為電壓的變化，最終由微處理器來(lái)分析處理。

　　相比于目前傳統的電子水表，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