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基于MC1495的有效值音頻數(shù)字功率計(jì)的設(shè)計(jì)

作者:佚名來(lái)源:不詳錄入:Admin 更新時(shí)間：2008-7-26 21:12:47 點(diǎn)擊數(shù)：4

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1 引言

目前，對(duì)音頻電功率進(jìn)行測(cè)量的主要方法有3類：一是通過(guò)測(cè)量負(fù)載(揚(yáng)聲器)兩端電壓的方式估算出功率，測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)單，但通常是依靠峰值檢波或均值檢波法來(lái)標(biāo)定正弦有效值，只適用于正弦信號(hào)功率測(cè)量，不能真實(shí)測(cè)量音樂(lè)、語(yǔ)音等復(fù)雜信號(hào)的實(shí)際功率；二是使用真有效值電壓表或真有效值音頻電功率計(jì)，不依賴于信號(hào)種類而對(duì)音頻功率進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，但這離不開(kāi)價(jià)格較昂貴的專用設(shè)備。三是主要用于工頻電力系統(tǒng)的電功率數(shù)字化采樣測(cè)量方法，軟硬件結(jié)合完成所要求的運(yùn)算和測(cè)量，準(zhǔn)確度好，但工作頻率不高，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。由于3種方案各自的特點(diǎn)，很難將上述測(cè)量方法應(yīng)用到音頻設(shè)備(如功率放大器)中去實(shí)現(xiàn)(從直流到)音頻范圍的電功率測(cè)量。本設(shè)計(jì)通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流與電壓的乘積信號(hào)來(lái)測(cè)量電功率，該測(cè)量方法與負(fù)載產(chǎn)生的相移無(wú)關(guān)，不依賴于負(fù)載阻抗的變化，以有效值方式實(shí)現(xiàn)了有功功率的數(shù)字化測(cè)量。

2 工作原理及電路設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

電路組成如圖1所示，由取樣電路、乘積運(yùn)算電路、電平轉(zhuǎn)換電路、A／D轉(zhuǎn)換電路和LED顯示部分組成。

本設(shè)計(jì)基于電功率等于電流與電壓乘積的基本原理。完成該乘積運(yùn)算的核心器件是模擬乘法器MC1495，配合使用運(yùn)算放大器LM741實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，ICL7107完成A／D轉(zhuǎn)換并驅(qū)動(dòng)LED實(shí)現(xiàn)功率的數(shù)字顯示。

其中，取樣電路獲取負(fù)載電壓UL和負(fù)載電流IL，模擬乘法器MC1495實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流與電壓的乘積運(yùn)算，即功率運(yùn)算，該模擬乘法器采用差動(dòng)方式從2腳和14腳輸出與負(fù)載功率成比例的電流I2-I14口由運(yùn)放LM741組成的電平轉(zhuǎn)換電路將乘法器輸出的差動(dòng)電流轉(zhuǎn)換成電壓VO，此電壓正比于負(fù)載上的平均有功功率PO，再配接由ICL7107為核心組成A／D轉(zhuǎn)換及顯示電路，LED數(shù)碼管顯示的數(shù)字即為負(fù)載有功功率。

2.2 電路設(shè)計(jì)

總體電路如圖2所示。整個(gè)電路制作在一塊5×8 cm的印刷電路板上。

(1) 取樣電路

取樣電路的任務(wù)是獲取負(fù)載電流IL和負(fù)載兩端的電壓UL。圖2中精密取樣電阻Rsense將負(fù)載電流，IL轉(zhuǎn)換為電壓VX′，Rsense=0.1 Ω，故VX′=ILRsense=0.1IL。負(fù)載電壓UL則直接送至VY′。

(2) 有效值功率轉(zhuǎn)換電路

由四象限線性模擬乘法器MC1495實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流與電壓的乘積運(yùn)算，采用差動(dòng)方式輸出與負(fù)載功率成比例的電流。這部分電路主要設(shè)計(jì)是依據(jù)制造商提供的MC1495技術(shù)資料及設(shè)計(jì)要求，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

按最大有效值電功率P=100 W設(shè)計(jì)，揚(yáng)聲器阻抗RLoad耐變化范圍在4～16 Ω之間，則負(fù)載電流IL最大約5 A(峰值7 A)，負(fù)載電壓UL最大約40 V(峰值57 V)。從而有VX′(max)=0.7 V，VY′(max)=57 V。選擇R01=51 kΩ，R02=R03=R04=10 kΩ，則

滿足MC1495輸入電壓范圍不超過(guò)±10 V的要求。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，MC1495的13腳外接電阻R13=12 kΩ，3腳外接電阻由R3=12 kΩ與RP3=5.0 kΩ串聯(lián)組成，從而保證13腳電流I13和3腳電流I3均為1 mA左右。RP3可微調(diào)乘法器的增益系數(shù)。

根據(jù)VX(max)<I13RX和VY(max)<I3RY得RX>0.35 kΩ，RY>9.3 kΩ，取RX=0.51 kΩ，RY=10 kΩ。并根據(jù)±15 V供電電壓，選擇1腳外接電阻R1=3.0kΩ，乘法器MC1495輸出端2腳和14腳外接負(fù)載電阻RL=3.0 kΩ。12腳和8腳分別是乘法器的X和Y輸入直流偏置調(diào)節(jié)，該功能由R05，R06，RP1，RP2，DZ1，DZ2組成的平衡調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)完成。

至此，乘法器MC1495對(duì)電流與電壓的乘積運(yùn)算已實(shí)現(xiàn)，從2腳和14腳雙端差動(dòng)方式輸出與負(fù)載功率成比例的電流信號(hào)。設(shè)MC1495的2腳和14腳電流(方向如圖2所示)分別為I2和I14，則有

(3) 電平轉(zhuǎn)換與濾波電路

電平轉(zhuǎn)換電路由圖2中的RL，R07，RP4，Rf和運(yùn)放LM741組成，作用是將MC1495差動(dòng)輸出電流線性轉(zhuǎn)換成單端輸出電壓，以便A／D轉(zhuǎn)換。若電路對(duì)稱(R07+Rp4=Rf，可通過(guò)微調(diào)RP4實(shí)現(xiàn))，則可得運(yùn)放的輸出電壓VO=(I2-I14)Rf，，由式(2)代入得

前面已選擇I3=1 mA，RX=0.51 kΩ，RY=10 kΩ，并將式(1)代入式(3)得

就一般情況而言，可能存在非阻性負(fù)載引起的相移φ，那么應(yīng)該以負(fù)載電流和電壓瞬時(shí)值進(jìn)行深入分析，設(shè)

，由式(5)得運(yùn)放輸出瞬時(shí)電壓為

cosφ是功率因數(shù)。對(duì)式(7)作頻域分析可看出，第一項(xiàng)是直流成分，正是負(fù)載上消耗的有功功率。后兩項(xiàng)則是輸入信號(hào)的2次諧波，很容易濾除掉(從而得υO(shè)的平均值

)。運(yùn)放輸出信號(hào)υO(shè)經(jīng)分壓、濾波電路R08，R09，C3，C4后的電壓作為A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓VIN送到ICL7107的31腳，此電壓代表負(fù)載上的平均有功功率，根據(jù)圖2得

對(duì)于任意非正弦電壓和電流可看作是由一系列正弦波疊加組成，可證明，上述結(jié)論對(duì)有功功率的計(jì)算仍然正確。

(4) A／D轉(zhuǎn)換及顯示電路

這部分電路主要由ICL7107為核心組成，外圍元件參數(shù)選擇及設(shè)計(jì)是依據(jù)制造商提供的ICL7107技術(shù)資料及設(shè)計(jì)要求。ICL7107是3.5bit A／D轉(zhuǎn)換器，能直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，其顯示數(shù)N和輸入電壓VIN之間的關(guān)系是

說(shuō)明數(shù)碼管顯示的數(shù)字正比于負(fù)載有功功率，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的。

可通過(guò)RP5調(diào)節(jié)ICL7107的36腳參考電壓VRFF，來(lái)對(duì)該功率計(jì)進(jìn)行定標(biāo)。當(dāng)采用±5 V為ICL7107供電時(shí)，要求VIN<3.5 V，前述VIN(max)=2V完全滿足要求。此時(shí)調(diào)節(jié)RP5使VREF大約為2 V時(shí)，4位LED數(shù)碼管將顯示“1000”，正確選擇小數(shù)點(diǎn)位，此即代表電功率為100.0W。

3 調(diào)試

電路中所有電位器均使用精密多圈電位器，安裝并檢查電路連接無(wú)誤后，按如下過(guò)程調(diào)節(jié)：

(1) 乘法器X輸入端直流偏置調(diào)節(jié)：在MC1495的Y輸入端4腳接入1.0 kHz，5.0 V(P-P)正弦波，將X輸入端9腳接地，調(diào)節(jié)RP1，使示波器在運(yùn)放LM741輸出端6腳觀察到的波形幅度盡量接近零。

(2) 乘法器Y輸入端直流偏置調(diào)節(jié)：在MC1495的X輸入端9腳接1.0 kHz，0.5 V(P-P)正弦波，Y輸人端4腳接地，調(diào)節(jié)RP2，使運(yùn)放LM741的輸出端6腳波形幅度盡量接近零。

(3) 運(yùn)放輸出平衡調(diào)節(jié)：將MC1495的X輸入端9腳和Y輸入端4腳接地，調(diào)節(jié)RP4，使運(yùn)放LM741的輸出端6腳直流電位為零(LED數(shù)碼管也將顯示零，該步驟實(shí)際是功率計(jì)調(diào)零)。

(4) 乘法器增益系數(shù)調(diào)節(jié)：依據(jù)式(3)，在MC1495的X輸入端9腳接入0.2 V直流電壓，在Y輸入端4腳接入4.0 V直流電壓，調(diào)節(jié)RP3，使運(yùn)放LM741的輸出端6腳直流電壓為3.0 V(與此對(duì)應(yīng)VIN=2 V)。

(5) A／D轉(zhuǎn)換器的初步定標(biāo)：在步驟(4)的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)RP5，使4位LED數(shù)碼管顯示“1000”。

根據(jù)需要，重復(fù)(1)～(5)的步驟。

(6) A／D轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確定標(biāo)：本電路采用直接耦合，直流電壓和電流便于準(zhǔn)確測(cè)量，故采用直流信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確定標(biāo)。

選擇RLoad=8.0 Ω，耗散功率大于100 W的假負(fù)載，對(duì)取樣電阻Rsense的要求是耗散功率大于5 W，穩(wěn)定性好。測(cè)試時(shí)UL接直流穩(wěn)壓電源，用數(shù)字電壓表和電流表分別同時(shí)測(cè)量假負(fù)載RLoad的電壓UL和電流IL，在UL=20.0V時(shí)(約50W)，仔細(xì)調(diào)節(jié)RP5，使LED數(shù)碼管顯示功率與此時(shí)理論計(jì)算功率PL=ULIL完全一致，從而完成準(zhǔn)確定標(biāo)。

4 測(cè)試

(1) 交流功率測(cè)試

選擇音頻功放配接RLoad=8 Ω的揚(yáng)聲器，用低頻信號(hào)發(fā)生器的單頻正弦信號(hào)作音頻功放信號(hào)源，用DS5022M數(shù)字示波器測(cè)試負(fù)載交流電壓和取樣電阻上的電壓，從而求得負(fù)載功率，測(cè)試結(jié)果表明，在音頻范圍內(nèi)，本系統(tǒng)顯示功率與實(shí)際功率的滿度相對(duì)誤差不超過(guò)±3％。

(2) 直流功率測(cè)試

UL接直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1所示。相對(duì)誤差小于2.5%。

注：*處相對(duì)誤差按(顯示功率P-實(shí)際功率PL)÷實(shí)際功率PL計(jì)算，滿度相對(duì)誤差小于此數(shù)值。

5 結(jié)論

(1) 本電路既能用于直流電功率測(cè)量，又能用于低頻交流電功率測(cè)量，從直流到音頻范圍內(nèi)都能正常工作。上限工作頻率主要取決于乘法器MC1495，其頻率范圍可從直流達(dá)到100 kHz以上。本設(shè)計(jì)是以量程100W的音頻電功率測(cè)量來(lái)詳細(xì)說(shuō)明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

(2) 由于采用有效值乘積的計(jì)算方式，不論對(duì)正弦單頻信號(hào)，還是復(fù)雜波形的音樂(lè)、語(yǔ)音信號(hào)，本電路直接給出的都是負(fù)載實(shí)際消耗的有功功率，滿度誤差一般不超過(guò)±3％。

(3) 本電路的突出優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單可靠，工作頻率范圍寬，低成本，以有效值方式實(shí)現(xiàn)了有功功率的測(cè)量。既可單獨(dú)使用，也可直接內(nèi)嵌到相關(guān)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)直流和低頻電功率的測(cè)量及數(shù)字顯示。

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