基於LabVIEW測試音頻功率放大器

2020-11-22 電子產品世界

摘要：本文介紹了將虛擬儀器技術引入到音頻分析儀器的設計，採用LabVIEW編寫程序。通過測試典型的音頻放大器，檢測虛擬式音頻放大器測試的實用效果，測量音頻信號的電壓與頻率、時域幅值分析、頻域分析、失真分析和信噪比等。
關鍵詞：LabVIEW；音頻放大器；時域分析；信噪比

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/83298.htm

1 引言

　　在果樹的仿形噴霧過程中，噴藥量的多少及噴霧距離是由運算處理設備（如計算機等）將數字控制信號進行D/A轉換並控制噴嘴實現的。由於D/A轉換後的信號無法直接驅動噴嘴等執行機構，必須對此信號進行功率放大。控制電壓的頻率在音頻的範圍內（20Hz～20kHz），可以採用常用的音頻功率放大器。為了準確的進行仿形噴霧，有必要對所選用的音頻放大器的輸入/輸出關係、飽和電壓、信噪比、失真度等參數進行測試。

　　進行比較完整的音頻測試分析需要購置各種價格昂貴的專用儀器，如低失真音頻信號源、頻譜分析儀、示波器、失真度測量儀等，而且需要整合成整套的音頻測試系統，這對於一般的實驗室而言存在較大的困難。此外，傳統儀器不具備頻率響應特性分析等圖形界面的分析功能，數據的存儲和列印功能比較弱 [1]。

　　隨著現代電子技術、微處理器以及個人計算機的不斷發展，虛擬儀器的興起給功率放大器性能的研究分析提供了新的途徑。本文在研究音頻分析基本原理和主要內容的基礎上，提出了將虛擬儀器技術引入功率放大器測試與分析系統的設計開發的思想。

2 音頻分析原理

2.1 連續信號的採樣[2]

　　在以計算機為中心的測試系統中，模擬信號x(t)進入數字計算機前先經過數據採集卡（DAQ）中的採樣器將連續時間信號變為離散時間信號，成為採樣信號x(n)而後再經A/D轉換器在幅值上量化變為離散的數位訊號。

　　若連續時間信號x(t)被數據採集卡中的採樣器以等時間間隔T採樣，則採樣時刻0，T，2T…所取得信號 x(t)的瞬時值，構成了連續信號 x(t)的離散時間序x(n)。

2.2 採樣信號的FFT變換（傅立葉變換）[3]

　　周期信號可以利用周期函數 x(t)表示 任何一個周期為T 的周期函數 x(t)如果在[-T /2,T /2]上滿足Dirichlet條件則可以展開為如下傅利葉級數，如式（1），

                       （1）

　　其中，a0為直流分量， an為餘弦分量的幅值，bn為正弦分量的幅值，An為各頻率分量的幅值，φn為各頻率分量的相位，ω為角頻率。

2.3 正弦信號檢測

　　正弦信號是最簡單的周期信號，其最大的特點是只有單一頻率的頻譜分量。在音頻分析中，正弦信號又稱為單音信號。將特定的單音信號輸入待測得音頻設備，通過檢測設備的輸出信號就可以了解在該頻率的失真情況。將頻率在20-20kHz之間的若干個單音信號依次輸入音頻放大器，分別測量各輸出信號的情況，可以做出相對應的諧波失真曲線，頻率響應等。

3  基本參數的測量

　　本次測試的項目包括：

　　（1）不同頻率下放大器的放大係數A及飽和電壓Vd。測試的方法為在頻率一定的情況下，逐漸增大輸入正弦信號的峰-峰值，記錄相對應的輸出信號峰-峰值並觀察波形，一直增大輸入電壓直至輸出信號波形出現失真，記錄此時的輸入、輸出峰-峰值並計算放大係數。

　　（2）放大器的通頻帶。測試的方法為在輸入信號幅值一定的情況下，改變其頻率，觀察輸出信號的幅值，在其下降至半功率點時，記錄上、下限頻率fhigh和flow，則放大器的通頻帶為：F=fhigh－flow。

　　（3）諧波失真分析。由於輸入信號為正弦波，則式（1）中an=0；輸入的正弦波其直流分量設定為0，即a0=0。且正弦波在理想狀態下只包含基頻分量，則輸入信號和輸出信號的表達式分別如式（2），（3）：

                                   （2）

                                   （3）

其中A為放大係數。

　　但是，由於放大器的非線性失真、噪聲等因素，輸出信號會疊加上其他頻率的信號。則諧波失真可用失真度來表示[1]，如式（4）

                              （4）

其中，b1是信號基頻分量的幅值；

bi（2≤i≤N）是信號各次諧波分量的幅值；

bn是噪聲幅值；DISTN為失真度。

（4）信噪比計算。本系統採用電壓進行信噪比的計算，如式（5）所示：

                                          （5）

　　其中，Vs表示輸出的信號電壓幅值，Vn表示輸出的噪聲電壓幅值。由於在輸出的信號中，分離出有用信號和噪聲信號不易實現，所以在現實的測量中，用輸出的總電壓值代替有用信號電壓值。

3.1 測試系統簡介[4]

 

　　如圖1所示,本測試採用美國國家儀器公司生產的多功能數據採集卡PCI－6024E，該數據採集卡的功能包括：16路模擬輸入通道，採樣率為100kSa/s，精度為12位；2路模擬輸出通道，每通道更新率為100kSa/s，精度為12位；8個數字I/O口；2個24位定時/計數器。

　　軟體設計採用NI公司的圖形化程式語言LabVIEW 7.0。設計中，將系統分為5個模塊：信號發生模塊，信號採集模塊，計算模塊，分析與顯示模塊，數據存儲模塊。

3.2 各功能模塊簡介

3.2.1 信號發生模塊[5]

　　信號發生模塊的作用是產生頻率、相位、幅值、直流偏置及信號類型均可調的信號。產生的波形由PCI－6024E的模擬通道輸出，作為音頻放大器的輸入信號。其前面板如圖2所示。

3.2.2 信號採集模塊

　　信號採集的過程為：

（1）定義通道：由於共需採集兩路信號，所以使用了數據採集卡中的模擬輸入通道0和通道1；

（2）採集參數設定：需要設定的參數包括緩存區的大小以及採樣率。為簡化設計並最大限度地利用數據採集卡的功能，採樣率的設定為100kSa/s。緩存區的作用是在高頻信號測量時，計算機並不將所有的信號都進行計算、顯示等一系列的操作，而是將一部份信號放入緩存區內，用以滿足計算的需要但不用來顯示，這樣可以提高計算機處理的效率。

（3）信號採樣：在虛擬儀器軟體中有專門的子VI完成其功能。

（4）讀入信號：將採樣後的離散信號存入計算機內存中，可以對該波形進行顯示、計算等操作。

3.2.3 計算模塊

計算模塊中分別包括FFT Spectrum、Extract Single Tone Information 及Harm Analyze三個子VI。此外，由於LabVIEW中沒有信噪比測量的子VI，還需使用公式節點計算信噪比。計算模塊的原始碼如圖3 所示。

3.2.4 分析與顯示模塊

該模塊的功能是將測試項目的結果以及數據採集卡所採集到的波形、經過傅立葉變換後的頻譜圖直觀地在計算機屏幕上進行顯示。其前面板如圖4和圖5所示。

4 測試數據

系統所測試的放大電路是一個由集成運放與電晶體組成的OCL功率放大器。

4.1 輸入/輸出關係測試

保持正弦波1kHz和10kHz的輸入頻率不變，改變輸入幅值，測量輸入與輸出，得到的數據如表1所示：

表1輸入信號與輸出信號的關係

信號頻率/kHz

輸入/mV

20

30

50

80

100

200

500

800

1000

1200

1680

1

輸出/mV

130

210

340

500

620

1320

3120

4690

5790

6930

9630

10

輸出/mV

130

210

340

500

620

1330

3120

4730

5840

6960

9680

 

根據表1中的數據，繪製輸入輸出關係曲線，如圖6、圖7所示：

 

對圖6中曲線進行回歸分析，得到放大器輸入/輸出關係式為：Vo=5.716Vi+84.333 (mV)

對圖7中曲線進行回歸分析，得到放大器輸入/輸出關係式為：Vo=5.7497Vi+83.331 (mV)

由以上兩式可以得出放大器在線性工作區的放大係數A約為5.7×2=11.4；兩式中均體現輸出信號中包含了84mV左右的直流偏移。

4. 2 失真度測試數據

保持輸入信號頻率為1kHz，改變輸入信號的幅值，測量的失真度如表2所示：

表2 失真度測試數據

輸入/mV

20

30

50

100

200

300

500

失真度/%

1.763

1.1944

0.7805

0.7541

0.7717

0.7843

0.7961

 

由表2可以看出，該音頻信號放大器的失真度當輸入信號為50mv以上時，基本上保持在1%以內，滿足對失真度的要求。20mV和30mV時失真度比較大的原因是輸入信號的幅度比較小，噪聲的影響比較大。

4. 3 信噪比測試數據

保持輸入信號頻率為1kHz，改變輸入信號的幅值，測量的信噪比數據如表3所示：

表3 信噪比測試數據

輸入/mV

20

30

50

100

200

300

500

信噪比/dB

52.602

57.685

63.228

63.674

63.376

63.182

62.971

 

由表3可以看出，待測放大器的信噪比在輸入信號頻率為1kHz時為63dB左右，由於該放大器為手工焊制，對於信號間相互幹擾的屏蔽措施不足是造成信噪比低的一個主要原因。

4. 4 通頻帶測試

當輸出電平在某個低頻點下降了3dB，則該點為下限頻率，同樣在某個高頻點處下降了3dB，則定為上限頻率。由於PCI－6024E的採樣率最大值為100kSa/s，無法實現上限頻率的測量。在此使用了英國PICO公司生產的虛擬示波器，其採樣頻率最大值為5MHz，可以實現音頻放大器上限頻率的測量。分別在200 mv、400mv、800mv、1200mv輸入幅值一定的情況下，測試放大器的3dB帶寬數據如表4所示：

表4 截止頻率測試數據

輸入幅值/mV

下限頻率/Hz

上限頻率/kHz

200

19.24

348.1

400

18.58

408.7

800

17.05

407.2

1200

15.47

334.4


5 結論

（1）實驗中測試軟體採用LabVIEW編寫，利用其豐富的測試函數配合數據採集卡縮短了開發時間，實現了對功率放大器信號頻率、振幅、放大係數、諧波失真、截止頻率、信噪比等參數的測試與分析。

（2）音頻放大器的上限頻率在本次測量中受數據採集卡的採樣頻率限制，使用了其他儀器完成測量。新式的數據採集卡其採樣頻率完全可以勝任音頻放大器上限頻率測量的要求，且價格更加低廉。

 

參考文獻

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