电子测量-音频功率放大器技术指标的意义与检测方法研究

1、音频功率放大器技术指标的意义与检测方法研究实验目的：1论述音频功率放大器各项技术指标的意义2 设计各种实验方案对以上指标进行测试3 分别对实验箱里两种功率放大器进行测试4 分析实验结果5总结各测试方法的优缺点6 根据测试结果比较以上两种放大器的优缺点7总结检测技术在音频放大器应用中的作用实验内容：1论述音频功率放大器各项技术指标的意义功放的主要性能指标输出功率衡量一件器材对高、中、低各频段信号均匀再现的能力。用图表的形式来展示音响器材的相对幅度和频率的函数关系。灵敏度对放大器来说，一般指达到额定输出功率或电压时输入端所加信号的电压大小； 音箱的灵敏度是指在经音箱输入端输入1W1KHZ信号时，在

2、距音箱喇叭平面垂直中轴前方一米的地方所测试得的声压级。总谐波失真加噪声(THD+N)THD+N是指由设备本身产生的失真谐波频率的总和，它是代表了输入信号与输出信号之间的吻合程度。互调失真(IMD)指由放大器所引入的一种输入信号的和及差的失真。信噪比(SNR)表示信号与噪声电平的分贝差。阻抗指设备输入信号的电压与电流的比值。阻尼系数指放大器的额定负载(扬声器)阻抗与功率放大器实际阻抗的比值。 阻尼系数是放大器在信号消失后控制扬声器锥体运动的能力。颤动(dither)指有意添加在音频信号上用于改善低电平下数字信号的解析力的少量噪声。白噪声所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声。 用来测试音箱的谐

3、振和灵敏度的。2 设计各种实验方案对以上指标进行测试信噪比测量(S/N或SNR)"信号"测量一般采用的是指定输出电平的中频段正弦信号(通常为1kHz)，"指定电平"通常是指设备的最大标称或标准的工作电平。"噪声"测量必须指定测量带宽和加权滤波器。两个测量的比值就是设备的信噪比。如果测量仪器特性包括一个"相对dB"单位，其0dB基准可以设定成等于输入信号电平值，那么信噪比的测量就比较容易了。利用这一特性，功放信噪比测量就变成如下简单的步骤：1. 建立指定的输出参考电平并正确接好输入端；2. 操作测量仪器，使这一电平成

4、为0dB的基准值；3. 取消信号源。虽然现在仪表指示的就是信噪比，但是表示成负值(比如，90dB的信噪比被表示为-90dB)。功放失真测量方法1. 总谐波失真(THD)THD(不要与THD+N，总谐波失真加噪声相混淆)通常是由一系列单独谐波幅度测量结果计算出来的，而不是一次测量得到的。THD是单独谐波幅度的平方求和开方之后得到的。THD技术指标一般要说明包含在计算中的最高次谐波的次数；比如，"THD含盖到5次谐波"。THD并不是经常进行的测量，因为它要求用一个相当不常用的分析仪来测量低于正常工作电平很多的某次谐波，并且要自动或手动计算出结果。应注意的是，许多早期的THD+N

5、结构的分析仪在其面板上标注的是THD，并且许多人在使用的实际是THD+N技术时，认为是THD测量.2. 总谐波失真噪声(THD+N)目前最常用的失真测量方法就是THD+N技术了。其中的主要功能块就是可调谐的陷波器。在工作时，该滤波器手动或自动调谐到正弦波的基波频率上，以便基波被很大衰减。所设计的滤波器实际在2次和高次谐波处没有插入损耗，所以谐波基本上无衰减地通过。宽带噪声，与AC电源有关的哼声和任何其他处在陷波器频率上下的干扰信号也可以无衰减地通过；这也就是"+N"(加噪声)部分的由来。THD+N技术是极为吸引人的，因为DUT输出中除了纯测量信号的任何成分都会使测量下降。低

6、的THD+N测量结果不仅说明谐波失真低，而且也说明哼声，干扰信号，以及宽带白噪声也是比测量值低(或等于测量值)。所以THD+N比任何其他的失真测量技术更能说明问题，它只用一个数据就能说明DUT是否存在大的问题3. 功放THD+N的测量步骤:1) 信号源输出一个标准1k 正弦波信号到功放。2) 音频分析仪选择THD+N功能,陷波器手动或自动调谐到正弦波的基波频率.3) 现在仪表指示的就是THD+N 值功放分离度(串音)测量方法串音一般是利用分析仪调谐到发生器频率的带通滤波器进行选择性测量，以便能测量等于或低于宽带噪声电平的串音。这不仅是出于理论上的考虑原因；当信号的幅度处于宽带噪声电平之下10d

7、B20dB，人耳能够区分出象正弦波这样的相干信号。A通道到B通道的串音与B通道到A通道的串音并不是完全一致的。两个方向上串音具有不同值通常是电路的布局和复杂的寄生电容引起的。功放分离度(串音)测量步骤：1. 信号源A通道输出一个标准正弦波信号，并正确接好输入端；2. 设置分析仪为分离度测试功能；3. B通道仪表的数据即为A?>B的串音。同理可测B->A的串音。功放两通道比率(平衡度)测量方法功放平衡度测量步骤：1. AP音频分析器输出一个标准正弦波信号到功放中，并正确接好输入端；2. 操作测量仪器，设置仪器为通道比率测试功能；3. 读取测试结果。功放频率响应测量方法一般测试频率响应

8、时，是以1kHz时为参考电平(即为0dB),因此必须先设0dBr, 再进行曲线的扫描。功放频率响应(Frequence response)的测试步骤：1. 信号源输出1K Hz标准正弦信号到功放中，并正确接好输入端；2. 设置分析仪为幅度测试功能，按要求选好滤波器，并将单位设置为dBr；3. 按键盘上的"F4"键，将当前电平设为参考电平；4. 设置扫描面板,设置扫描源为信号发生器频率.设置好开始与结束频率及扫描点数。单击扫描面板中的GO准备进行扫描；5.保存测量数据与曲线图。功放互调失真测量方法由于干扰之间互相调制作用对有用信号引起的失真称为互调失真(Intermodula

9、tion Distortion)或互调干扰。所有互调失真的测量技术中使用的激励信号都不止单个简单的正弦信号。在专业音响、广播和消费类音响等领域，用两个正弦波作为激励信号来进行互调失真的测量。任意两个频率分别为F1和F2的正弦信号作用于非线性器件时，会产生出原有的两个正弦波再加上无数个互调失真项，即无数个组合频率分量，如下式：mF1±nF2其中m、n为任意正整数。任意特定的互调失真(IMD)项的阶数即m与n的和。下面列出一些互调失真项的阶数：F1-F2 2阶(偶次)F1+F2 2阶(偶次)2F1-F2 3阶(奇次)F1-2F2 3阶(奇次)2F1+F2 3阶(奇次)3F1-F2 4阶(

10、偶次)3F1+2F2 5阶(奇次)等。这里"奇次"和"偶次"指的是m+n是奇数还是偶数。互调失真的测量方法实际上是对谐波电压分量的测量1. SMPTE/DIN互调失真在专业、广播及消费类音响领域，SMPTE(Society of Motion Picture and Television Engineers)和DIN(Deutsches Institut fur Normung e.V.)方法是最普通的互调失真测量标准。SMPTE标准RP120-1983和DIN标准45403很相似。两者均规定用两个正弦波测试信号，一个是低频率高幅度信号，另一个是高频率信

11、号但幅度是低频率信号的四分之一。SMPTE标准规定信号频率分别为60Hz和7kHz。而DIN标准规定了几种可选择的高、低频频率，250Hz和8kHz是其中最常用的一组频率。有时也要用到其它类似于SMPTE和DIN标准的信号，如70Hz和7kHz信号。当上述的双音频测试信号作用于非线性器件时，在高音频周围就会产生边带分量群。高音频和第一对边带(二阶边带，F1±F2)之间相差正好是低音频的频率值，第二对边带(三阶边带，F1±2F2)与高频之间相差正好是低音频频率值的两倍等等。互调失真定义为这些边带的调幅值与高频载波调幅值之比的百分值。2. 功放互调失真的测试步骤：a. 信号源输

12、出IMD信号到功放中，并正确接好输入端；b. 操作测量仪器，设置仪器为IMD测试功能；c. 读取测试结果。3 分别对实验箱里两种功率放大器进行测试（1）连接电路（2）观察电压增益的变化 1、8两端开路，电压增益约为20倍。 1、8之间仅接一个大电容，则相当于交流短路，电压增益约为200倍。1、8两端之间接入不同阻值的电阻，即可得到20 100之间的电压增益。注意：但接入电阻时必须与一个大电容串联。输入电压小于200mV实验电路：（3）检测输出功率1、8两端开路（电压增益约为20倍）。输入1KHz的交流信号，调到输出最大不失真状态，测量输出电压。（4）检测效率（5）输入电阻（6）观察负载电阻对输

13、出电压的影响引脚6接直流电源V+，4接地。交流输入信号加在LM386的同相输入端，而反相输入端接地。输出端通过一个1000F的大电容接到负载电阻（扬声器），组成OTL准互补对称电路。1、8两端之间接入一个10F的电容，此时电压增益约为200倍。输出端接入电阻与电容的串联回路，使负载接近于纯电阻。避免电路产生自激振荡或出现过电压。4 实验箱里两种功率放大器实验结果分析（1）集成功率放大器f=1kHz ui=200mv uo=385mv RL=5.1k P=2.83*10-5 w 增益 Ui=20mv U0=385mv U0=Au=U0/Ui=19信噪比 Un=2mv U0=385mv S/N=2

14、0lgU0/UN=25.58频率响应 FH=103k FL=10Hz（2）功率放大器f=1kHz ui=25mv uo=3.09v RL=8 P=1.20*10-3 w增益 Ui=20mv U0=3.30 U0=Au=U0/Ui=165信噪比 Un=2mv U0=3.09v S/N=20lgU0/UN=44.34频率响应 FH=110k FL=10Hz5总结各测试方法的优缺点优点：成本低，操作便捷缺点：准确性不够高6 根据测试结果比较以上两种放大器的优缺点功率放大电路是一种能量转换电路，要求在失真许可的范围内，高效地为负载提供尽可能大的功率，功放管的工作电流、电压的变化范围很大，那么三极管常常

15、是工作在大信号状态下或接近极限运用状态，有甲类、乙类、甲乙类等各种工作方式。为了提高效率，将放大电路做成推挽式电路，功放管的工作状态设置为甲乙类，以减小交越失真。常见的音频功放电路在连接形式上主要有双电源互补推挽功率放大器OCL（无输出电容）、单电源互补推挽功率放大器OTL（无输出变压器）、平衡（桥式）无变压器功率放大器BTL等。由于功放管承受大电流、高电压，因此功放管的保护问题和散热问题必须重视。功率放大器可以由分立元件组成，也可由集成电路实现。 集成功放电路成熟，低频性能好，内部设计具有复合保护电路，可以增加其工作的可靠性，尤其集成厚膜器件参数稳定，无须调整，信噪比较小，而且电路布局合理，外围电路简单，保护功能齐全，还可外加散热片解决散热问题。7总结检测技术在音频放