测试测量设计实例（一）

一、简易多波形信号发生器电路设计

　　信号发生器在电子实验中作为信号源，通常用得多的是正弦波、三角波、方波以及用作触发信号的脉冲波。本次制作的是能产生九种波形的信号发生器。

　　设计目标是简单易制、工作可靠、信号频率在音频范围连续可调，即20Hz～20KHz，输出信号电压能与TTL电平兼容。

　　电路中采用了两块CMOS数字集成电路74C04（内含六个反相器）和74C14（内含六个带施密特电路的反相器）。

　　电路见图1，由反相器IC1的a、b、c三个并连，和电阻W1+R1、电容C1、C2、C3构成振荡器以产生三角波，振荡频率计算公式为f=1/1.7RC。振荡频率分为×10、×100、×1k三段、用开关K2改变接入的电容量粗调频率，由电位器W1细调20~200Hz、200~2kHz、2k~20kHz，覆盖音频频段。三角波经射极跟随器T2输出，约3VP-P。此三角波经施密特触发器IC2a整形为方波，再经IC2b~f并联输出（多个门电路并联以提高驱动能力），其电平兼容TTL。IC1d、IC1e~f构成两级线性放大器，用于将三角波整形为模拟正弦波，原理是利用放大器饱和将三角波的尖端限幅为圆形，再经射极跟随器T1输出，约6.5VP-P。当波形选择开关K3将电阻R2和二极管D1或D2接入电路时，输出的方波被整流为正电压或负电压加到三角波发生器的输入端，构成压控振荡器（VCO），从而获得极性不同的锯齿波或脉冲波，脉冲宽度取决于电阻R2和积分电容的大小。如此构成一个实用的多波形信号发生器，开关K3是波形选择开关，其位置与波形的关系见附表。

　　积分电容C1、C2、C3选用温度特性好的薄膜电容，容量值要求准确，每组电容器由两个电容器并联以得到需要的数值，需用数字万用表的电容档精选，才能保证三条频率刻度的—致性。电容C4、C5一定要用无极性电容，可用两个4.7μ有极性电介电容同极性串连代替。电容C6、C7用钽电介。图1中未注明电压的电容器均选用50V。频率细调电位器W1选用金属壳全密封碳膜电位器，最好选用阻值变化为线性（即型号后缀带有“X”）的。开关K2、K3选用小型—刀三位波段开关。9V直流稳压电源选用小电流的三端稳压集成电路78L09。六施密特触发器74C14也可用HEF40106直接代换。

　　由于采用低耗电的C-MOS电路，本机也可用9V积层电地供电。

　　电路制作完成后需要调整的只有正弦波形。有示波器时可在示波器监视下调整微调电阻W2、W3，使波形最接近正弦波；无示波器时，可将正弦波输出接到家用音频功放的输入端，频率调整到数百周，调W2、W3使声音最悦耳即可。

　　制作难点是面板上的频率刻度盘的绘制及校准。下面详细介绍：

　　读数标尺的制作：

　　读数标尺与频率细调电位器W1的旋钮为—体。选择一块无划痕的透明板（如薄有机玻璃板或CD盒盖），接图2裁取—块，其长度以面板能容纳的半径为限（长些为好），作为标尺，经过圆心用针尖刻一直线槽，在槽中涂上红色墨水，形成一条红线，作为读数标线；用502胶水或AB双管胶将标尺与旋钮底面对接粘合。

　　刻度校准：

　　用AUTOCAD或CAXA制图软件，作一直径约100mm的圆（直径大些，绘图时易于估计小数），点击“等分弧”，将圆周分为100等分，打印两份（当然也可手工用圆规和量角器完成此工作）。将其中一份按标尺长度为半径裁剪—个圆，临时粘合到面板上W1位置。将带标尺的旋钮固定到W1轴上，根据标线确定W1旋转的起点和终点位置，一般电位器旋转范围为0~253度，在绘制的等分圆周上约0~70.4格。

　　打开发生器电源，让其工作一段时间预热稳定。将频率粗调开关K2置“×100挡”、波形选择开关K3置“1”档，在方波输出端接上数字万用表的“测频率档”，从“0”开始旋转W1，在频率的整数位记下标线指示的刻度值（如1KHz，17.3格等）并列出表格；在K3的另外两挡位重复上面工作。

　　绘制频率刻度：

　　利用上面测绘的三个刻度表，在绘图软件窗口画出各刻度线。如果无条件使用计算机绘图，可利用绘制的等分圆周图和透明直尺手工绘制出三条频率刻度。

　　将绘制的刻度盘粘合到面板上相应位置。在K3的各档位测试一遍刻度与输出频率的对应关系，你会发现，如果电容C1、C2、C3的数值准确的话，各档刻度与输出频率基本吻合，完全能满足业余使用的要求。至此，这台多波形发生器就完成了。

二、基于AMR技术的智能水表方案

　　随着人类社会不断的发展，作为不可替代的自然资源--水资源也开始面临着种种问题和危机。人口的增长、工农业的快速发展，使得人类对水的需求逐年增加。无序的开发和环境的污染更加重了水资源的危机。曾经的蓝色星球也变得越来越饥渴。各国政府和组织都相继制定政策和法规力图建立节水型社会体系。一系列的节水措施给水表制造产业的发展带来机遇，同时也提出了挑战。

　　目前国内水表的种类很多，按照测量原理可以分为速度式水表和容积式水表，按照结构和技术可分为纯机械式，带电子装置的混合式和全固态电子式水表。因为成本的原因，纯机械式和混合式占据了国内水表市场的绝大多数。但随着计量技术的发展，也日益暴露出很多问题：

　　始动流量大，也就是灵敏度差

　　漏损率高

　　稳定性差

　　性能低，量程比小，特别是小流量精度差

　　功耗高，使用寿命短等

　　2008年，我国从水资源管理的实际需求出发，并考虑与国外先进标准接轨，全面提升水表产业技术水平，发布了等同采用ISO4064－2005 《封闭满管道中水流量的测量 饮用冷水水表和热水水表》的GB/T 778－2007国家标准，对水表流量值和量程比重新做了规定。传统的机械式水表往往因为系统材料、机械加工等原因，大多量程比不高，要实现新标准要求的更高量程比的水表，往往需要非常长的设计、测试和标定周期，往往造成更多的资金、人员和时间的投入。而新的计量技术例如超声波和电磁感应等往往因为器件、生产成本等因素只能适用于特殊的场合，无法大规模的应用于普通电子水表中。

　　如何在保持现有基表设计的基础上设计出更高计量参数的水表也现实地摆在水表行业面前。EPSON结合自身电子元器件特点和感检测技术，最新推出了完整的超低功耗电子水表解决方案，很好的解决了以上种种问题。该方案仍然采用普通的速度式水表基表部分，取消了传统计数齿轮和磁簧开关等易损部件，采用了非接触式各向异性磁阻传感器（AMR）来检测叶轮转动，大大提高了流量检测的灵敏度；在软件补偿算法的配合下，计量特性有了实质性的提高；使得高量程比、高精度的电子水表成为可能。

　　Energy Saving作为EPSON电子元器件的最重要的设计理念，也体现在这款电子水表方案中。无论是专用处理器和各向异性磁阻传感器（AMR）都采用低功耗设计生产技术，特别针对电池供电系统。

　　方案框图如图所示：

　　水量检测通过安装在叶轮转动轴上的磁铁随着水流旋转，在周边产生方向周期性变化的磁场，放置在磁铁上方的各向异性磁阻传感器（AMR sensor）将磁场变化信号转变成电信号，交由专用处理器进行计量、错误检测等处理、并将结果通过液晶或脉冲输出。

　　除了一般流量统计外，专用处理器还支持多种检测模式，例如瞬时流速、滴漏检测，水流倒转等附加功能，为流量的实时检测、实时控制提供了便利。水流方向的设置，即使水表倒装，也可以正常统计反转流量； 检测周期的设置，让开发者有更灵活的检测精度和功耗管理的选择。

　　AMR传感器一般由硅或玻璃基板上覆以铁磁体合金材料的薄膜构成。薄膜电阻值随着外加磁场的强度和方向而变化，因此被称为各向异性磁阻传感器（Anisotropic Magnet Resistance），当外界磁场方向垂直于电流方向时（90°。270°），电阻变化最大，外界磁场方向平行于电流方向时，电阻变化最小；根据这个特性，将磁场方向转变为电阻变化，进而转化为电压的变化，最终由微处理器来分析处理。

　　相比于目前传统的电子水表，EPSON的电子水表方案具有如下明显的优势：

　　流量测量性能/功能提高

　　方案中采用的一颗AMR传感器芯片采用小型的SOP8封装，内部集成了两组全桥 磁阻网络，互呈45度角放置， AB两相输出为相位