高自力,黃詠梅
(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)
揚(yáng)聲器要正確的復(fù)現(xiàn)各種波形復(fù)雜的隨機(jī)信號(hào),需具有良好的電功率轉(zhuǎn)化為聲功率的能力。國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,揚(yáng)聲器在出廠前必須進(jìn)行功率試驗(yàn),可見(jiàn)功率測(cè)試對(duì)保證揚(yáng)聲器質(zhì)量具有重要意義。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12060.5-2011《聲頻系統(tǒng)設(shè)備第5部分:揚(yáng)聲器主要性能測(cè)試方法》對(duì)揚(yáng)聲器功率測(cè)試的要求是對(duì)揚(yáng)聲器輸入一定電壓頻率的正弦波等信號(hào),并進(jìn)行功率測(cè)試[1]。
目前,國(guó)內(nèi)外在揚(yáng)聲器功率檢測(cè)方面開(kāi)展了很多相關(guān)研究工作。韓國(guó)SIGMA公司、意大利Audiomatica公司、美國(guó)DRA LABS公司等都開(kāi)發(fā)了揚(yáng)聲器測(cè)量系統(tǒng),可以對(duì)揚(yáng)聲器產(chǎn)品的頻率和時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行分析,可完成頻響、諧波失真、阻抗、瞬時(shí)脈沖響應(yīng)等參數(shù)的分析與測(cè)試,但系統(tǒng)復(fù)雜、成本高,不適用于國(guó)內(nèi)揚(yáng)聲器生產(chǎn)企業(yè)[2-3]。國(guó)內(nèi)西安工程大學(xué)設(shè)計(jì)的揚(yáng)聲器功率測(cè)試儀是以揚(yáng)聲器的電功率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),其硬件電路是以直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Fraquency Synthesis,DDS)芯片產(chǎn)生數(shù)字信號(hào),但是需經(jīng)過(guò)外接功率放大器進(jìn)行信號(hào)放大才能傳輸給揚(yáng)聲器進(jìn)行功率測(cè)試。其主控制模塊采用了STM32單片機(jī)芯片,上位機(jī)與測(cè)試系統(tǒng)的通信采用USB2.0芯片,其測(cè)試成本較高,信號(hào)調(diào)理模塊和采集模塊只能負(fù)責(zé)8通道的測(cè)試信號(hào)調(diào)理和采集,無(wú)法實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的大數(shù)據(jù)處理能力[4]。
盡管國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了相關(guān)的揚(yáng)聲器功率測(cè)試儀,但難以滿足揚(yáng)聲器生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際測(cè)試的要求。
本文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)揚(yáng)聲器功率測(cè)試要求,采用DDS提供信號(hào)源,設(shè)計(jì)了由上位機(jī)和下位機(jī)組成的功率測(cè)試系統(tǒng),可同時(shí)實(shí)現(xiàn)20個(gè)揚(yáng)聲器測(cè)試,并通過(guò)以太網(wǎng)快速傳輸測(cè)試數(shù)據(jù),具有較高的測(cè)試效率,達(dá)到測(cè)試要求。
根據(jù)揚(yáng)聲器功率的定義、測(cè)試方法和測(cè)試要求,測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是對(duì)揚(yáng)聲器施加一定電壓頻率的正弦波等信號(hào),對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行功率測(cè)試,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)揚(yáng)聲器兩端的電壓、電流和阻抗,并將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)保存。
揚(yáng)聲器功率測(cè)試系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成,下位機(jī)完成揚(yáng)聲器功率的測(cè)試并將采集數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī),上位機(jī)完成揚(yáng)聲器測(cè)試參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并保存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1。
圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Figure 1 Overall diagram of the system
整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)分為AB兩組共20通道,可同時(shí)外接20只揚(yáng)聲器進(jìn)行測(cè)試。另外每組也可分別進(jìn)行不同信號(hào)的功率測(cè)試,提高測(cè)試效率,滿足用戶對(duì)測(cè)試信號(hào)的要求。
下位機(jī)的主控制模塊以微程序控制器(Microprogrammed Control Unit,MCU)C8051控制信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào),將信號(hào)輸出到AB兩組功放模塊,經(jīng)功率放大后提供給揚(yáng)聲器進(jìn)行功率試驗(yàn)。同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中將揚(yáng)聲器兩端電信號(hào)通過(guò)差分放大電路并采用真有效值(True Root-Mean-Square,RMS)測(cè)量方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換,經(jīng)AD采集模塊將信號(hào)反饋給主控單元MCU和上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以達(dá)到揚(yáng)聲器的功率試驗(yàn)要求。下位機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信,可以便捷快速地傳輸大量測(cè)試數(shù)據(jù),克服了傳統(tǒng)串口數(shù)據(jù)傳輸距離短、傳輸數(shù)據(jù)量小和不方便組網(wǎng)布線等缺點(diǎn)。
主控制單元模塊是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)控制信號(hào)發(fā)生模塊激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生以及將數(shù)據(jù)采集模塊采集的測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。主控制單元模塊硬件電路如圖2。
圖2 主控制單元硬件結(jié)構(gòu)Figure 2 Main control unit hardware structure
主控制單元采用SiliconLAB公司生產(chǎn)的C8051F120作為中央處理器。C8051F120是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片,它是一款低成本、高性能芯片,內(nèi)部有兩個(gè)增強(qiáng)型全雙工UART、SPI總線和SMBus/I2C四種串行傳輸接口,可以實(shí)現(xiàn)不同通訊方式。每種串行傳輸接口都完全用硬件實(shí)現(xiàn),都能向CIP-51產(chǎn)生中斷,因此需要很少的CPU干預(yù)。
按鍵單元采用ZLG7290芯片控制,ZLG7290鍵盤(pán)/LED驅(qū)動(dòng)器能自動(dòng)完成8位LED數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描和(最多)64只按鍵檢測(cè)掃描。由于采用I2C接口,傳輸速率可達(dá)32kbit/s,因而它只需要兩根信號(hào)線(數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘信號(hào)線SCL)與微控制器接口連接。大大減輕單片機(jī)用于顯示/鍵盤(pán)的工作時(shí)間和程序負(fù)擔(dān)。
存儲(chǔ)單元采用Everspin公司生產(chǎn)的一款串口MRAM存儲(chǔ)芯片MR25H256CDC。由于C8051F120片內(nèi)的Flash存儲(chǔ)器只有128 k,芯片MR25H256CDC具有256 KB串行SPIMRAM,時(shí)鐘頻率達(dá)40 MHz,允許對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行隨機(jī)讀寫(xiě)操作,而且沒(méi)有寫(xiě)入延遲。
顯示單元采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的人機(jī)交互參數(shù)設(shè)置,采用RAIO公司生產(chǎn)的RA8875L3N控制器控制顯示人機(jī)交互界面,RA8875L3N是文字與繪圖模式的雙圖層液晶顯示(TFT-LCD)控制器,內(nèi)部具有768 kB顯示內(nèi)存并支持MCU接口,可結(jié)合文字或2D圖形應(yīng)用,RA8875整合了強(qiáng)大的功能,可處理大量數(shù)據(jù)和圖形的傳輸,RA8875提供串行I2C/SPI接口,提升MCU軟件的執(zhí)行效率[5]。
以太網(wǎng)通訊模塊采用WIZnet公司研發(fā)的一款超高性價(jià)比的芯片W5500進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,W5500是新一代全硬件并且內(nèi)置協(xié)議棧的專用芯片,所以在實(shí)際使用中,具有開(kāi)發(fā)周期短、使用方便等優(yōu)點(diǎn)[6]。W5500提供SPI接口,并且最高支持80 MHz速率,采用新的高效SPI協(xié)議,在W5500芯片內(nèi)通過(guò)內(nèi)置TCP/IP硬件協(xié)議棧完成TCP/IP握手請(qǐng)求,極大的提高M(jìn)CU工作效率。
揚(yáng)聲器功率測(cè)試要求輸出信號(hào)頻率范圍是20 Hz~20 kHz,頻率準(zhǔn)確度±0.05%,失真度小于0.5%。為了滿足輸出信號(hào)的頻率準(zhǔn)確、失真小的要求,選用基于DDS技術(shù)美國(guó)AD公司生產(chǎn)的AD9833芯片作為正弦信號(hào)發(fā)生器,信號(hào)頻率易調(diào)節(jié)、精度高。DDS技術(shù)是以外部參考時(shí)鐘作為基準(zhǔn),通過(guò)參考時(shí)鐘的選擇決定信號(hào)頻率的精度[7]。設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生電路如圖3。
圖3 DDS信號(hào)發(fā)生電路Figure 3 DDS signal generating circuit
圖3中主控制單元C8051通過(guò)SPI接口SDATA(串行數(shù)據(jù)輸入)、SCLK(串行時(shí)鐘輸出)、FYSYNC(控制輸入)引腳與信號(hào)發(fā)生器部分相連,通過(guò)這三個(gè)I/O將數(shù)據(jù)寫(xiě)入AD9833芯片中控制產(chǎn)生正弦波信號(hào)。
功率放大器模塊作用是對(duì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行功率放大,提供給揚(yáng)聲器進(jìn)行功率試驗(yàn)。要實(shí)現(xiàn)20路通道的揚(yáng)聲器負(fù)載進(jìn)行功率測(cè)試,就要求功率放大器模塊的總輸出功率達(dá)到300 W,那么每路的功率需達(dá)到15 W,因此選用運(yùn)放NE5532和美國(guó)半導(dǎo)體器件公司生產(chǎn)的LM1875功率放大集成模塊。LM1875最大輸出功率為25 W,不但具有過(guò)載保護(hù)功能,而且可以實(shí)現(xiàn)較高的輸出功率以及極低的失真水平。
揚(yáng)聲器在功率測(cè)試時(shí),需要實(shí)時(shí)采集被測(cè)揚(yáng)聲器兩端的電壓信號(hào)。為了提高采樣精度,采用差分方式采集揚(yáng)聲器工作電壓。信號(hào)經(jīng)過(guò)差分放大后采用RMS測(cè)量方法,將揚(yáng)聲器兩端的電壓進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換。RMS測(cè)量模塊采用AD8436真有效值芯片,通過(guò)內(nèi)部精確計(jì)算得出交流電壓的直流有效值,AD8436提供高精度轉(zhuǎn)換,確?!?.5%的轉(zhuǎn)換精度和小于10 μV的輸出失調(diào)。RMS轉(zhuǎn)換電路如圖4。
圖4 RMS轉(zhuǎn)換電路Figure 4 RMS conversion circuit
系統(tǒng)軟件包括下位機(jī)軟件、通訊軟件及上位機(jī)軟件。
下位機(jī)軟件是基于KeilC51的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)。通過(guò)觸摸屏上人機(jī)交互界面按鍵、旋鈕等進(jìn)行信號(hào)頻率及幅值等參數(shù)、試驗(yàn)時(shí)間等功能的設(shè)定,經(jīng)由CAN接口與主控制單元進(jìn)行通信。下位機(jī)軟件的主要功能模塊如圖5。
圖5 下位機(jī)軟件功能模塊圖Figure 5 Lower computer software function module diagram
上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)以太網(wǎng)芯片W5500進(jìn)行,通過(guò)TCP/IP通信協(xié)議來(lái)完成通信。全硬件實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議能夠?yàn)槲⑻幚砥魈幚硪蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)省MCU工作空間,從而提高了MCU的工作效率,優(yōu)化了MCU的網(wǎng)絡(luò)功能。由TCP/IP協(xié)議完成的網(wǎng)絡(luò)通信首先經(jīng)過(guò)初始化連接然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。TCP/IP協(xié)議需經(jīng)歷3次握手過(guò)程才能成功初始化,建立連接[8]。
TCP/IP協(xié)議建立連接握手的過(guò)程也是上位機(jī)與下位機(jī)MCU建立通信的過(guò)程。當(dāng)MCU需要向上位機(jī)服務(wù)器端傳送測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)首先經(jīng)W5500將數(shù)據(jù)封裝在SPI數(shù)據(jù)幀中,確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)地址后,最后數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP協(xié)議棧發(fā)送到服務(wù)器上位機(jī)中;當(dāng)上位機(jī)需要發(fā)送給MCU數(shù)據(jù)或指令時(shí),數(shù)據(jù)或指令以報(bào)文形式打包經(jīng)W5500為核心的轉(zhuǎn)換模塊解包后并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩沖區(qū),然后通過(guò)TCP/IP協(xié)議與MCU進(jìn)行通信。至此完成整個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)的傳輸。
本系統(tǒng)上位機(jī)軟件是基于Delphi的可視化軟件編程環(huán)境實(shí)現(xiàn)的。上位機(jī)軟件主要進(jìn)行測(cè)試參數(shù)設(shè)置和測(cè)試結(jié)果關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存,包括揚(yáng)聲器兩端的電壓、電流、阻抗和測(cè)試時(shí)間等,同時(shí)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的實(shí)時(shí)通信。具體功能模塊如圖6。
圖6 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖Figure 6 Upper computer software structure diagram
揚(yáng)聲器在進(jìn)行功率試驗(yàn)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示界面如圖7。
圖7 測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面Figure 7 Test system monitoring interface
對(duì)測(cè)試系統(tǒng)輸出波形的頻率準(zhǔn)確度和信號(hào)失真度采用頻率測(cè)試儀(精度為0.005%)和失真度儀(精度為0.01%)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)試系統(tǒng)設(shè)定輸出電壓幅度為1 V,測(cè)量結(jié)果如表1。
表1 輸出正弦波的檢測(cè)結(jié)果
表1的測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)頻率輸出范圍為20 Hz~20 kHz,頻率誤差小于±0.01%,波形失真度小于0.5%,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
為測(cè)試本文設(shè)計(jì)的功率測(cè)試系統(tǒng)在最大允許失真(失真極限)下各通道的輸出功率,選用阻抗相同(4 Ω)的手機(jī)揚(yáng)聲器進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)輸出頻率為1 kHz,當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)總失真達(dá)到0.5%時(shí),測(cè)試系統(tǒng)輸出電壓的幅值。揚(yáng)聲器功率測(cè)試系統(tǒng)A組通道接入手機(jī)揚(yáng)聲器(共10只)時(shí)的實(shí)物圖如圖8。
圖8 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖Figure 8 Physical picture of test system
系統(tǒng)A組和B組每組可對(duì)10個(gè)揚(yáng)聲器進(jìn)行測(cè)量,一共可同時(shí)測(cè)量20個(gè)揚(yáng)聲器。表2列出的是A組通道接入10個(gè)揚(yáng)聲器實(shí)際測(cè)量的功率誤差,B組測(cè)量結(jié)果類似。
表2 A通道測(cè)量揚(yáng)聲器輸出功率誤差
表2測(cè)試的結(jié)果表明各揚(yáng)聲器的功率誤差在5%以內(nèi),達(dá)到規(guī)程對(duì)揚(yáng)聲器功率測(cè)試誤差10%以內(nèi)要求,且各通道的系統(tǒng)輸出功率一致性較高,滿足對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行功率測(cè)試的要求。
根據(jù)國(guó)家規(guī)范《JJF1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》對(duì)本設(shè)計(jì)的揚(yáng)聲器功率測(cè)試系統(tǒng)功率測(cè)試誤差進(jìn)行不確定度分析。由于測(cè)試系統(tǒng)有20通道,下面對(duì)其中一個(gè)通道進(jìn)行不確定度分析,其他通道測(cè)量結(jié)果的評(píng)定相同。
按照測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì),功率測(cè)試系統(tǒng)功率誤差按照式(1):
(1)
式(1)中:δ(P),輸出功率誤差;P0,標(biāo)稱功率,W;P1,實(shí)測(cè)功率,W;U,輸出電壓,V;R,負(fù)載電阻,Ω。
因?yàn)镻0(U,R)是電壓和電阻的函數(shù),電壓和電阻互不相關(guān),所以δ(P)的合成方差如式(2):
(2)
式(2)中電壓取10.75 V,負(fù)載電阻取4 Ω,靈敏度系數(shù)分別為式(3)和(4):
(3)
(4)
校準(zhǔn)本文設(shè)計(jì)的揚(yáng)聲器功率測(cè)試系統(tǒng)的功率輸出特性時(shí),對(duì)其A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度是通過(guò)重復(fù)測(cè)量進(jìn)行評(píng)定,因此在測(cè)試系統(tǒng)額定電壓下,采用相同的條件,對(duì)試驗(yàn)儀輸出功率誤差重復(fù)測(cè)量10次,結(jié)果如表3。
表3 測(cè)試系統(tǒng)輸出功率誤差的數(shù)據(jù)
根據(jù)表中的數(shù)據(jù),試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差按照貝塞爾公式計(jì)算如式(5):
(5)
校準(zhǔn)時(shí)采用單次測(cè)量結(jié)果,故A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度如式(6):
u(A)=s(δ)=0.000 2。
(6)
揚(yáng)聲器功率測(cè)試系統(tǒng)功率放大特性的B類不確定度評(píng)定主要來(lái)源如下。
1)信號(hào)電壓引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
(7)
(8)
(9)
4)由溫度等其他影響因素及計(jì)算時(shí)的修約誤差等,其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量非常小,因此忽略不計(jì)[9]。
因此由激勵(lì)信號(hào)電壓引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成如式(10):
(10)
5)由負(fù)載電阻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
(11)
6)B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uCB
由于功率測(cè)試儀校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度各分量獨(dú)立無(wú)關(guān),根據(jù)式(2),合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如式(12):
(12)
綜上A類和B類評(píng)定結(jié)果,本文設(shè)計(jì)的功率測(cè)試系統(tǒng)的功率校準(zhǔn)結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度按下式計(jì)算如式(13):
(13)
取包含因子k=2,則測(cè)試系統(tǒng)功率校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度如式(14):
U=0.003 25×2=0.006 5。
(14)
因此,測(cè)試系統(tǒng)功率的相對(duì)誤差不確定度結(jié)果如式(15):
δ(P)=0.031 1±0.006 5,k=2。
(15)
根據(jù)式(15)測(cè)試系統(tǒng)功率誤差的擴(kuò)展不確定度為0.006 5,國(guó)標(biāo)對(duì)功率試驗(yàn)儀功率測(cè)試誤差的擴(kuò)展不確定度要求是0.014,優(yōu)于國(guó)標(biāo)要求。因此本文設(shè)計(jì)的揚(yáng)聲器功率測(cè)試系統(tǒng)具有較高的功率放大精度,能夠?qū)⑿盘?hào)發(fā)生器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)以較小的誤差進(jìn)行功率放大并提供給揚(yáng)聲器進(jìn)行功率測(cè)試,滿足設(shè)計(jì)要求。
本文根據(jù)國(guó)標(biāo)設(shè)計(jì)了揚(yáng)聲器功率測(cè)試系統(tǒng),能同時(shí)進(jìn)行20通道揚(yáng)聲器的測(cè)試,提高了測(cè)試效率。信號(hào)源采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)提供正弦信號(hào),信號(hào)準(zhǔn)確度高且易調(diào)節(jié)、產(chǎn)生速度快;試驗(yàn)過(guò)程中采用準(zhǔn)確度更高的RMS真有效值測(cè)量方法對(duì)試驗(yàn)中的揚(yáng)聲器兩端的電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。本設(shè)計(jì)相比以前的測(cè)試系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)操作方便、成本較低等特點(diǎn),并可以將測(cè)試數(shù)據(jù)在上位機(jī)軟件中保存,以便后續(xù)對(duì)產(chǎn)品更好的追蹤,滿足企業(yè)對(duì)揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)的要求。