1、 引言

在果樹(shù)的仿形噴霧過(guò)程中，噴藥量的多少及噴霧距離是由運(yùn)算處理設(shè)備（如計(jì)算機(jī)等）將數(shù)字控制信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并控制噴嘴實(shí)現(xiàn)的。由于D/A轉(zhuǎn)換后的信號(hào)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)噴嘴等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，必須對(duì)此信號(hào)進(jìn)行功率放大。控制電壓的頻率在音頻的范圍內(nèi)（20Hz～20kHz），可以采用常用的音頻功率放大器。為了準(zhǔn)確的進(jìn)行仿形噴霧，有必要對(duì)所選用的音頻放大器的輸入/輸出關(guān)系、飽和電壓、信噪比、失真度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

進(jìn)行比較完整的音頻測(cè)試分析需要購(gòu)置各種價(jià)格昂貴的專用儀器，如低失真音頻信號(hào)源、頻譜分析儀、示波器、失真度測(cè)量?jī)x等，而且需要整合成整套的音頻測(cè)試系統(tǒng)，這對(duì)于一般的實(shí)驗(yàn)室而言存在較大的困難。此外，傳統(tǒng)儀器不具備頻率響應(yīng)特性分析等圖形界面的分析功能，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和打印功能比較弱 。

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、微處理器以及個(gè)人計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，虛擬儀器的興起給功率放大器性能的研究分析提供了新的途徑。本文在研究音頻分析基本原理和主要內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出了將虛擬儀器技術(shù)引入功率放大器測(cè)試與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的思想。

2、 音頻分析原理

2.1 連續(xù)信號(hào)的采樣

在以計(jì)算機(jī)為中心的測(cè)試系統(tǒng)中，模擬信號(hào)x（t）進(jìn)入數(shù)字計(jì)算機(jī)前先經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）中的采樣器將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間信號(hào)，成為采樣信號(hào)x（n）而后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器在幅值上量化變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)。

若連續(xù)時(shí)間信號(hào)x（t）被數(shù)據(jù)采集卡中的采樣器以等時(shí)間間隔T采樣，則采樣時(shí)刻0，T，2T…所取得信號(hào) x（t）的瞬時(shí)值，構(gòu)成了連續(xù)信號(hào) x（t）的離散時(shí)間序x（n）。

2.2 采樣信號(hào)的FFT變換（傅立葉變換）

周期信號(hào)可以利用周期函數(shù) x（t）表示 任何一個(gè)周期為T(mén) 的周期函數(shù) x（t）如果在［-T /2，T /2］上滿足Dirichlet條件則可以展開(kāi)為如下傅利葉級(jí)數(shù)，如式（1），

其中，a0為直流分量， an為余弦分量的幅值，bn為正弦分量的幅值，An為各頻率分量的幅值，φn為各頻率分量的相位，ω為角頻率。

2.3 正弦信號(hào)檢測(cè)

正弦信號(hào)是最簡(jiǎn)單的周期信號(hào)，其最大的特點(diǎn)是只有單一頻率的頻譜分量。在音頻分析中，正弦信號(hào)又稱為單音信號(hào)。將特定的單音信號(hào)輸入待測(cè)得音頻設(shè)備，通過(guò)檢測(cè)設(shè)備的輸出信號(hào)就可以了解在該頻率的失真情況。將頻率在20-20kHz之間的若干個(gè)單音信號(hào)依次輸入音頻放大器，分別測(cè)量各輸出信號(hào)的情況，可以做出相對(duì)應(yīng)的諧波失真曲線，頻率響應(yīng)等。

3、基本參數(shù)的測(cè)量

本次測(cè)試的項(xiàng)目包括：

（1）不同頻率下放大器的放大系數(shù)A及飽和電壓Vd。測(cè)試的方法為在頻率一定的情況下，逐漸增大輸入正弦信號(hào)的峰-峰值，記錄相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)峰-峰值并觀察波形，一直增大輸入電壓直至輸出信號(hào)波形出現(xiàn)失真，記錄此時(shí)的輸入、輸出峰-峰值并計(jì)算放大系數(shù)。

（2）放大器的通頻帶。測(cè)試的方法為在輸入信號(hào)幅值一定的情況下，改變其頻率，觀察輸出信號(hào)的幅值，在其下降至半功率點(diǎn)時(shí)，記錄上、下限頻率fhigh和flow，則放大器的通頻帶為：F=fhigh－flow。

（3）諧波失真分析。由于輸入信號(hào)為正弦波，則式（1）中an=0；輸入的正弦波其直流分量設(shè)定為0，即a0=0。且正弦波在理想狀態(tài)下只包含基頻分量，則輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的表達(dá)式分別如式（2），

其中，Vs表示輸出的信號(hào)電壓幅值，Vn表示輸出的噪聲電壓幅值。由于在輸出的信號(hào)中，分離出有用信號(hào)和噪聲信號(hào)不易實(shí)現(xiàn)，所以在現(xiàn)實(shí)的測(cè)量中，用輸出的總電壓值代替有用信號(hào)電壓值。

3.1 測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1 系統(tǒng)各模塊間關(guān)系圖

如圖1所示，本測(cè)試采用美國(guó)國(guó)家儀器公司生產(chǎn)的多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI－6024E，該數(shù)據(jù)采集卡的功能包括：16路模擬輸入通道，采樣率為100kSa/s，精度為12位；2路模擬輸出通道，每通道更新率為100kSa/s，精度為12位；8個(gè)數(shù)字I/O口；2個(gè)24位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。

軟件設(shè)計(jì)采用NI公司的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW 7.0。設(shè)計(jì)中，將系統(tǒng)分為5個(gè)模塊：信號(hào)發(fā)生模塊，信號(hào)采集模塊，計(jì)算模塊，分析與顯示模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

3.2 各功能模塊簡(jiǎn)介

3.2.1 信號(hào)發(fā)生模塊

信號(hào)發(fā)生模塊的作用是產(chǎn)生頻率、相位、幅值、直流偏置及信號(hào)類型均可調(diào)的信號(hào)。產(chǎn)生的波形由PCI－6024E的模擬通道輸出，作為音頻放大器的輸入信號(hào)。其前面板如圖2所示。

3.2.2 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集的過(guò)程為：

（1）定義通道：由于共需采集兩路信號(hào)，所以使用了數(shù)據(jù)采集卡中的模擬輸入通道0和通道1；

（2）采集參數(shù)設(shè)定：需要設(shè)定的參數(shù)包括緩存區(qū)的大小以及采樣率。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并最大限度地利用數(shù)據(jù)采集卡的功能，采樣率的設(shè)定為100kSa/s。緩存區(qū)的作用是在高頻信號(hào)測(cè)量時(shí)，計(jì)算機(jī)并不將所有的信號(hào)都進(jìn)行計(jì)算、顯示等一系列的操作，而是將一部份信號(hào)放入緩存區(qū)內(nèi)，用以滿足計(jì)算的需要但不用來(lái)顯示，這樣可以提高計(jì)算機(jī)處理的效率。

（3）信號(hào)采樣：在虛擬儀器軟件中有專門(mén)的子VI完成其功能。

（4）讀入信號(hào)：將采樣后的離散信號(hào)存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，可以對(duì)該波形進(jìn)行顯示、計(jì)算等操作。

3.2.3 計(jì)算模塊

計(jì)算模塊中分別包括FFT Spectrum、Extract Single Tone Information 及Harm Analyze三個(gè)子VI。此外，由于LabVIEW中沒(méi)有信噪比測(cè)量的子VI，還需使用公式節(jié)點(diǎn)計(jì)算信噪比。計(jì)算模塊的源代碼如圖3 所示。

3.2.4 分析與顯示模塊

該模塊的功能是將測(cè)試項(xiàng)目的結(jié)果以及數(shù)據(jù)采集卡所采集到的波形、經(jīng)過(guò)傅立葉變換后的頻譜圖直觀地在計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)行顯示。其前面板如圖4和圖5所示。

4、 測(cè)試數(shù)據(jù)

系統(tǒng)所測(cè)試的放大電路是一個(gè)由集成運(yùn)放與晶體管組成的OCL功率放大器。

4.1 輸入/輸出關(guān)系測(cè)試

保持正弦波1kHz和10kHz的輸入頻率不變，改變輸入幅值，測(cè)量輸入與輸出，得到的數(shù)據(jù)如表1所示：

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，繪制輸入輸出關(guān)系曲線，如圖6、圖7所示：

對(duì)圖6中曲線進(jìn)行回歸分析，得到放大器輸入/輸出關(guān)系式為：Vo=5.716Vi+84.333 （mV）

對(duì)圖7中曲線進(jìn)行回歸分析，得到放大器輸入/輸出關(guān)系式為：Vo=5.7497Vi+83.331 （mV）

由以上兩式可以得出放大器在線性工作區(qū)的放大系數(shù)A約為5.7×2=11.4；兩式中均體現(xiàn)輸出信號(hào)中包含了84mV左右的直流偏移。

4. 2 失真度測(cè)試數(shù)據(jù)

保持輸入信號(hào)頻率為1kHz，改變輸入信號(hào)的幅值，測(cè)量的失真度如表2所示：

由表2可以看出，該音頻信號(hào)放大器的失真度當(dāng)輸入信號(hào)為50mv以上時(shí)，基本上保持在1%以內(nèi)，滿足對(duì)失真度的要求。20mV和30mV時(shí)失真度比較大的原因是輸入信號(hào)的幅度比較小，噪聲的影響比較大。

4. 3 信噪比測(cè)試數(shù)據(jù)

保持輸入信號(hào)頻率為1kHz，改變輸入信號(hào)的幅值，測(cè)量的信噪比數(shù)據(jù)如表3所示：

由表3可以看出，待測(cè)放大器的信噪比在輸入信號(hào)頻率為1kHz時(shí)為63dB左右，由于該放大器為手工焊制，對(duì)于信號(hào)間相互干擾的屏蔽措施不足是造成信噪比低的一個(gè)主要原因。

4. 4 通頻帶測(cè)試

當(dāng)輸出電平在某個(gè)低頻點(diǎn)下降了3dB，則該點(diǎn)為下限頻率，同樣在某個(gè)高頻點(diǎn)處下降了3dB，則定為上限頻率。由于PCI－6024E的采樣率最大值為100kSa/s，無(wú)法實(shí)現(xiàn)上限頻率的測(cè)量。在此使用了英國(guó)PICO公司生產(chǎn)的虛擬示波器，其采樣頻率最大值為5MHz，可以實(shí)現(xiàn)音頻放大器上限頻率的測(cè)量。分別在200 mv、400mv、800mv、1200mv輸入幅值一定的情況下，測(cè)試放大器的3dB帶寬數(shù)據(jù)如表4所示：

憂無(wú)線SOC開(kāi)發(fā)平臺(tái)豪華的單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)S3C44B0 ARM7 開(kāi)發(fā)板無(wú)憂S3C2410 ARM9開(kāi)發(fā)板單片機(jī)以太網(wǎng)開(kāi)發(fā)板Mini ARM Debugger無(wú)憂單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板無(wú)憂單片機(jī)學(xué)習(xí)板 無(wú)憂無(wú)線nRF-9E5模塊

5、 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)中測(cè)試軟件采用LabVIEW編寫(xiě)，利用其豐富的測(cè)試函數(shù)配合數(shù)據(jù)采集卡縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率放大器信號(hào)頻率、振幅、放大系數(shù)、諧波失真、截止頻率、信噪比等參數(shù)的測(cè)試與分析。

（2）音頻放大器的上限頻率在本次測(cè)量中受數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率限制，使用了其他儀器完成測(cè)量。新式的數(shù)據(jù)采集卡其采樣頻率完全可以勝任音頻放大器上限頻率測(cè)量的要求，且價(jià)格更加低廉。

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