基于LabVIEW測試音頻功率放大器

摘要：本文介紹了將虛擬儀器技術(shù)引入到音頻分析儀器的設(shè)計(jì)，采用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(shí)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(guān)鍵詞：LabVIEW；音頻放大器；時域分析；信噪比

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(yùn)算處理設(shè)備（如計(jì)算機(jī)等）將數(shù)字控制信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并控制噴嘴實(shí)現(xiàn)的。由于D/A轉(zhuǎn)換后的信號無法直接驅(qū)動噴嘴等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，必須對此信號進(jìn)行功率放大?？刂齐妷旱念l率在音頻的范圍內(nèi)（20Hz～20kHz），可以采用常用的音頻功率放大器。為了準(zhǔn)確的進(jìn)行仿形噴霧，有必要對所選用的音頻放大器的輸入/輸出關(guān)系、飽和電壓、信噪比、失真度等參數(shù)進(jìn)行測試。

　　進(jìn)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(tǒng)，這對于一般的實(shí)驗(yàn)室而言存在較大的困難。此外，傳統(tǒng)儀器不具備頻率響應(yīng)特性分析等圖形界面的分析功能，數(shù)據(jù)的存儲和打印功能比較弱 ^[1]。

　　隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、微處理器以及個人計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)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(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出了將虛擬儀器技術(shù)引入功率放大器測試與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)的思想。

2 音頻分析原理

2.1 連續(xù)信號的采樣^[2]

　　在以計(jì)算機(jī)為中心的測試系統(tǒng)中，模擬信號x(t)進(jìn)入數(shù)字計(jì)算機(jī)前先經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）中的采樣器將連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間信號，成為采樣信號x(n)而后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器在幅值上量化變?yōu)殡x散的數(shù)字信號。

　　若連續(xù)時間信號x(t)被數(shù)據(jù)采集卡中的采樣器以等時間間隔T采樣，則采樣時刻0，T，2T…所取得信號 x(t)的瞬時值，構(gòu)成了連續(xù)信號 x(t)的離散時間序x(n)。

2.2 采樣信號的FFT變換（傅立葉變換）^[3]

　　周期信號可以利用周期函數(shù) x(t)表示 任何一個周期為T 的周期函數(shù) 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(shù)，如式（1），

                       （1）

　　其中，a₀為直流分量， a_n為余弦分量的幅值，b_n為正弦分量的幅值，A_n為各頻率分量的幅值，φ_n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(diǎn)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(shè)備，通過檢測設(shè)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(yīng)的諧波失真曲線，頻率響應(yīng)等。

3  基本參數(shù)的測量

　　本次測試的項(xiàng)目包括：

　?。?）不同頻率下放大器的放大系數(shù)A及飽和電壓V_d。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(yīng)的輸出信號峰-峰值并觀察波形，一直增大輸入電壓直至輸出信號波形出現(xiàn)失真，記錄此時的輸入、輸出峰-峰值并計(jì)算放大系數(shù)。

　?。?）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(diǎn)時，記錄上、下限頻率f_high和f_low，則放大器的通頻帶為：F=f_high－f_low。

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

                                   （2）

                                   （3）

其中A為放大系數(shù)。

　　但是，由于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；

b_i（2≤i≤N）是信號各次諧波分量的幅值；

b_n是噪聲幅值；DISTN為失真度。

（4）信噪比計(jì)算。本系統(tǒng)采用電壓進(jìn)行信噪比的計(jì)算，如式（5）所示：

                                          （5）

　　其中，V_s表示輸出的信號電壓幅值，V_n表示輸出的噪聲電壓幅值。由于在輸出的信號中，分離出有用信號和噪聲信號不易實(shí)現(xiàn)，所以在現(xiàn)實(shí)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(tǒng)簡介^[4]

　　如圖1所示,本測試采用美國國家儀器公司生產(chǎn)的多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI－6024E，該數(shù)據(jù)采集卡的功能包括：16路模擬輸入通道，采樣率為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(shù)字I/O口；2個24位定時/計(jì)數(shù)器。

　　軟件設(shè)計(jì)采用NI公司的圖形化編程語言LabVIEW 7.0。設(shè)計(jì)中，將系統(tǒng)分為5個模塊：信號發(fā)生模塊，信號采集模塊，計(jì)算模塊，分析與顯示模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊。

3.2 各功能模塊簡介

3.2.1 信號發(fā)生模塊^[5]

　　信號發(fā)生模塊的作用是產(chǎn)生頻率、相位、幅值、直流偏置及信號類型均可調(diào)的信號。產(chǎn)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 信號采集模塊

　　信號采集的過程為：

（2）采集參數(shù)設(shè)定：需要設(shè)定的參數(shù)包括緩存區(qū)的大小以及采樣率。為簡化設(shè)計(jì)并最大限度地利用數(shù)據(jù)采集卡的功能，采樣率的設(shè)定為100kSa/s。緩存區(qū)的作用是在高頻信號測量時，計(jì)算機(jī)并不將所有的信號都進(jìn)行計(jì)算、顯示等一系列的操作，而是將一部份信號放入緩存區(qū)內(nèi)，用以滿足計(jì)算的需要但不用來顯示，這樣可以提高計(jì)算機(jī)處理的效率。

（3）信號采樣：在虛擬儀器軟件中有專門的子VI完成其功能。

（4）讀入信號：將采樣后的離散信號存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，可以對該波形進(jìn)行顯示、計(jì)算等操作。

3.2.3 計(jì)算模塊

計(jì)算模塊中分別包括FFT Spectrum、Extract Single Tone Information 及Harm Analyze三個子VI。此外，由于LabVIEW中沒有信噪比測量的子VI，還需使用公式節(jié)點(diǎn)計(jì)算信噪比。計(jì)算模塊的源代碼如圖3 所示。

3.2.4 分析與顯示模塊

該模塊的功能是將測試項(xiàng)目的結(jié)果以及數(shù)據(jù)采集卡所采集到的波形、經(jīng)過傅立葉變換后的頻譜圖直觀地在計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)行顯示。其前面板如圖4和圖5所示。

4 測試數(shù)據(jù)

系統(tǒng)所測試的放大電路是一個由集成運(yùn)放與晶體管組成的OCL功率放大器。

4.1 輸入/輸出關(guān)系測試

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(shù)據(jù)如表1所示：

表1輸入信號與輸出信號的關(guān)系

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，繪制輸入輸出關(guān)系曲線，如圖6、圖7所示：

對圖6中曲線進(jìn)行回歸分析，得到放大器輸入/輸出關(guān)系式為：V_o=5.716V_i+84.333 (mV)

對圖7中曲線進(jìn)行回歸分析，得到放大器輸入/輸出關(guān)系式為：V_o=5.7497V_i+83.331 (mV)

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

4. 2 失真度測試數(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)

由表2可以看出，該音頻信號放大器的失真度當(dāng)輸入信號為50mv以上時，基本上保持在1%以內(nèi)，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(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)如表3所示：

表3 信噪比測試數(shù)據(jù)

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，由于該放大器為手工焊制，對于信號間相互干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(dāng)輸出電平在某個低頻點(diǎn)下降了3dB，則該點(diǎn)為下限頻率，同樣在某個高頻點(diǎn)處下降了3dB，則定為上限頻率。由于PCI－6024E的采樣率最大值為100kSa/s，無法實(shí)現(xiàn)上限頻率的測量。在此使用了英國PICO公司生產(chǎn)的虛擬示波器，其采樣頻率最大值為5MHz，可以實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)如表4所示：

表4 截止頻率測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)中測試軟件采用LabVIEW編寫，利用其豐富的測試函數(shù)配合數(shù)據(jù)采集卡縮短了開發(fā)時間，實(shí)現(xiàn)了對功率放大器信號頻率、振幅、放大系數(shù)、諧波失真、截止頻率、信噪比等參數(shù)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(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率限制，使用了其他儀器完成測量。新式的數(shù)據(jù)采集卡其采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。

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