基于虚拟仪器的功放参数测试仪设计毕业论文.doc

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 录摘 要I第一章 绪论11.1虚拟仪器概述11.2 音频功率放大器概述2第二章 硬件设计32.1 功率放大器分类32.2 音频放大器设计42.2.1 TDA 2822M 简介42.2.2 方案说明42.3 功放测试参数62.3.1 输出功率62.3.2 频响范围62.3.3 谐波失真62.3.4信噪比7第三章 功放测试程序设计83.1 所用板卡简介83.1.1NI 9221 板卡83.1.2NI 9263板卡93.3 程序设计103.3.1 程序框图103.3.2 输入程序设计103.3.3 输出程序设计113.3.4 频率响应程序设计11第四章 功放系统调试134.1测试系统搭建134.2调试步骤144.3 调试结果144.3.1 有载测试144.3.2 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1.1虚拟仪器概述美国国家仪器公司NI（NationalInstruments）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。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1W×2（Vcc=9V, RL=8， THD10）或110mW×2（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 引脚功能引脚功能电压（）在路电阻（）开路电阻（）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2.61.156.5285.22电源电压输入端3.411.65753功放电路2信号输出端2.31.156.5285.24接地线000005功放电路2负反馈端0.451.45801206.26功放电路2信号输入端01.5196.57功放电路1信号输入端01.5196.58功放电路负反馈端0.451.45801206.22.2.2 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。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2-12.3.2 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。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：Si表示输入端信号，Ni表示输入端噪声，So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。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3.1.1NI 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。NI 9221 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。3.1.2NI 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。NI9263 图3-4 NI 9263外观图 图3-5 NI 9263引脚图该模块具有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。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。图3-10 频率响应函数所编写的程序图见附录一。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0.81.080.270.032（最大）无失真0.91.640.650.045有失真1.22.01.00.1524.3.2 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0.20.410.040.016（最大）无失真0.91.640.650.045有失真1.22.211.140.202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。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。 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，以及学习、生活上的无私帮助! 严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，xxx都始终给予我细心的指导和不懈的支持。半年多来，xxx不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向xxx致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在此，我还要感谢在一起愉快的度过实验生活的各位同门，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!还要感谢xxx级电子系的同窗好友，在同大家的交往中我学到了很多，也非常的快乐，正因为有大家我的生活才能如此丰富而充实。三年的时光真快，而在这段短暂时光的点点滴滴都将是我生命中的美好回忆。因而在今后新的征程中，无论面临多大的困难，我也将怀着感激，怀着情谊，怀着责任，怀着期望和梦想，坚定，自信地走下去。最后，我还要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参加我论文答辩的各位师长表示感谢，感谢你们的辛苦付出，祝你们身体健康，工作顺利。参考文献1.崔凤英，童刚，樊春玲. 基于虚拟仪器的智能功放测试系统.J计算机工程与应用，2007，43（2）：128-131； 2. 孟建良，杨光兴.基于 LabView 的虚拟音频信号分析仪设计J. 国外电子测量技术, 2008,(06)：42-443.许恒迎. 基于LabVIEW的虚拟信号发生和数据采集系统J. 电子质量, 2008,(08):25-28 4.蔡国英,张宏群. 基于LabVIEW的信号产生与分析系统J. 国外电子测量技术, 2007,(07):12-14 5.李震，洪添胜，陈海生.基于LabVIEW测试音频功率放大器J.微计算机信息, 2006,(11):206-208 6. 马强.音频信号的分析与评价方法及实现D.大连理工大学,2007 7. 龙帆,钱利民,李迎春. 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