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摘要：本文介绍了将虚拟仪器技术引入到音频分析仪器的设计，采用LabVIEW编写程序。通过测试典型的音频放大器，检测虚拟式音频放大器测试的实用效果，测量音频信号的电压与频率、时域幅值分析、频域分析、失真分析和信噪比等。
关键词：LabVIEW；音频放大器；时域分析；信噪比
1 引言
在果树的仿形喷雾过程中，喷药量的多少及喷雾距离是由运算处理设备（如计算机等）将数字控制信号进行D/A转换并控制喷嘴实现的。由于D/A转换后的信号无法直接驱动喷嘴等执行机构，必须对此信号进行功率放大。控制电压的频率在音频的范围内（20Hz～20kHz），可以采用常用的音频功率放大器。为了准确的进行仿形喷雾，有必要对所选用的音频放大器的输入/输出关系、饱和电压、信噪比、失真度等参数进行测试。
进行比较完整的音频测试分析需要购置各种价格昂贵的专用仪器，如低失真音频信号源、频谱分析仪、示波器、失真度测量仪等，而且需要整合成整套的音频测试系统，这对于一般的实验室而言存在较大的困难。此外，传统仪器不具备频率响应特性分析等图形界面的分析功能，数据的存储和打印功能比较弱 [1]。
随着现代电子技术、微处理器以及个人计算机的不断发展，虚拟仪器的兴起给功率放大器性能的研究分析提供了新的途径。本文在研究音频分析基本原理和主要内容的基础上，提出了将虚拟仪器技术引入功率放大器测试与分析系统的设计开发的思想。
2 音频分析原理
2.1 连续信号的采样[2]
在以计算机为中心的测试系统中，模拟信号x(t)进入数字计算机前先经过数据采集卡（DAQ）中的采样器将连续时间信号变为离散时间信号，成为采样信号x(n)而后再经A/D转换器在幅值上量化变为离散的数字信号。
若连续时间信号x(t)被数据采集卡中的采样器以等时间间隔T采样，则采样时刻0，T，2T…所取得信号 x(t)的瞬时值，构成了连续信号 x(t)的离散时间序x(n)。
2.2 采样信号的FFT变换（傅立叶变换）[3]
周期信号可以利用周期函数 x(t)表示 任何一个周期为T 的周期函数 x(t)如果在[-T /2,T /2]上满足Dirichlet条件则可以展开为如下傅利叶级数，如式（1），
（1）
其中，a0为直流分量， an为余弦分量的幅值，bn为正弦分量的幅值，An为各频率分量的幅值，φn为各频率分量的相位，ω为角频率。
2.3 正弦信号检测
正弦信号是最简单的周期信号，其最大的特点是只有单一频率的频谱分量。在音频分析中，正弦信号又称为单音信号。将特定的单音信号输入待测得音频设备，通过检测设备的输出信号就可以了解在该频率的失真情况。将频率在20-20kHz之间的若干个单音信号依次输入音频放大器，分别测量各输出信号的情况，可以做出相对应的谐波失真曲线，频率响应等。
3 基本参数的测量
本次测试的项目包括：
（1）不同频率下放大器的放大系数A及饱和电压Vd。测试的方法为在频率一定的情况下，逐渐增大输入正弦信号的峰-峰值，记录相对应的输出信号峰-峰值并观察波形，一直增大输入电压直至输出信号波形出现失真，记录此时的输入、输出峰-峰值并计算放大系数。
（2）放大器的通频带。测试的方法为在输入信号幅值一定的情况下，改变其频率，观察输出信号的幅值，在其下降至半功率点时，记录上、下限频率fhigh和flow，则放大器的通频带为：F=fhigh－flow。
（3）谐波失真分析。由于输入信号为正弦波，则式（1）中an=0；输入的正弦波其直流分量设定为0，即a0=0。且正弦波在理想状态下只包含基频分量，则输入信号和输出信号的表达式分别如式（2），（3）：
（2）
（3）
其中A为放大系数。
但是，由于放大器的非线性失真、噪声等因素，输出信号会叠加上其他频率的信号。则谐波失真可用失真度来表示[1]，如式（4）
（4）
其中，b1是信号基频分量的幅值；
bi（2≤i≤N）是信号各次谐波分量的幅值；
bn是噪声幅值；DISTN为失真度。
（4）信噪比计算。本系统采用电压进行信噪比的计算，如式（5）所示：
（5）
其中，Vs表示输出的信号电压幅值，Vn表示输出的噪声电压幅值。由于在输出的信号中，分离出有用信号和噪声信号不易实现，所以在现实的测量中，用输出的总电压值代替有用信号电压值。
3.1 测试系统简介[4]
图1 系统各模块间关系图
如图1所示,本测试采用美国国家仪器公司生产的多功能数据采集卡PCI－6024E，该数据采集卡的功能包括：16路模拟输入通道，采样率为100kSa/s，精度为12位；2路模拟输出通道，每通道更新率为100kSa/s，精度为12位；8个数字I/O口；2个24位定时/计数器。
软件设计采用NI公司的图形化编程语言LabVIEW 7.0。设计中，将系统分为5个模块：信号发生模块，信号采集模块，计算模块，分析与显示模块，数据存储模块。
3.2 各功能模块简介
3.2.1 信号发生模块[5]
信号发生模块的作用是产生频率、相位、幅值、直流偏置及信号类型均可调的信号。产生的波形由PCI－6024E的模拟通道输出，作为音频放大器的输入信号。其前面板如图2所示。
3.2.2 信号采集模块
信号采集的过程为：
|
图2 信号发生模块前面板 |
（2）采集参数设定：需要设定的参数包括缓存区的大小以及采样率。为简化设计并最大限度地利用数据采集卡的功能，采样率的设定为100kSa/s。缓存区的作用是在高频信号测量时，计算机并不将所有的信号都进行计算、显示等一系列的操作，而是将一部份信号放入缓存区内，用以满足计算的需要但不用来显示，这样可以提高计算机处理的效率。
（3）信号采样：在虚拟仪器软件中有专门的子VI完成其功能。
（4）读入信号：将采样后的离散信号存入计算机内存中，可以对该波形进行显示、计算等操作。
3.2.3 计算模块
计算模块中分别包括FFT Spectrum、Extract Single Tone Information 及Harm Analyze三个子VI。此外，由于LabVIEW中没有信噪比测量的子VI，还需使用公式节点计算信噪比。计算模块的源代码如图3 所示。
3.2.4 分析与显示模块
该模块的功能是将测试项目的结果以及数据采集卡所采集到的波形、经过傅立叶变换后的频谱图直观地在计算机屏幕上进行显示。其前面板如图4和图5所示。
|
|
4 测试数据
系统所测试的放大电路是一个由集成运放与晶体管组成的OCL功率放大器。
4.1 输入/输出关系测试
保持正弦波1kHz和10kHz的输入频率不变，改变输入幅值，测量输入与输出，得到的数据如表1所示：
表1输入信号与输出信号的关系
|
信号频率/kHz |
输入/mV |
20 |
30 |
50 |
80 |
100 |
200 |
500 |
800 |
1000 |
1200 |
1680 |
|
1 |
输出/mV |
130 |
210 |
340 |
500 |
620 |
1320 |
3120 |
4690 |
5790 |
6930 |
9630 |
|
10 |
输出/mV |
130 |
210 |
340 |
500 |
620 |
1330 |
3120 |
4730 |
5840 |
6960 |
9680 |
根据表1中的数据，绘制输入输出关系曲线，如图6、图7所示：
对图6中曲线进行回归分析，得到放大器输入/输出关系式为：Vo=5.716Vi+84.333 (mV)
对图7中曲线进行回归分析，得到放大器输入/输出关系式为：Vo=5.7497Vi+83.331 (mV)
由以上两式可以得出放大器在线性工作区的放大系数A约为5.7×2=11.4；两式中均体现输出信号中包含了84mV左右的直流偏移。
4. 2 失真度测试数据
保持输入信号频率为1kHz，改变输入信号的幅值，测量的失真度如表2所示：
表2 失真度测试数据
|
输入/mV |
20 |
30 |
50 |
100 |
200 |
300 |
500 |
|
失真度/% |
1.763 |
1.1944 |
0.7805 |
0.7541 |
0.7717 |
0.7843 |
0.7961 |
由表2可以看出，该音频信号放大器的失真度当输入信号为50mv以上时，基本上保持在1%以内，满足对失真度的要求。20mV和30mV时失真度比较大的原因是输入信号的幅度比较小，噪声的影响比较大。
4. 3 信噪比测试数据
保持输入信号频率为1kHz，改变输入信号的幅值，测量的信噪比数据如表3所示：
表3 信噪比测试数据
|
输入/mV |
20 |
30 |
50 |
100 |
200 |
300 |
500 |
|
信噪比/dB |
52.602 |
57.685 |
63.228 |
63.674 |
63.376 |
63.182 |
62.971 |
由表3可以看出，待测放大器的信噪比在输入信号频率为1kHz时为63dB左右，由于该放大器为手工焊制，对于信号间相互干扰的屏蔽措施不足是造成信噪比低的一个主要原因。
4. 4 通频带测试
当输出电平在某个低频点下降了3dB，则该点为下限频率，同样在某个高频点处下降了3dB，则定为上限频率。由于PCI－6024E的采样率最大值为100kSa/s，无法实现上限频率的测量。在此使用了英国PICO公司生产的虚拟示波器，其采样频率最大值为5MHz，可以实现音频放大器上限频率的测量。分别在200 mv、400mv、800mv、1200mv输入幅值一定的情况下，测试放大器的3dB带宽数据如表4所示：
表4 截止频率测试数据
|
输入幅值/mV |
下限频率/Hz |
上限频率/kHz |
|
200 |
19.24 |
348.1 |
|
400 |
18.58 |
408.7 |
|
800 |
17.05 |
407.2 |
|
1200 |
15.47 |
334.4 |
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5 结论
（1）实验中测试软件采用LabVIEW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、信噪比等参数的测试与分析。
（2）音频放大器的上限频率在本次测量中受数据采集卡的采样频率限制，使用了其他仪器完成测量。新式的数据采集卡其采样频率完全可以胜任音频放大器上限频率测量的要求，且价格更加低廉。
参考文献
[1]王晓峰. 基于虚拟仪器结构的虚拟式音频分析仪设计［D］. [硕士学位论文].重庆：重庆大学，2002
[2]姚天任，江太辉. 数字信号处理（第二版）［M］.武汉：华中理工大学出版社，2000，29-32
[3]汪小平，杨维翰，王绍兰.LabVIEW 虚拟仪器实现的频率跟踪技术［J］.自动化与仪表，2000，15（2）：65-67
[4]朱余清，吴伟斌，洪添胜等.基于虚拟仪器技术的发动机测功系统［J］.广西大学学报（自然科学版），2004，19（4）：310-314
[5]马双宝，王攀，曾勇.基于Labview 7.0虚拟信号发生器的实现［J］.测控自动化，2005，21（1）：89-90
[6]谷利华，辛晓宁，么旭东.实用低频功率放大器的设计［J］.沈阳化工学院学报，2005，19（3）：50-54
