基于虚拟仪器的功放参数测试仪设计

《基于虚拟仪器的功放参数测试仪设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于虚拟仪器的功放参数测试仪设计（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、摘 要 基于虚拟仪器的功放参数测试仪设计 摘 要 鉴于虚拟仪器图形化的编程语言和专家系统思想,本文阐述了基于虚拟仪器 的功放参数测试仪设计，实现了对所采集信号的分析处理、显示等功能以及功 放单元故障的自动诊断，可以充分利用计算机的运算、存储和显示功能，在降 低仪器成本的同时，使仪器的灵活性和数据处理能力大大提高。为了能够对功 放单元的故障进行高效准确的定位和诊断，设计对功放PCB板参数进行测量，检 测是否达到用户设定的标准。 本文在分析了音频功放频率响应的基础上，描述了在 LABVIEW 平台下测 试音频功放频率响应特性的方法。测试平台以 NI9263、NI9221 多功能数据采集 卡为核心，

2、详细探讨了在 LabVIEW 中音频功放频率响应曲线测试的扫频信号生 成和数据采集与处理的关键技术与步骤。 关键词关键词：虚拟仪器 功率放大器 音频测试 采集卡 目录 目 录 摘摘 要要I 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 虚拟仪器概述1 1.2 音频功率放大器概述.2 第二章第二章 硬件设计硬件设计.3 2.1 功率放大器分类.3 2.2 音频放大器设计.4 2.2.1 TDA 2822M 简介 4 2.2.2 方案说明4 2.3 功放测试参数.6 2.3.1 输出功率6 2.3.2 频响范围6 2.3.3 谐波失真6 2.3.4 信噪比.7 第三章第三章 功放测试程序设计功放测试程序设计

3、.8 3.1 所用板卡简介.8 3.1.1 NI 9221 板卡.8 3.1.2 NI 9263 板卡9 3.3 程序设计.10 3.3.1 程序框图10 3.3.2 输入程序设计10 3.3.3 输出程序设计11 3.3.4 频率响应程序设计11 第四章第四章 功放系统调试功放系统调试.13 4.1 测试系统搭建13 4.2 调试步骤14 4.3 调试结果.14 4.3.1 有载测试14 4.3.2 空载测试15 第五章第五章 总结与展望总结与展望.17 致致 谢谢.18 参考文献参考文献.19 附录附录 1 功放频谱测试程序功放频谱测试程序20 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1

4、.1 虚拟仪器概述 美国国家仪器公司 NI（National Instruments）提出的虚拟测量仪器（VI） 概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱 直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成 各种测试、测量的测量和自动化的应用，NI LabVIEW 图形化开发工具用于产品 设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并 提高了产品开发和生产效率。 20 年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器 在各种中不同的工程应用和行业的

5、测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于 其直观化的图形编程语言。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地 显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地 查看、修改数据的控制。 同其他技术相比，虚拟仪器技术具有以下优势： （1）性能高 虚拟仪器技术是在 PC 技术的基础上发展起来的，所以完全“继承“了以现成 即用的 PC 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件 I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断 发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。 （2）扩展性强 NI 的软硬件工具使得我们不

6、再受限于当前的技术中。这得益于 NI 软件的灵 活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无 需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，我们可以把它们 集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。 （3）开发时间少 在驱动和应用两个层面上，NI 高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和 通讯方面的最新技术结合在一起。NI 设计这一软件构架的初衷就是为了方便用 户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使我们轻松地配置、创建、发 布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。 （4）无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品

7、在功能上不 断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求， 而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI 的虚拟仪器软件平台为 2 所有的 I/O 设备提供了标准的接口，帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个 系统，减少了任务的复杂性。 1.2 音频功率放大器概述 伴随着科学技术的迅速发展，人们生活水平的不断提高，对音频功率放大 器的要求越来越高。音频是多媒体中的一种重要媒体。人能够听见的音频信号 的频率范围大约是 60Hz-20kHz 其中语音大约分布在 300Hz-4kHz 之内，而音乐 和其他自然声响是全范围分布的。如何通过分析仪器让音频功放达到更高的要 求是

8、许多人为之努力的永恒的课题，声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟 音频，再经数字化成数字音频，音频分析就是以数字音频信号为分析对象以数 字信号处理的各种理论为分析手段，提取信号在时域，频域内一系列特性的过 程。鉴于音频分析仪价格高、适用范围窄等特点，本文应用了目前流行的基于 LabVIEW 的虚拟仪器技术软件平台，结合高性能的 NI9221 9623 数据采集卡来 完成各种测试。音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场 效应管四个阶段。1906 年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电 声技术的先河。1927 年贝尔实验室发明了负反馈 NFB（Negative feedb

9、ack）技术 后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大 器，而 1947 年威廉逊先生在一篇设计 Hi-Fi（High Fidelity）放大器的文章中介 绍了一种成功运用负反馈技术，成为了 Hi-Fi 史上一个重要的里程碑。60 年代由 于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。晶体管放大器细 腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，各种电路也相 应产生，如：“OTL （Output Transformer Less）” 无输出放大器、 “OCL（Output Capacitor Less）”放大器等。直至 70 年代，晶体管放大技术

10、的应 用已相当成熟，各种新型电路不断出现。 第二章 硬件设计 3 第二章第二章 硬件设计硬件设计 2.1 功率放大器分类 音频功率放大器简称音频功放，它用于放大 20Hz20KHz 的音频信号，推 动扬声器发声，凡发声的各类消费电子产品中都要用到音频功放，比如免提电 话、手机、便携 GPS、MP4 播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等。由于 考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功 放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同 ,基本的处理流程如 图 2-1 所示。 图 2-1 (1)音频功率放大器按工作模式不同可大致分为以下几类： (甲类)放大器失真最小，

11、静点工作电流最大，效率很低，最大 25%。 (乙类)放大器失真较大，静点工作电流最小，效率较高，最大 78%。 (甲乙类)放大器失真中等，静点工作电流中等，效率中等，约 65%。 (2)按功放输出级放大元件的数量，可以分为单端放大器和推挽放大器: 单端放大器的输出级由一只放大元件（或多只元件但并联成一组）完成对 信号正负两个半周的放大。单端放大机器只能采取甲类工作状态。 推挽放大器的输出级有两个“臂” （两组放大元件） ，一个“臂”的电流增 加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好像 是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。尽管甲类放大 器可以采用推挽

12、式放大，但更常见的是用推挽放大构成乙类或甲乙类放大器 (3)按功能不同，可以前置放大器（又称前级） 、功率放大器（又称后级）与合并 式放大器。 功率放大器简称功放，用于增强信号功率以驱动音箱发声的一种电子装置。 不带信号源选择、音量控制等附属功能的功率放大器称为后级。 前置放大器是功放之前的预放大和控制部分，用于增强信号的电压幅度， 提供输入信号选择，音调调整和音量控制等功能。前置放大器也称为前级。 将前置放大和功率放大两部分安装在同一个机箱内的放大器称为合并式放 大器，我们家中常见的功放机一般都是合并式的。 4 2.2 音频放大器设计 2.2.12.2.1 TDATDA 2822M2822M

13、 简介简介 TDA2822M 的最低工作电压为 1.8V，静态电流和交叉失真都很小，电路可 工作于立体声双声道，也可接成 BTL 电路。立体声工作时输出功率为 1W2（Vcc=9V, RL=8， THD10）或 110mW2（Vcc=3V，RL=4，THD10） 。该集成电路的内部结构如图 2-2 所示。 图 2-2 TDA2822M 引脚图 其各引脚功能如表 2.1 所示。 表 2.1 引脚功能 在路电阻（）开路电阻（） 引脚功能 电压 （） 红笔测量， 黑笔接地 黑笔测量， 红笔接地 红笔测量， 黑笔接地 黑笔测量， 红笔接地 1 功放电路 1 信号输出端 2.61.156.5285.2

14、2 电源电压输入端 3.411.6575 3 功放电路 2 信号输出端 2.31.156.5285.2 4 接地线 00000 5 功放电路 2 负反馈端 0.451.45801206.2 6 功放电路 2 信号输入端 01.5196.5 7 功放电路 1 信号输入端 01.5196.5 8 功放电路负反馈端 0.451.4580120 6.2 2.2.22.2.2 方案说明方案说明 集成电路 TDA2822M 为 8 脚双列直插式封装，其电源电压范围宽 （1.815V），电源电压可低至 1.8V 仍能工作，因此，该电路适合在低电源电 压下工作，本文使用的功放电源是 15V。 第二章 硬件设计

15、 5 功放电路如图 2-3 所示，用一块 TDA2822M 功放集成电路接成 BTL 方式 （单声道使用，立体声时要两片）。图中也包含了功放的电源供电电路，S1 为 电源开关，R5、D1 构成电源指示电路，R8、R9 用于进行功放调试，用以消除 音频失真。 图 2-3 方案原理图 图 2-4 方案功放板 6 2.3 功放测试参数 2.3.12.3.1 输出功率输出功率 输出功率的大小是根据放大器的使用环境、条件及对象等许多因素决定的， 它是功率放大器最基本的一项指标。衡量放大器输出功率的指标有最大不失真 连续功率、音乐功率和峰值功率等几种不同的指标。目前公认的指标是“最大 不失真连续功率”，又

16、叫RMS功率，正弦波功率或平均值功率等。其含义是相 同的，它是指放大器配接额定负载时(通常RL=8)，在总的谐波失真系数小于1%， 负载两端测出1kHz的正弦波电压的平方U1，除以负载电阻RL而得出。即 PRMS=U21/RL公式 2-1 2.3.22.3.2 频响范围频响范围 频率响应即有效频率范围，它是用来反映放大器对不同频率信号的放大能 力。放大器的输入信号是由许多频率成分组成的复杂信号，由于放大器存在着 阻抗与频率有关的电抗元件及放大器本身的结电容等，使放大器对不同频率信 号的放大能力也不相同，从而引起输出信号的失真。频率响应通常用增益下降 3dB 以内的频率范围来表示。一般的高保真放大器为了能真实地反映各种信号， 其频率响应通常应达到几 Hz 到几十 kHz 宽度，如图 2-5 所示： 图 2-5 频率响应曲线 理想的频率响应在通频带内是平直的，即放大器的输出电平沿频率坐标的 分布近似于一条直线。直线平直，说明放大器对各频率分量的放大能力是均匀 的，虽然人的听觉范围是 20Hz20kHz，但为了改善瞬态响应和如实地反映各种 声频