唐立赫

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊，050081）

0 引言

相控陣多普勒計程儀（DVL）是現(xiàn)代水聲定位導航的重要設備，其換能器采用壓電陶瓷按一定規(guī)律拼接而成的，具備基陣體積小、精度高、一致性強等特點[1]。換能器狀態(tài)的好壞直接影響多普勒計程儀能否準確定位，因此需要對換能器進行定期檢測，采用傳統(tǒng)的阻抗分析儀測試存在設備體積大、成本高、環(huán)境適應性差等問題，不適用于攜帶在海洋環(huán)境潮濕鹽霧環(huán)境下長期使用。本文針對多普勒計程儀換能器的測試需求，設計了一種便攜式多普勒計程儀阻抗測試裝置，用于完成多普勒計程儀換能器日常檢測維護。

1 設計原理

當不考慮電損耗時，水聲換 能器在靜態(tài)可以看作成純電容。而換能器工作中，將產(chǎn)生動態(tài)阻抗。是換能器振動過程中與介質相互作用產(chǎn)生的，可等效為電容、電感、電阻串聯(lián)形式。要是換能器的某一諧振頻點附近相對較大范圍內不存在其他諧振點，可以將其當作成集總參數(shù)系統(tǒng)。動態(tài)阻抗等效電路如圖1所示。其中 0C是靜態(tài)電容，1R，1C，1L分別為動態(tài)阻 抗中的電阻、電容、電感[2]。

圖1 換能器等效電路圖

假定水聲換能器的總導納為Y，并聯(lián)支路和 串聯(lián)支路的導納分別為 0Y及 1Y，如果不計換能器的電損耗，則：

其中 0B表示靜態(tài)電納，1G和 1B表示動態(tài)電導和電納，w為角頻率，且：

令橫軸代表電導值，縱軸代表電納值。當頻率改變時，Y1相矢的終點軌跡會是一個圓，如圖2中以為直徑的圓所示。那么如果將公式（2）中w消去，就得到方程（3），它代表圓心在(1 /2R1,0)，半徑為 1/2R1的圓。

圖2 導納圓圖

當10B= 時，得到方程的解為10G= 與 1 11/GR= ，由于現(xiàn)實中換能器必有10R≠ ，由式(2)可得10G≠ ，那么，唯獨 11/R是滿足上述方程(3)的解。由式(2)可以看出，當即時，發(fā)生諧振。所以圖2中(1 /R1,0)點的頻率即是諧振頻率ws。

由測量原理可知，換能器的阻抗（或 導納）和等效電路的測量歸結為測定其電端 的等效電阻抗（或導納），通常采用寬頻帶阻抗分析儀、阻抗或導納電橋測量，或直接測量換能器的電壓電流復數(shù)比，得到換能器的復數(shù)阻抗（或導納）值以及等效電路的特征參數(shù)。換能器的等效 電路用并聯(lián)形式的電導和電納表示較為方便[3]。同一種換能器等效電路的兩種表示方式可以互相轉換。

2 硬件設計

2.1 系統(tǒng)設計

本設計是多普勒計程儀設備的配套測試裝置，主要目標是完成多普勒計程儀所使用的換能器測試，以驗證換能器是否狀態(tài)正常，避免使用損壞換能器進行試驗而導致系統(tǒng)工作不正常所造成的不必要損失。本設計的阻抗測試系統(tǒng)具有：系統(tǒng)自檢、對換能器阻抗的測量、電阻測試及標校等功能；人機交互功能，即通過GD32F450與智能終端間的串口通信，實現(xiàn)參數(shù)設置、顯示相應測試結果；實現(xiàn)測量文件存取功能，方便后續(xù)處理及檢驗。

數(shù)字信號處理芯片是系統(tǒng)的核心，其處理能力、外設資源、功耗都是重要的選擇條件，綜合考慮，本設計選取兆易創(chuàng)新公司的GD32F450作為處理控制核心，該芯片具備豐富的外設接口，滿足設備阻抗測試、數(shù)據(jù)存儲、顯示控制等需求。阻抗測試芯片選取高精度的阻抗轉換器AD5933實現(xiàn)，并添加小阻抗測試電路、自檢電路和模擬開關等外圍電路。

硬件系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

2.2 阻抗測試電路設計

阻抗測試芯片選取美國ADI公司推出的一款高精度的阻抗轉換器AD5933，廣泛的應用于生物醫(yī)學測量、材料性能分析、電池/燃料狀態(tài)監(jiān)測、復阻抗測量、阻抗頻譜分析等領域[4]。AD5933的內部主要包括一款27bit頻率發(fā)生器（DDS），一個1MSPS、12bit的模擬-數(shù)字轉換器(ADC)，一個用于數(shù)據(jù)處理的DSP核。AD5933輸出頻率高達100kHz，而經(jīng)實際測量其信號輸出頻率可達499.99kHz，頻率提升后單個周期點數(shù)降低，信號波形變差，但仍能進行換能器阻抗測量，圖4為AD5933輸出200kHz信號波形。

圖4 AD5933輸出200kHz信號波形

根據(jù)本設計需要及AD5933芯片引腳功能，電路連接如圖5所示。

圖5 AD5933外圍電路設計

為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，設備初始化完成后首先進行自檢。通過GD32F450的GPIO引腳控制模擬開關SN74LV4051切換，將阻抗測試電路的輸出接到標準電阻上，測試電阻阻抗并進行門限比較，判定阻抗測試電路狀態(tài)是否正常。

2.3 觸控終端設計

為實現(xiàn)初始化及自檢信息顯示、阻抗測試檔位的選取控制、阻抗測試結果的顯示，本設計需要采用7英寸電容觸摸屏模塊，利用GD32F450片上TFT-LCD處理器及IPA圖形加速器實現(xiàn)觸摸屏驅動與顯示增強，并將所需字庫及BMP圖片存儲在SD卡中，設備上電后將顯示素材加載到SDRAM中以滿足刷新速率要求。

2.4 測試流程設計

阻抗測試儀的軟件設計主要是完成GD32F450的軟件編程，來實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、顯示控制、AD5933小阻抗測試、FATFS文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲以及串口通信等功能[5]。系統(tǒng)的總體流程如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

軟件執(zhí)行主要流程有：

（1）系統(tǒng)上電后加載程序，完成硬件資源及各個參數(shù)變量初始化，使外設進入待機狀態(tài)。

（2）初始化完成后，系統(tǒng)首先驅動繼電器將測試電路切換到已知電阻兩端，對已知標準阻抗進行測量，并進行門限判決，將自檢結果顯示于自檢界面上。阻抗值在門限之內，顯示“自檢正?！?，用定時器延時顯示2s，反之則顯示“自檢失敗”并停留在自檢界面。自檢完畢將繼電器彈開。

（3）如果自檢成功，進入測試界面。串口進入輪詢狀態(tài)，此時用戶可以選取所需的測試檔位及測試參數(shù)，然后點擊“開始測量”進行測試，“開始測量”鍵反色。

（4）系統(tǒng)使能模擬開關，進行八通道換能器測試。

（5）對測試得到的阻抗實部 和虛部值進行計算及校準。將測得的諧振頻率及阻抗值與參考門限進行對比判決，并把每路測試結果顯示在顯控終端對應位置之上。測量完成后將該路的阻抗值、溫度等寫入.dat文件之中，系統(tǒng)下電后可以通過USB拷出，進行備份及后續(xù)處理。八通道測試完成后， 關閉模擬開關。“開始測量”按鍵恢復未被選中狀態(tài)，以示阻抗測試結束。

（6）選取“電阻”檔進行校準時，測試流程與換能器測試類似，不同之處在于無需控制模擬開關且不進行數(shù)據(jù)存儲。測試完成后，結果顯示在“電阻”檔后邊的矩形框內。

3 測試結果與分析

3.1 電阻測量

為驗證設備測試的可靠性，設備提供了電阻測試接口，通過切換參考電阻值，可以用于測量50Ω到10kΩ之間的電阻阻值。表1中給出了一些電阻測試數(shù)據(jù)，電阻標準阻值采用標準數(shù)字電橋測得，測量值為設備測試得到。

表1 部分電阻測試數(shù)據(jù)

通過計算可以發(fā)現(xiàn)測量值與萬用表測得的數(shù)值有3%以內的偏差，完全滿足對設備進行檢驗的需求。為了使測得的數(shù)據(jù)更加準確，對數(shù)據(jù)進行了擬合處理。

將測量值代入上述公式得到電阻修正值及誤差如表1所示，可以看出修正后誤差進一步減小到0.4%以下，可以準確測量電阻值。由于電阻值較大時絕對誤差也比較大，為了不影響小阻值測量，對阻值數(shù)據(jù)進行了分段擬合，提高了測試精度。

3.2 換能器測試

為驗證設備能力，對120kHz、150kHz、300kHz等多型DVL換能器進行測試，這里以某型120kHz換能器為例。測試條件：AD5933起始頻率90kHz，頻率增量為200Hz，點數(shù)256，即掃頻范圍為90kHz-141kHz。由測得的實部值和虛部值計算出換能器每個頻點的阻抗和相角θ，與標準阻抗分析儀Agilent4294A測得數(shù)據(jù)進行對比，得到如圖7、圖8。

圖8 120k DVL換能器阻抗相位對比

從圖7、圖8可以看出通過電阻擋測得的換能器阻抗和相角與標準阻抗分析儀測得的曲線非常接近，Agilent4294A測得諧振頻率為114.7kHz、諧振點阻抗69.88Ω，AD5933測得諧振頻率為114.4kHz、諧振點阻抗67.81Ω，誤差較小，滿足現(xiàn)場檢測使用需求。

圖7 120k DVL換能器阻抗模值對比

3.3 一致性驗證及門限設置

將120kHz換能器的八通道測試結果進行對比結果，如圖9、圖10所示。

圖9 120k DVL換能器8通道阻抗模值對比

圖10 120k DVL換能器8通道相位模值對比

從圖9、圖10可以看出120kHz換能器8通道間一致性良好?？梢詼y出諧振點阻抗及諧振頻率，并可根據(jù)需求換算換能器G、B、R、X、C等參數(shù)?？蓪Q能器測量參數(shù)進行保存及讀取，并可設置判決門限判定換能器各通道狀態(tài)，將測試結果顯示在LCD屏幕上。

4 結語

本文依據(jù)多普勒計程儀換能器阻抗特性和專用芯片測試原理，設計了一款便攜式可應用于多普勒計程儀系統(tǒng)換能器檢測的阻抗測試裝置，與傳統(tǒng)的阻抗分析儀相比具有集成度高、成本低、操作簡單和便于攜帶等優(yōu)勢，可應用于多普勒計程儀日常測試與維護。