专利名称：数字真有效值检波模块的制作方法
技术领域：
所属领域本实用新型属于声学振动测量仪器专用器件，尤其适用于声级计的带ROM和嵌入软件的数字真有效值检波电路模块。
背景技术：
声级计是一种用于测量声音的声压级的精密仪器，它是声学测量中广泛使用的仪器，在建筑声学和电声学测量中得到广泛应用。随着人类社会文明的进展与物质生活水平的提高，噪声普查、噪声防治和声环境保护等工作，涉及机器制造、交通运输和家用电器以及健身娱乐等诸多行业的声环境测量，因而，在国民经济越来越多的领域里都得到广泛应用。
声级计由传声器、前置放大器、频率计权模块、检波及时间计权模块、输出接口以及显示指示器组成，检波器(检波及时间计权模块)是声级计的重要功能部件。
现有技术的检波器采用分离元件的对数有效值检波器和AD536/AD637一类集成有效值检波器件，现有技术的对数有效值检波器或专用器件的性能受电子器件的限制，它的有效值计算采用逼近计算，计算精度不高，其决定时间计权精度的时间常数由外接电容器值决定，电容器值易受环境条件变化，使时间计权的时间常数随环境而变，致使现有技术的有效值检波器存在下列缺陷(1)受器件性能的影响，动态范围小，线性范围小。
(2)模拟检波器电路和器件的温度稳定性易受环境温度影响，导致电路的稳定性差，有效值计算的精度低。
(3)测量信号的工作频率范围较窄，采用对数放大器的模拟对数检波器，采集信号时要求放大量大，运放在高频时的放大量不能满足要求，导致频率范围上限窄，在12.5 kHz～16kHz。
(4)所用元器件多，模拟器件的一致性差，可靠性低，时间计权的精度低。
发明内容
本实用新型为了克服现有技术的上述缺陷，公开了一种数字真有效值检波模块，由大动态范围模数转换器和真有效值检波与时间计权处理器构成，智能20位A/D转换器的动态范围达到90dB，外形尺寸小，可用于通用和标准声级计，满足其声学测量和声学校准灵敏度要求。
数字真有效值检波模块，在于由数字真有效值检波模块电路板1以及安装在该模块电路板1上的大动态范围模数转换器11和真有效值检波与时间计权处理器12构成，其中大动态范围模数转换器11包括三路同步采样信号的A/D0模数转换电路111、A/D1模数转换电路112和A/D2模数转换电路113以及三路A/D转换器和采样数据缓冲区；真有效值检波与时间计权处理器12为单片机；三路信号采样模数转换电路的模数转换器件分别是单片机上的三个A/D转换器，采样数据缓冲区设置在单片机的RAM中；三路同步采样信号的A/D0模数转换电路111、A/D1模数转换电路112和A/D2模数转换电路113的输入端连接外部模拟采样信号2的输出端；单片机12的Flash ROM中存储有真有效值检波与时间计权处理程序；单片机12的LED显示接口连接外部的LED显示器4；单片机12的RS232串行接口连接数字真有效值检波模块所属的系统后端计算机5；单片机211的二路D/A输出端连接分贝指示的直流表6；数字真有效值检波模块电路板1的供电连接外部电源3。
所述数字真有效值检波模块，在于大动态范围模数转换器11是一个20位A/D采样数据合成器，它由12位采样信号模数转换电路A/D0212、12位采样信号模数转换电路A/D1213和12位采样信号模数转换电路A/D2214以及单片机211上的20位A/D采样数据缓冲区组成，其中12位采样信号模数转换电路A/D0212包括一个绝对值放大器215和单片机211自带的一个12位A/D转换器，绝对值放大器215的输出端连接单片机211的一个A/D转换器的输入端；12位采样信号模数转换电路A/D1213包括一个24倍信号放大器216、一个绝对值放大器217和单片机211自带的一个12位A/D转换器，绝对值放大器217的输出端连接单片机211的一个A/D转换器的输入端；12位采样信号模数转换电路A/D2214包括一个28倍信号放大器218、一个绝对值放大器219和单片机211自带的一个12位A/D转换器，绝对值放大器219的输出端连接单片机211的一个A/D转换器的输入端；绝对值放大器215、217和219分别由两级运算放大器构成；12位采样信号模数转换电路A/D0212、12位采样信号模数转换电路A/D1213和12位采样信号模数转换电路A/D2214的三路输出选择一路存入20位A/D采样数据缓冲区。
在单片机211上的真有效值检波与时间计权处理程序控制下，定时中断，三路12位A/D采样电路同步采样，按照采样的A/D信号的幅度，三路选择一路送20位A/D采样数据缓冲区，当采样输入为小信号，即12位采样信号模数转换A/D0212不溢出时，关闭A/D1213和A/D2214的输出，选择A/D0212的输出送20位A/D采样数据缓冲区；当A/D0212溢出时，而且采样信号放大24倍后，经A/D转换仍不溢出时，关闭A/D0212和A/D2214的输出，选择采样信号放大28倍后的A/D1213的输出送20位A/D采样数据缓冲区；当经A/D转换的A/D0和A/D1的输出信号均溢出时，关闭A/D0212和A/D1213的输出，选择A/D2214的输出送20位A/D采样数据缓冲区；20位采样信号A/D转换的最大动态范围为90dB。
三路12位A/D转换器以及20位A/D采样数据缓冲区都在单片机211上，采用运算放大器的信号放大器和绝对值放大器以及20位A/D采样数据合成数据，具有大动态范围和高温度稳定性。
所述的数字真有效值检波模块，在于三路12位A/D转换器为高速的模拟/数字转换器件，选用高速的、低功耗的单片机，单片机自带三个以上的A/D转换器。
优选MSP430系列MSP430F149，自带8个A/D转换器，采样率达到150kSPS～200kSPS，模块的测量频率上限在20k以上。
所述的数字真有效值检波模块，在于数字真有效值检波模块电路板的面积为2000mm2～2500mm2，其厚度6～10mm；数字真有效值检波模块采用数字器件和较少分离元件，电路板体积小。
所述的数字真有效值检波模块，在于数字真有效值检波模块的输出接口包括RS232串行接口、双路直流输出和LED显示接口，其中RS232串行接口连接声学测量系统计算机；双路直流输出连接直流电表或数据采集器；LED显示接口连接3位半七段数码管LED显示器。
真有效值检波模块的输出接口包括RS232串行接口、双路直流输出和LED显示接口，它们由单片机211自带，模块的输出接口功能齐全。
本实用新型的优点在于(1)本实用新型模块采用高速的单片机自带的三个12位A/D转换器，通过同步采样的三路12位的A/D采样数据选一，合成一路20位的A/D采样数据输出，提高了动态范围，获得高精度的检波结果，而且成本低。
(2)本实用新型模块采用真有效值检波与时间计权处理器，有效值严格按照有效值定义公式进行计算，时间计权是数字指数平均，时间常数是单片机211预置的参数，提高了处理精度和数据稳定性以及可靠性。
(3)采用AD转换采样和嵌入单片机的处理软件，直接计算均方根值即真有效值，工作频率范围宽，工作频率上限f上可达到20kHz，满足国际声级计标准IEC61672-2002中f上≥16kHz的要求。
(4)模块由同一个单片机和多个同型运算放大器组成，所用元器件较少，一致性好，可靠性高。
图1是本实用新型数字真有效值检波模块的构成示意图；图2是本实用新型数字真有效值检波模块实施例的电原理框图；图3是本实用新型数字真有效值检波模块数字信号处理程序框图；图4是本实用新型数字真有效值检波模块数字信号处理的定时中断采样子程序框图；图5是本实用新型数字真有效值检波模块实施例的电原理框图；图6是本实用数字真有效值检波模块20位A/D采样数据合成示意图。
图1中1—数字真有效值检波模块电路板；11—大动态范围模数转换器、12—真有效值检波与时间计权处理器、111—A/D0模数转换电路；112—A/D1模数转换电路；113—A/D2模数转换电路；2—模拟采样信号源；3—外部电源；4—外部的显示器；5—外部的计算机；6—外部的直流表。
图2中21—数字真有效值检波模块电路板；211—单片机、212—12位采样信号模数转换电路A/D0、213—12位采样信号模数转换电路A/D1、214—12位采样信号模数转换电路A/D2；215—绝对值放大器；216—24信号放大器；217—绝对值放大器；218—28信号放大器；219—绝对值放大器。
图5中51—数字真有效值检波模块电路板；511—单片机；512—双运放绝对值放大器；513—24倍运算放大器；514—双运放绝对值放大器；515—24倍运算放大器；516—双运放绝对值放大器。
具体实施方式
以下结合附图给出本实用新型的实施例图2是本实用新型数字真有效值检波模块实施例的电原理框图；图3是本实用新型数字真有效值检波模块数字信号处理程序框图；图4是本实用新型数字真有效值检波模块数字信号处理的定时中断采样子程序框图；图5是本实用新型数字真有效值检波模块实施例的电原理框图；图6是本实用新型数字真有效值检波模块20位A/D采样数据合成示意图。
图1给出的是本实用新型数字真有效值检波模块的构成示意图。数字真有效值检波模块由数字真有效值检波模块电路板1以及安装在模块电路板1的大动态范围数模转换器11和真有效值检波与时间计权处理器12构成。大动态范围数模转换器11由包括A/D0模数转换电路111、A/D1模数转换电路112和A/D2模数转换电路113，三路模数转换电路从前端的模拟采样信号源的输出端同步采样，三路模数转换电路的输出送真有效值检波与时间计权处理器12处理，处理结果经转换加到显示器4、计算机5和直流表6。
图2给出了本实用新型数字真有效值检波模块实施例的电原理框图。大动态范围模数转换器是由12位采样信号模数转换电路A/D0212、12位采样信号模数转换电路A/D1213和12位采样信号模数转换电路A/D2214以及单片机211上的20位A/D采样数据缓冲区构成的一个20位A/D采样数据合成器。三路12位采样信号模数转换电路A/D0212、A/D1213和A/D2214的采样输入端并联，三路同步采样。
12位采样信号模数转换电路A/D0212包括一个绝对值放大器215和单片机211自带的一个12位A/D转换器A/D0，绝对值放大器215的输出端连接单片机211的A/D0转换器的输入端，采样时，正负交变采样信号经绝对值放大器215放大，成为正直流钳位的交变信号，再经单片机211上的A/D0转换器转换成12位数字信号。
12位采样信号模数转换电路A/D1213包括一个24倍信号放大器216、一个绝对值放大器217和单片机211自带的一个12位A/D转换器A/D1，绝对值放大器217的输出端连接单片机211的A/D1转换器的输入端，采样时，正负交变采样信号经24倍信号放大器216放大和绝对值放大器217放大，成为正直流钳位的交变信号，再经单片机211上的A/D1转换器转换成12位数字信号。
12位采样信号模数转换电路A/D2214包括一个28倍信号放大器218、一个绝对值放大器219和单片机211自带的一个12位A/D转换器A/D2，绝对值放大器219的输出端连接的A/D2转换器的输入端，采样时，正负交变采样信号经28倍信号放大器218放大和绝对值放大器219放大，成为正直流钳位的交变信号，再经单片机211上的A/D2转换器转换成12位数字信号。
数字真有效值检波模块电路板21上的双电源+Vcc、-Vcc和GND连接在外部电源3的输出端，采样输入端接自外部的模拟采样信号源2，采样输入端连接绝对值放大器215、24信号放大器216和28信号放大器218的输入端；三路绝对值放大器215、217和219的输出端分别连接单片机211的三个A/D转换器A/D0、A/D1和A/D2的输入端。
12位采样信号模数转换电路A/D0212、12位采样信号模数转换电路A/D1213和12位采样信号模数转换电路A/D2214在单片机211的定时中断和采样程序控制下对模拟信号源同步采样和模数转换，并在A/D0、A/D1和A/D2三路A/D转换器的输出中选择一路存入20位A/D采样数据缓冲区。图3与图4给出的是本实用新型数字真有效值检波模块数字信号处理程序框图与定时中断和采样程序框图。
数字真有效值检波模块加电后，启动单片机211数字信号处理程序，调用初始化设置的定时中断周期和采样时间、有效值计算以及时间计权参数，本实用新型实施例的定时中断周期设置为20μs～50μs，实施例设置为22μs；激活定时中断和采样程序，每22μs定时中断一次，三路12位采样信号模数转换电路A/D0、A/D1和A/D2同步采样和模数转换，并对三路12位采样信号模数转换A/D0、A/D1和A/D2输出作三选一处理，首先判断A/D0是否为全1，如为“N”，即采样信号是小信号，12位A/D转换结果不溢出，取12位A/D0结果存入20位A/D采样缓冲区；如为“Y”，则继续判断A/D1是否为全1，如为“N”，即采样信号是中信号，12位A/D转换结果不益出，就取12位A/D1结果并左移4位后存入20位A/D采样缓冲区；如为“Y”，则取12位A/D2结果并左移4位后存入20位A/D采样缓冲区；当A/D0、A/D1和A/D2输出三选一存入20位A/D采样缓冲区后，退出定时中断；然后，等待下一次定时中断，一次次中断采样、模数转换和三选一存入20位A/D采样缓冲区。
一次定时中断采样、模数转换和三路A/D转换数据输出选一存入20位A/D采样缓冲区的数据，按照交变信号有效值计算公式(1)进行真有效值计算 上一次计算得到的有效值送到有效值移位寄存器，当本次有效值送到有效值移位寄存器时，将上一次有效值移出，本次有效值与上一次有效值进行时间计权计算，依次形成一次次的时间计权递推结果；当需要输出结果时，将结果经单片机自带的D/A转换器作数模转换后，送外部直流电表指示，同时经LED显示转换接口，送外部3位半七段数码管LED显示器显示，同时还可经RS232串行接口，送外部系统计算机。
图5给出本实用新型数字真有效值检波模块一个实施例的电原理框图。单片机511采用型号为MSP430F149的高速、低功耗单片机，带有8个高速A/D转换器A/D0～A/D7、2个高速D/A转换器D/A1和D/A2、一个RS232串行接口以及LED显示转换接口。绝对值放大器512、514和516采用两级TLE2022运算放大器，24倍信号放大器513和515采用一级TLE2022运算放大器。
12位采样信号模数转换电路A/D0包括绝对值放大器512和单片机511自带的12位A/D转换器A/D0，绝对值放大器512的输出端连接A/D0转换器的输入端。
12位采样信号模数转换电路A/D1包括24倍信号放大器513、绝对值放大器514和单片机511自带的12位A/D转换器A/D1，24倍信号放大器513的输出端连接绝对值放大器514的输入端，绝对值放大器514的输出端连接A/D1转换器的输入端。
12位采样信号模数转换电路A/D2包括二个24倍信号放大器513和515、一个绝对值放大器516和单片机511自带的12位A/D转换器A/D2，24倍信号放大器513的输出端连接24倍信号放大器515的输入端，24倍信号放大器515的输出端连接绝对值放大器516的输入端，绝对值放大器516的输出端连接单片机511的A/D转换器A/D2的输入端。
本实新型用数字真有效值检波模块20位A/D采样数据合成示意图如图6所示。MSP430F149每22μs对三路12位采样信号模数转换电路A/D0、A/D1和A/D2同步采样和模数转换，首先判断A/D0是否为全1，如为“N”，即采样信号是小信号，12位A/D转换结果不溢出，取12位A/D0结果存入20位A/D采样缓冲区；如为“Y”，则继续判断A/D1是否为全1，如为“N”，即采样信号是中信号，12位A/D转换结果不益出，就取12位A/D1结果并左移4位后存入20位A/D采样缓冲区；如为“Y”，则取12位A/D2结果并左移4位后存入20位A/D采样缓冲区；这样就将A/D0、A/D1和A/D2输出三选一存入20位A/D采样缓冲区中。
数字真有效值检波模块可应用于声学振动测量仪器的声级计中，在用于时间计权声级测量时，满足国际电工委员会IEC61672-2002《声级计》中F、S、I三种时间计权对1级仪器的要求。
权利要求1.数字真有效值检波模块，其特征在于由数字真有效值检波模块电路板(1)以及安装在该模块电路板(1)上的大动态范围模数转换器(11)和真有效值检波与时间计权处理器(12)构成，其中大动态范围模数转换器(11)包括三路同步采样信号的A/D0模数转换电路(111)、A/D1模数转换电路(112)和A/D2模数转换电路(113)以及三路A/D转换器和采样数据缓冲区；真有效值检波与时间计权处理器(12)为单片机；三路信号采样模数转换电路的模数转换器件分别是单片机上的三个A/D转换器，采样数据缓冲区设置在单片机的RAM中；三路同步采样信号的A/D0模数转换电路(111)、A/D1模数转换电路(112)和A/D2模数转换电路(113)的输入端连接外部模拟采样信号(2)的输出端；单片机(12)的Flash RAM中存储有真有效值检波与时间计权处理程序；单片机(12)的LED显示接口连接外部的LED显示器(4)；单片机(12)的RS232串行接口连接数字真有效值检波模块所属的系统后端计算机(5)；单片机211的二路D/A输出端连接分贝指示的直流表(6)；数字真有效值检波模块电路板(1)的供电连接外部电源(3)。
2.根据权利要求1所述数字真有效值检波模块，其特征在于大动态范围模数转换器(11)是一个20位A/D采样数据合成器，它由12位采样信号模数转换电路A/D0(212)、12位采样信号模数转换电路A/D1(213)和12位采样信号模数转换电路A/D2(214)以及单片机(211)上的20位A/D采样数据缓冲区组成，其中12位采样信号模数转换电路A/D0(212)包括一个绝对值放大器(215)和单片机(211)自带的一个12位A/D转换器，绝对值放大器(215)的输出端连接单片机(211)的一个A/D转换器的输入端；12位采样信号模数转换电路A/D1(213)包括一个24倍信号放大器(216)、一个绝对值放大器(217)和单片机(211)自带的一个12位A/D转换器，绝对值放大器(217)的输出端连接单片机(211)的一个A/D转换器的输入端；12位采样信号模数转换电路A/D2(214)包括一个28倍信号放大器(218)、一个绝对值放大器(219)和单片机(211)自带的一个12位A/D转换器，绝对值放大器(219)的输出端连接单片机(211)的一个A/D转换器的输入端；绝对值放大器(215)、(217)和(219)分别由两级单电源运算放大器构成；12位采样信号模数转换电路A/D0(212)、12位采样信号模数转换电路A/D1(213)和12位采样信号模数转换电路A/D2(214)的三路输出选择一路存入20位A/D采样数据缓冲区。
3.根据权利要求1或2所述的数字真有效值检波模块，其特征在于三路12位A/D转换器为高速的模拟/数字转换器件，选用高速的、低功耗的单片机，单片机自带三个以上的A/D转换器。
4.根据权利要求1所述的数字真有效值检波模块，其特征在于数字真有效值检波模块电路板的面积为2000mm2～2500mm2，其厚度6～10mm。
5.根据权利要求1或4所述的数字真有效值检波模块，其特征在于数字真有效值检波模块的输出接口包括RS232串行接口、双路直流输出和LED显示接口，其中RS232串行接口连接声学测量系统计算机；双路直流输出连接直流电表或数据采集器；LED显示接口连接3位半七段数码管LED显示器。
6.根据权利要求3所述的数字真有效值检波模块，其特征在于数字真有效值检波模的输出接口包括RS232串行接口、双路直流输出和LED显示接口，其中RS232串行接口连接声学测量系统计算机；双路直流输出连接直流电表或数据采集器；LED显示接口连接3位半七段数码管LED显示器。
专利摘要本实用新型属于声学振动测量仪器专用器件，尤其适用于声级计的带ROM和嵌入软件的数字真有效值检波电路模块，本实用新型克服现有技术的缺陷，公开了一种数字真有效值检波模块，由大动态范围模数转换器和真有效值检波与时间计权处理器构成，智能20位A/D转换器的动态范围达到90dB，外形尺寸小，可用于通用和标准声级计，满足其声学测量和声学校准灵敏度要求，数字真有效值检波模块可应用于声学振动测量仪器的声级计中，在用于时间计权声级测量时，满足国际电工委员会IEC61672－2002《声级计》中F、S、I三种时间计权对1级仪器的要求。
文档编号G01H17/00GK2916599SQ200620103140
公开日2007年6月27日 申请日期2006年4月28日 优先权日2006年4月28日
发明者熊文波, 张绍栋 申请人:杭州爱华仪器有限公司