系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)目標(biāo)要求:實(shí)現(xiàn)15-45khz超聲波聲壓、聲強(qiáng)的測(cè)量。測(cè)量的范圍是0-10個(gè)大氣壓（或聲壓級(jí)范圍：30-120db）。測(cè)量的誤差為在總體的頻率范圍內(nèi)大小3db，對(duì)單一頻率小于1db。
cs-3型水聽(tīng)器的特性是在10-100khz，其m參數(shù)的不一致性小于3db。m參數(shù)是指水聽(tīng)器受單位聲壓的作用而產(chǎn)生的輸出電壓，單位是v/pa。用分貝表示的m參數(shù)是：
m（db ）=20log(m/mo)，其中mo為參考聲壓mo=1v/礟a。
聲強(qiáng)i=p2 /（r*c），其中p為聲壓，c為聲速，r為密度。
為滿足設(shè)計(jì)的目標(biāo)，需進(jìn)行測(cè)量誤差分析。
對(duì)應(yīng)于在為30-120db的聲壓級(jí)，在流體中的聲強(qiáng)為：
i=p*v*cosy
自由場(chǎng)中聲強(qiáng)為：
i=p2/（r*c）
聲強(qiáng)級(jí)的表達(dá)式為：
i=10log(i/io)
其中io為10-12 (w/m2),在自由聲場(chǎng)中聲壓級(jí)與聲強(qiáng)級(jí)近似相等。
從而可得出（在近似測(cè)量中）聲強(qiáng)級(jí)的不一致性對(duì)應(yīng)于m參數(shù)的不一致性小于3db。
從而得出：不必進(jìn)行頻率校正，聲壓、聲強(qiáng)的不一致性可以滿足要求。
由于一般測(cè)的是有效聲壓，為平均值，所以測(cè)量的精度相比起來(lái)比較容易實(shí)現(xiàn)。跟隨、放大、濾波、峰值和頻率檢測(cè)，產(chǎn)生誤差主要在濾波、峰值和頻率檢測(cè)。我們所設(shè)計(jì)的濾波通帶不穩(wěn)定度為1db、峰值檢測(cè)的誤差小于1db，但通過(guò)進(jìn)行頻率的檢測(cè)，和時(shí)間的平均，進(jìn)行軟件和硬件的補(bǔ)償可以使誤差較好的滿足要求。
根據(jù)上面的分析，考慮到超聲波測(cè)量的特點(diǎn)，系統(tǒng)框圖示于圖1。其中預(yù)加重考慮隔直和系統(tǒng)頻率特性。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 高通濾波電路

跟隨器起隔離水聽(tīng)器和減小后端電路影響的作用。放大器與分壓通過(guò)可控增益放大來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍的轉(zhuǎn)換。帶通濾波為測(cè)量特定頻率的超聲波聲壓的必需。峰值檢測(cè)為測(cè)量和計(jì)算聲壓的原始數(shù)據(jù)，頻率為提供頻率數(shù)據(jù)和進(jìn)行聲壓計(jì)算的頻率校正。
帶通濾波電路
考慮系統(tǒng)對(duì)頻率范圍的不平度有較高的要求，采用巴特沃斯濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。帶通由高通和低通級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。
考慮具體的要求截至頻率定為10khz。取高通的階數(shù)為5，低通的階數(shù)為6。圖2是高通濾波電路。
峰值檢波電路
圖3是用集成放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)峰值檢波的電路。
過(guò)零檢測(cè)電路
過(guò)零檢測(cè)電路在輸出需考慮與msp430的接口問(wèn)題，因而增加了接口轉(zhuǎn)換電路(圖4)。

圖3 峰值檢波電路

圖4 過(guò)零檢測(cè)電路

系統(tǒng)接口
本系統(tǒng)用ti公司msp430微控制器的p6端口的12位a/d轉(zhuǎn)換進(jìn)行峰值測(cè)量，利用p1口的定時(shí)捕獲/比較進(jìn)行頻率測(cè)量。在msp430硬件的設(shè)計(jì)上提供晶振、復(fù)位、時(shí)鐘電路以及jtag，完成整體設(shè)計(jì)。根據(jù)硬件，設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件進(jìn)行聲壓測(cè)量。

結(jié)語(yǔ)
本聲壓計(jì)的設(shè)計(jì)采用了功耗極低的msp430微控制器，用簡(jiǎn)單和便宜的集成運(yùn)放和比較器實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的超聲波的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，滿足了設(shè)計(jì)的要求�！�