基于虚拟仪器的功放参数测试仪设计
引言
伴随着科学技术的迅速发展以及人们生活水平的不断提高，对音频功率放大器的要求也越来越高。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是60Hz~20kHz，其中语音分布在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重要课题。鉴于音频分析仪价格高、适用范围窄等特点，本文应用目前流行的基于LabVIEW的虚拟仪器技术软件平台，同时结合高性能的NI9221和NI9263数据采集卡来完成音频功放各种数据的测试设计。
1音频功放测试参数
1.1输出功率
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。它们的含义是相同的，就是指放大器配接额定负载（通常Rl=8。）时，总谐波失真系数小于1%,负载两端测出1kHz的正弦波电压的平方，再除以负载电阻而得出功率值Po:
1.2频响范围
频率响应也就是有效频率范围，它可用来反映放大器对不同频率信号的放大能力。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赫兹到几十千赫兹的宽度，图1所示是一种高保真放大器的频率响应曲线。
1.3谐波失真
在功放电路调试中，常常会有波形失真现象，图2所示就是一种波形失真图。
谐波失真(THD)是指原有频率的各种倍频的有害干扰。由于放大器不够理想，放大1kHz的频率信号时，可能会产生2kHz的2次谐波和3kHz及许多更高次的谐波，这些谐波会致使输出波形失真走样。这种因谐波引起的失真叫做谐波失真。2软件设计
2.1虚拟仪器技术
所谓虚拟仪器技术，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、测量和自动化应用。虚拟仪器自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NILabVIEW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，提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，可以分析数据以获取实用信息，共享信息成果,并有助于在较大范围内提高生产效率。
虚拟仪器由硬件部分和软件部分构成，本文采用了NILabVIEW8.6软件及NIcDAQ系列的采集板卡，包括4通道同步模拟输出的NI9263和8通道模拟输入的NI9221采集板卡。
2.2软件流程
本测试系统由模拟输出通道(AO)提供音频正弦信号给功放电路板，再经模拟输入通道(AI)由板卡采集信号，最后由LabVIEW软件程序实现分析显示。整个程序设计流程如图3所示。
将NI9221和NI9263的地端相接，并与功放板的地端相接，从NI9221的Ai1端弓|出一根线与功放板的输入端相接,同时从NI9263的Ao0端弓|出一根线与功放板的输出端相连。
2.3音频信号发生程序
图4所示是一个虚拟音频信号发生器的系统原理图，它由函数SineWaveform.vi函数模块产生正弦波，然后通过DAQmx的模拟输出通道将信号从采集板卡输出。
2.4采集分析显示程序
图5所示系统的虚拟采集分析模块原理图。系统由波形图显示功放输出电压波形，由基本平均直流-均方根.vi测试uo的幅度，由谐波失真函数.vi计算THD值，由功率谱、功率及频率估计函数测试信号频率和峰值功率。
3.1测试系统搭建
本文测试的功放板是音响系统自带的功放板，性能良好。测试系统连接图如图6所示，其中包括电源、功放板、采集板卡、计算机等四部分之间的连接。
本测试系统的电源电压加在功放电路板上，由采集板卡提供音频输入信号并采集信号，然后在LabVIEW中运行程序,即可显示测试结果。
3.2测试步骤
利用该虚拟仪器测试系统进行测试的步骤如下：
(1) 参照图4所示的测试系统框图连接电路，检查无误后通电；
(2) 运行“音频信号发生器.vi”程序，产生f=1kHz，KP=1V的正弦波信号，程序中采集率设置为F=100000S/s；
(3) 运行“采集分析vi”程序，用波形图显示输出电压Uo的波形，并显示直流值和峰值，存储记录输出电压"。、输出功率Po和总谐波失真度THD的值；
(4) 在“音频信号发生器vi”程序中增大正弦波信号的幅度，观察“采集分析.vi”中输出电压Uo的波形是否失真,并不断增大Vlp的大小，直到Uo出现失真，从而找到Uo的最大不失真值;
(5) 存储并记录最大不失真的输出功率Po和Uo波形最大且不失真情况。
4测试结果分析
4.1最大不失真测试
表1所列是其具体的最大不失真测试数据，其最大不失真和失真波形分别如图7和图8所示。
从表1可以直接读出的参数有功放板输出电压的峰值匕p、峰值功率Po以及总谐波失真度THD值。经仔细计算发现,P=V^/Rl，其中Rl=4。，这与理论公式相一致，说明测试的数据是正确的。
目前，较好的扬声器的谐波失真指标不大于5%。通过分析THD值发现，在波形不失真之前，THD<5%，而一旦有失真，THD就会增大很多。其实验结果也与经验值相吻合。
4.2下限截止频率测试
频带宽度BW0.7=/h-/L，特性曲线如图1所示。因采集板卡的采样率低，不能测出上限截止频率fn，因此，本文只测下限截止频率府。具体测试时，首先要保证音频测试输入信号正弦波的幅度为最大不失真时的相应的值；另外，从f=1kHz开始,可逐渐减小正弦波的频率，随时观察功放板u的波形有无失真,Vop有没有减小。当频率f减小到一定值时，输出灼开始减小；当Vop减小到原来的0.707倍时，记录此时的正弦波频率府，该频率即为下限截止频率。其测试数据如表2所列。
从表2中的数据可以看出，当户1kHz，4=0.9V时，波形为最大不失真，此时该频率的灼X0.707与f=157Hz的原的数值相同，所以下限截止频率为157Hz。
5结语
本文中的测试软件采用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、放大系数、谐波失真、截止频率等参数的测试与分析。
与传统测试方案相比，虚拟仪器的优势表现在以下几个方面：
(1) 集成多台仪器于一身。本文的功放参数测试虚拟仪器测试系统就集成了四种仪器：音频函数信号发生器、数字示波器、频谱分析仪、万用表。
(2) 可以一次测试多个功放板，大大提高了测试效率。由于采用NI9221数据采集卡有8路模拟输入(AI)通道，因而可以同时测试4~8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。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。
当然，本项目也还存在一些需要改进的地方：首先是应能判别功放板是否合格。应当将标准功放板的测试指标做成数表，并事先存入数据库中，然后，当功放板进行测试时，再将测试结果自动与数据库中的标准值进行比较，从而判断是否合格。其次是硬件的完善。功放板上的输入、输出端口应当留出测试用的接线端子，以实现功放板与采集板卡的零干扰连接，从而进一步完善接口电路部分。
下载文档
