基于虛擬儀器的功放參數(shù)測試儀設計
引言
伴隨著科學技術的迅速發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，對音頻功率放大器的要求也越來越高。音頻是多媒體中的一種重要媒體。人能夠聽見的音頻信號的頻率范圍是60Hz~20kHz，其中語音分布在300Hz~4kHz之內，而音樂和其他自然聲響是全范圍分布的。如何通過分析儀器讓音頻功放達到更高的要求，是許多人為之努力的重要課題。鑒于音頻分析儀價格高、適用范圍窄等特點，本文應用目前流行的基于LabVIEW的虛擬儀器技術軟件平臺，同時結合高性能的NI9221和NI9263數(shù)據(jù)采集卡來完成音頻功放各種數(shù)據(jù)的測試設計。
1音頻功放測試參數(shù)
1.1輸出功率
衡量放大器輸出功率的指標有最大不失真連續(xù)功率、音樂功率和峰值功率等幾種不同指標。目前公認的指標是最大不失真連續(xù)功率，又叫RMS功率、正弦波功率或平均值功率等。它們的含義是相同的，就是指放大器配接額定負載（通常Rl=8。）時，總諧波失真系數(shù)小于1%,負載兩端測出1kHz的正弦波電壓的平方，再除以負載電阻而得出功率值Po:
1.2頻響范圍
頻率響應也就是有效頻率范圍，它可用來反映放大器對不同頻率信號的放大能力。頻率響應通常用增益下降3dB以內的頻率范圍來表示。一般的高保真放大器為了能真實地反映各種信號，其頻率響應通常應達到幾赫茲到幾十千赫茲的寬度，圖1所示是一種高保真放大器的頻率響應曲線。
1.3諧波失真
在功放電路調試中，常常會有波形失真現(xiàn)象，圖2所示就是一種波形失真圖。
諧波失真(THD)是指原有頻率的各種倍頻的有害干擾。由于放大器不夠理想，放大1kHz的頻率信號時，可能會產生2kHz的2次諧波和3kHz及許多更高次的諧波，這些諧波會致使輸出波形失真走樣。這種因諧波引起的失真叫做諧波失真。2軟件設計
2.1虛擬儀器技術
所謂虛擬儀器技術，就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化應用。虛擬儀器自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學家們都已將NILabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產品設計周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產品質量，縮短了產品投放市場的時間，提高了產品開發(fā)和生產效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實世界的信號相連，可以分析數(shù)據(jù)以獲取實用信息，共享信息成果,并有助于在較大范圍內提高生產效率。
虛擬儀器由硬件部分和軟件部分構成，本文采用了NILabVIEW8.6軟件及NIcDAQ系列的采集板卡，包括4通道同步模擬輸出的NI9263和8通道模擬輸入的NI9221采集板卡。
2.2軟件流程
本測試系統(tǒng)由模擬輸出通道(AO)提供音頻正弦信號給功放電路板，再經模擬輸入通道(AI)由板卡采集信號，最后由LabVIEW軟件程序實現(xiàn)分析顯示。整個程序設計流程如圖3所示。
將NI9221和NI9263的地端相接，并與功放板的地端相接，從NI9221的Ai1端弓|出一根線與功放板的輸入端相接,同時從NI9263的Ao0端弓|出一根線與功放板的輸出端相連。
2.3音頻信號發(fā)生程序
圖4所示是一個虛擬音頻信號發(fā)生器的系統(tǒng)原理圖，它由函數(shù)SineWaveform.vi函數(shù)模塊產生正弦波，然后通過DAQmx的模擬輸出通道將信號從采集板卡輸出。
2.4采集分析顯示程序
圖5所示系統(tǒng)的虛擬采集分析模塊原理圖。系統(tǒng)由波形圖顯示功放輸出電壓波形，由基本平均直流-均方根.vi測試uo的幅度，由諧波失真函數(shù).vi計算THD值，由功率譜、功率及頻率估計函數(shù)測試信號頻率和峰值功率。
3.1測試系統(tǒng)搭建
本文測試的功放板是音響系統(tǒng)自帶的功放板，性能良好。測試系統(tǒng)連接圖如圖6所示，其中包括電源、功放板、采集板卡、計算機等四部分之間的連接。
本測試系統(tǒng)的電源電壓加在功放電路板上，由采集板卡提供音頻輸入信號并采集信號，然后在LabVIEW中運行程序,即可顯示測試結果。
3.2測試步驟
利用該虛擬儀器測試系統(tǒng)進行測試的步驟如下：
(1) 參照圖4所示的測試系統(tǒng)框圖連接電路，檢查無誤后通電；
(2) 運行“音頻信號發(fā)生器.vi”程序，產生f=1kHz，KP=1V的正弦波信號，程序中采集率設置為F=100000S/s；
(3) 運行“采集分析vi”程序，用波形圖顯示輸出電壓Uo的波形，并顯示直流值和峰值，存儲記錄輸出電壓"。、輸出功率Po和總諧波失真度THD的值；
(4) 在“音頻信號發(fā)生器vi”程序中增大正弦波信號的幅度，觀察“采集分析.vi”中輸出電壓Uo的波形是否失真,并不斷增大Vlp的大小，直到Uo出現(xiàn)失真，從而找到Uo的最大不失真值;
(5) 存儲并記錄最大不失真的輸出功率Po和Uo波形最大且不失真情況。
4測試結果分析
4.1最大不失真測試
表1所列是其具體的最大不失真測試數(shù)據(jù)，其最大不失真和失真波形分別如圖7和圖8所示。
從表1可以直接讀出的參數(shù)有功放板輸出電壓的峰值匕p、峰值功率Po以及總諧波失真度THD值。經仔細計算發(fā)現(xiàn),P=V^/Rl，其中Rl=4。，這與理論公式相一致，說明測試的數(shù)據(jù)是正確的。
目前，較好的揚聲器的諧波失真指標不大于5%。通過分析THD值發(fā)現(xiàn)，在波形不失真之前，THD<5%，而一旦有失真，THD就會增大很多。其實驗結果也與經驗值相吻合。
4.2下限截止頻率測試
頻帶寬度BW0.7=/h-/L，特性曲線如圖1所示。因采集板卡的采樣率低，不能測出上限截止頻率fn，因此，本文只測下限截止頻率府。具體測試時，首先要保證音頻測試輸入信號正弦波的幅度為最大不失真時的相應的值；另外，從f=1kHz開始,可逐漸減小正弦波的頻率，隨時觀察功放板u的波形有無失真,Vop有沒有減小。當頻率f減小到一定值時，輸出灼開始減??；當Vop減小到原來的0.707倍時，記錄此時的正弦波頻率府，該頻率即為下限截止頻率。其測試數(shù)據(jù)如表2所列。
從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，當戶1kHz，4=0.9V時，波形為最大不失真，此時該頻率的灼X0.707與f=157Hz的原的數(shù)值相同，所以下限截止頻率為157Hz。
5結語
本文中的測試軟件采用LabVIEW8.6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、截止頻率等參數(shù)的測試與分析。
與傳統(tǒng)測試方案相比，虛擬儀器的優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面：
(1) 集成多臺儀器于一身。本文的功放參數(shù)測試虛擬儀器測試系統(tǒng)就集成了四種儀器：音頻函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字示波器、頻譜分析儀、萬用表。
(2) 可以一次測試多個功放板，大大提高了測試效率。由于采用NI9221數(shù)據(jù)采集卡有8路模擬輸入(AI)通道，因而可以同時測試4~8個功放板。
(3) 具有數(shù)據(jù)存儲打印功能。由于虛擬儀器直接在計算機平臺上運行，因此，利用LabVIEW軟件中的“文件I/O函數(shù)”可以實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲。外接打印機時，運用打印報表函數(shù)功能還可以直接打印測試報表。
當然，本項目也還存在一些需要改進的地方：首先是應能判別功放板是否合格。應當將標準功放板的測試指標做成數(shù)表，并事先存入數(shù)據(jù)庫中，然后，當功放板進行測試時，再將測試結果自動與數(shù)據(jù)庫中的標準值進行比較，從而判斷是否合格。其次是硬件的完善。功放板上的輸入、輸出端口應當留出測試用的接線端子，以實現(xiàn)功放板與采集板卡的零干擾連接，從而進一步完善接口電路部分。
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