基于虚拟仪器的功放参数测试仪设计 毕业论文.doc

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，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：虚拟仪器 功率放大器 音频测试 采集卡 目录 目 录 摘 要 i 第一章 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 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 功放测试程序设计 .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 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 总结与展望 .17 致 谢 .18 参考文献 .19 附录 1 功放频谱测试程序 20 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 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 feedback）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 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，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 2.2.1 tda 2822m 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 2.6 1.15 6.5 28 5.2 2 电源电压输入端 3.4 1 1.65 7 5 3 功放电路 2 信号输出端 2.3 1.15 6.5 28 5.2 4 接地线 0 0 0 0 0 5 功放电路 2 负反馈端 0.45 1.45 80 120 6.2 6 功放电路 2 信号输入端 0 1.5 19 6.5 7 功放电路 1 信号输入端 0 1.5 19 6.5 8 功放电路负反馈端 0.45 1.45 80 120 6.2 2.2.2 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 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 2.3.1 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r l=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u 1，除以负载电阻r l而得出。即 prms=u21/rl 公式 2-1 2.3.2 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 声频信号的特点，对放大器往往要求有更宽的频率带宽，例如，从 10hz100khz 频带内不均匀度应小于 10db。总之，功率放大器频带越宽越好。 第二章 硬件设计 7 2.3.3 谐波失真 谐波失真（thd）指原有频率的各种倍频的有害干扰。放大1khz的频率信号 时会产生2khz的2次谐波和3khz及许多更高次的谐波，理论上此数值越小，失真 度越低。 由于放大器不够理想，输出的信号除了包含放大了的输入成分之外，还新 添了一些原信号的2倍、3倍、4倍甚至更高倍的频率成分（谐波），致使输 出波形走样。这种因谐波引起的失真叫做谐波失真。 总谐波失真指音频信号源通过功率放大器时，由于非线性元件所引起的输 出信号比输入信号多出的额外谐波成分。谐波失真是由于系统不是完全线性造 成的，我们用新增加总谐波成份的均方根与原来信号有效值的百分比来表示。 2.3.4 信噪比 信噪比是指信号与噪声的比值，常用符号 s/n 来表示，它等于输出信号电 压 uo 与噪声电压 un 之比，用 db 表示，即 公式 2-2 式中：uo 为放大器额定输出电压； un 为放大器 uo 额定值输出的噪声电压。 信噪比越大，表明混在信号中的噪声越小，放大器的性能越好。 放大器本身噪声大小，还可以用噪声系数来衡量，它的定义是： n = 输入端信噪比/输出端信噪比 公式 2-3 式中：s i 表示输入端信号，n i 表示输入端噪声，s o 表示输出端信号 no 表示 输出端噪声; 由于管子本身的噪声，以及电阻上的热噪声，放大器输出端的信噪比往往 要小于输入端的信噪比。 信噪比高了意味着听音时“干净” ，特别是在信号的间隙时会感到非常寂静， 当你听音时能感到“ 动态范围大 ”、 “音质清晰”、 “干净” 。信噪比大约要超过 100db。 20lg()onsdb/ion 8 第三章 功放测试程序设计 9 第三章 功放测试程序设计 3.1 所用板卡简介 ni compactdaq 为传感器、工作台、现场以及生产线上的电子测量应用提 供了简便的即插即用的 usb 连接方式，ni compactdaq 综合了数据记录设备方 便易用、成本较低的特性以及模块化仪器高性能、高灵活性的特性，保证了 ni compactdaq 能在一个简单、实惠的小型系统中提供快速、准确的测量。借助 灵活的 ni 软件，您既可以方便地使用 ni compactdaq 为简单实验记录数据， 也可以开发完全自动化的测试、控制系统。模块化设计可确保在一个系统中对 多达 256 个通道的电学、物理、机械或声音信号进行测量。此外，由于每个模 块均配有模数转换器并且模块之间相互隔离，确保了快速、准确、安全的测量。 图 3-1 为 ni compactdaq 外观图。 图 3-1 ni compactdaq 外观图 3.1.1 ni 9221 板卡 螺栓端子接口的ni 9221 带有10 端子可拆卸式螺栓端子连接器。d-sub 接 口的ni 9221 带有25 引脚的d-sub连接器。每个通道均带有一个可连接电压信号 的ai 端子或引脚。在模块内部，公用端子或引脚 (com) 连接至隔离参考地。 其在本次课题设计的作用是用来采集信号。ni usb-9221数据采集模块具有 集成式信号调理功能，通过usb实现即插即用，使得设置和测量更加快捷。 该模块具有螺栓端子和标准d-sub接头可供选择，可实现灵活而低成本的信 号连接。该模块还具有通道-地面接地隔离，实现了安全、抗扰和高共模电压范 围。ni9221 的通道与系统中的其它模块相隔离。模块的每个通道均具有过压保 护功能。输入信号经扫描、缓冲和调理后，由一个12 位的模数转换器对其采样。 图3-2 为ni 9221外观图。图 3-3为ni 9221引脚图。 10 图 3-2 ni 9221 外观图 图 3-3 ni9221 引脚图 该模块具有8路单端模拟输入通道，经扩展的输入范围达60 v，可直接连 接工业传感器。ni usb-9221的单通道采样速率最高达800 ks/s ，是能与信号调 理模块配合使用的ni usb daq系列中速度最快的设备。 3.1.2 ni 9263 板卡 ni 9263 带有 10 端子可拆卸式螺栓端子连接器，可连接 4 个模拟输出通道。 ni 9263 每个通道带有一个 ao 端子，可连接负载正极。 除每个通道的公用端 子 com 外，连接器底部还有一个 com 端子。 所有 com 端子均内部连接至模 块的隔离参考地。ni 9263 连接负载时，负载正极连至 ao 端子，负载接地端 连至通道相应 com 端子。 在本次课题设计中其作用是输出信号。 其外观图如 3-4 所示，引脚图如 3-5 所示。 图 3-4 ni 9263 外 观 图 图 3-5 ni 9263 引 脚 图 ni 9221 ni9263 第三章 功放测试程序设计 11 该模块具有 4 路输出通道，经扩展的输入范围达10 v。 3.3 程序设计 3.3.1 程序框图 我们本次课题所设计的的思想是由 ao 输出信号给功放电路板，再经 ai 由 板卡采集到信号，由 labview 软件程序分析显示。 程序设计流程如图 3-6 所示。 图 3-6 程序设计流程图 3.3.2 输入程序设计 构建基于数据采集卡的测试系统一般都会用到模拟信号的输入输出。利用 labview 软件编程，从采集卡上输出模拟信号相当于构建一个虚拟的函数信号 发生器。本项目是通过编程，从数据采集卡上输出模拟信号，实现单通道信号 发生器的设计，具体功能要求如下： 信号通道数，单通道信号发生，一路波形信号输出，程序框图如图 3-7 所示。 前面板如图 3-8 所示。 12 图 3-7 输入信号程序框图 图 3-8 前面板 3.3.3 输出程序设计 我们用 ni 9263 来采集输出信号。图 3-9 为输出程序设计框图。 图 3-9 输出信号程序框图 3.3.4 频率响应程序设计 采用 labview 软件的频率响应（幅度- 相位函数）测试功放板的传递函数 的频谱，以估测功放板的频率范围。 所用函数如图 3-10 所示。 第三章 功放测试程序设计 13 图 3-10 频率响应函数 所编写的程序图见附录一。 14 第四章 功放系统调试 4.1 测试系统搭建 测试线路连接框图如图 4-1 所示。 图 4-1 测试线路连接图 电源电压加在功放电路板上，由采集板卡采集信号，然后 labview 接收到 信号，运行软件程序，即显示测试结果。 将 ni 9221 和 ni 9263 装在插座上，并按要求连线。ni 9221 和 ni 9263 的 地端相接，且需要与功放板的地端相接，从 ni 9221 的 a1 端引出一根线与功放 板的输入端相接，从 ni 99263 的 ao0 端引出一根线与功放板的输出端相接，如 图 4-2 所示。 图 4-2 板卡实物连接 第四章 功放系统调试 15 4.2 调试步骤 （1）连接好电路，检查无误后通电。 （2）运行“音频信号发生器 vi”的程序，产生 f=1khz，vip=1v 的正弦波 信号，程序中采集率设置为 fs=100000sa/s。 （3）运行“采集分析 vi”程序，用波形图显示输出电压 v0 的波形，并显 示有效值，峰值。 （4）存储记录输出电压 u0、输出功率 p0，总谐波失真度 thd 的值。 （5） “音频信号发生器 vi”的程序中的幅值参数增大，修改正弦波信号的 幅度大小，观察“采集分析 vi”中输出电压 u0 的波形是否失真？不断增大 vip 的大小，直到 u0 出现失真，从而找到 u0 的最大不失真值。 （6）存储并记录最大不失真的输出功率 p0；u0 波形最大且不失真情况;并 对比一下失真前后的总谐波失真度 thd 的大小。 （7）测试并记录结果。 4.3 调试结果 4.3.1 有载测试 有载时 f=1000hz（负载 rl =2） ，其测量结果如图 4-3 所示： 图 4-3 有载波形图 16 表 4.1 测试结果分析 输入 vip (v) 输出 vop (v) 输出功率 po(w) 总谐波失真度 thd（db） 无失真 0.8 1.08 0.27 0.032 （最大）无失真 0.9 1.64 0.65 0.045 有失真 1.2 2.0 1.0 0.152 4.3.2 空载测试 空载时，其结果如图 4-4 所示 图 4-4 空载波形图 表 4.2 测试结果分析： 输入 vip (v) 输出 vop (v) 输出功率 p0 (w) 总谐波失真度 thd（db） 无失真 0.2 0.41 0.04 0.016 （最大）无失真 0.9 1.64 0.65 0.045 有失真 1.2 2.21 1.14 0.202 第四章 功放系统调试 17 表 4.3 参数 采用 labview 中频响函数，输入幅值 0.9v，输入信号频率为 1khz，测试 结果如图 4-7 所示。 图 4-5 频响测试结果 从频响曲线上，可以估计出该功放电路板的频率范围大约为 0-50khz。 18 第五章 总结与展望 与传统测试方案相比，虚拟仪器的优势在于以下几点： （1）集成多台仪器于一身，在本文的功放参数测试中，采用虚拟仪器测试， 就集成了四种仪器：音频函数信号发生器，数字示波器，频谱分析仪，万用表。 可以一次测试多个功放板，大大提高了测试效率。 （2）本文采用的 ni9221 和 ni9263 采集板卡有 8 路模拟输入（ai）通道， 可以同时测试 48 个功放板。 （3）具有数据存储打印功能，由于虚拟仪器直接在计算机平台上运行，因 此利用 labview 软件中的 “文件 i/o 函数。可以实现大量数据的存储。 （4）外接打印机时运用打印报表函数功能:还可以直接打印测试报表。 本项目需要改进的地方： （1）在本次课题中，我们只测试了输出功率峰值、失真度、频率响应范围 这些参数，但是功放的其他参数还有很多，比如：频带宽度、输入阻抗、效率 等等；我们还需要改进程序来对其它参数进行测试。 （2）利用数据库功能，判别功放板是否合格 我之前做好了的功放电路板，使用示波器测试其输入输出信号，和虚拟仪 器测试的进行比较，判断是否合格。但没利用数据库功能，将（合格）标准功 放板的测试指标，做成数表，事先存入数据库中，当功放板进行测试，将测试 结果自动余数据库中的标准值进行比较，就能判断出是否合格。 （3）程序的优化： 完善、优化程序框图。 （4）硬件的完善： 功放板上输入、输出端口要(接地)留出测试用的接线端子，实现功放板与采 集板卡的零干扰连接，而进一步完善接口电路部分。 本次课题在实验中测试软件采用 labview8.6 编写，利用其丰富的测试函数 配合数据采集卡缩短了开发时间，实现了对功率放大器信号频率、振幅、谐波 失真等参数的测试与分析。 参考文献 19 致 谢 在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师 xxx 表示衷心的 感谢并致以崇高的敬意！ 经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个 x 科生的 毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有 xxx 的 督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 随着论文的终结，意味着我生命中最纯美的学生时代即将结束，也意味新的生 活有将开始了。最近的半年并行着找工作和写论文，走上社会，期间的起起伏 伏，悲喜得失，今天想来人唏嘘不已。三年寒窗 ，收获的不仅仅是丰厚的知识， 更重要的是在实践中所培养的能力和视野。 很庆幸遇到了一群良师益友，无论在学习上，生活上都一直给予鼓励与照 顾。 感谢我的导师 xxx，这段时间对我们的悉心指导与谆谆教诲，在论文工作 中，遇到了难题一直得到 xxx 的亲切关怀和悉心指导。老师以其渊博的学识、 严谨的治学态度、求实的工作作风和他敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我 将终生收益，再一次向她表示衷心的感谢，感谢他为学生营造的浓郁学术氛围，