一種音頻放大器自噪聲自動(dòng)測(cè)試儀設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

王紅川+張衛(wèi)+胡金華

摘 要：文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了前置放大器的自噪聲（一般為微伏級(jí)）測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)能夠自動(dòng)測(cè)量并生成報(bào)告。測(cè)試系統(tǒng)在無(wú)特殊的電磁屏蔽的環(huán)境下就可以完成測(cè)量。

關(guān)鍵詞：前放；測(cè)試系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1 研究背景及意義

前置放大器（以下簡(jiǎn)稱前放）是整個(gè)接收系統(tǒng)的第一級(jí)處理單元，其性能的好壞對(duì)信號(hào)的后續(xù)處理起到了至關(guān)重要的作用。由于前放的輸入信號(hào)極其微弱，故對(duì)其自噪聲的大小要求非常高。廠所正常的測(cè)量環(huán)境存在地磁和電磁等各種干擾，傳統(tǒng)測(cè)量方法一直存在以下問題：

1.1 測(cè)量干擾大

前放的自噪聲要求是不大于1μv，而電源干擾、接地干擾，周圍無(wú)線通信等電子設(shè)備工作輻射干擾等都有可能在測(cè)試的時(shí)候通過測(cè)試線或地線引入[通常能達(dá)到毫伏（mv）級(jí)]，造成自噪聲檢測(cè)錯(cuò)誤甚至無(wú)法檢測(cè)。

1.2 測(cè)量工具自身限制

傳統(tǒng)測(cè)量工具如示波器自噪聲幅度為2-3mv，遠(yuǎn)大于微伏級(jí)測(cè)試要求。

1.3 測(cè)試效率低

本文針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款高精度自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備。該設(shè)備采用成熟可靠的測(cè)量技術(shù)，操作簡(jiǎn)便，不用人工干預(yù)即可得到測(cè)量結(jié)果，極大地提高測(cè)量效率。

2 本文研究?jī)?nèi)容

本文主要研究基于LabVIEW軟件平臺(tái)下前放自噪聲自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，目的是設(shè)計(jì)并開發(fā)高精度、高可靠性、自動(dòng)化的前放測(cè)試系統(tǒng)，具體研究?jī)?nèi)容如下：

（1）研究前放自噪聲的測(cè)量方法，設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)方案，確定性能指標(biāo)；

（2）設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)硬件和軟件，包括關(guān)鍵器件的選型和專用適配電路的設(shè)計(jì)以及軟件界面的設(shè)計(jì)等；

（3）研究系統(tǒng)軟硬件的調(diào)試方法，提高軟硬件工作的穩(wěn)定性和可靠性。

3 測(cè)量方法

前放自噪聲技術(shù)要求是在其工作通帶1kHz～9kHz內(nèi)，輸入端短接的情況下，等效噪聲不大于1μV。前放自身雖有10倍放大量，仍然無(wú)法直接測(cè)量，因此將其輸出信號(hào)進(jìn)行100倍的放大，再進(jìn)行測(cè)量，具體的測(cè)試連接如圖1：

需要注意的是，由于測(cè)量的信號(hào)是小信號(hào)，為了減小外界電磁環(huán)境對(duì)測(cè)量的干擾，需要在三個(gè)涉及小信號(hào)的器件外進(jìn)行屏蔽處理，即外加屏蔽盒。

4 技術(shù)指標(biāo)

自噪聲測(cè)量誤差≤15%。

5 總體結(jié)構(gòu)

通過對(duì)自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的分析，結(jié)合前放測(cè)試的特點(diǎn)和需要，并調(diào)研市場(chǎng)現(xiàn)有測(cè)試模塊性能，制定了自噪聲測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)擬采用通用化設(shè)計(jì)，共由三部分組成，即通用模塊、專用模塊和待測(cè)模塊。通用模塊采用市面上可采購(gòu)的器件，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、功能實(shí)時(shí)控制和信號(hào)實(shí)時(shí)采集等功能。專用模塊是通用模塊與待測(cè)模塊的適配器。

5.1 人機(jī)交互模塊

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的顯示控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)的對(duì)比、分析等處理，計(jì)算相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果，最后送顯示模塊。

5.2 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)前放輸出信號(hào)的采集，采集后的信號(hào)還要經(jīng)過1-9kHz的數(shù)字濾波器濾除帶外噪聲。

5.3 輸出信號(hào)適配模塊

由于前放輸出端信號(hào)非常小，加入低噪聲寬帶放大器，使輸出信號(hào)在1mV以上，達(dá)到數(shù)據(jù)采集的要求。

5.4 顯控軟件

顯控臺(tái)軟件基于Windows XP操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)語(yǔ)言為圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW，開發(fā)環(huán)境為L(zhǎng)abVIEW2014。

5.5 適配裝置主控芯片程序

適配裝置主控芯片的主要功能是接收測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)顯控臺(tái)軟件下達(dá)的指令并按照指令要求對(duì)選通電路作出相應(yīng)的控制動(dòng)作。

6 硬件實(shí)現(xiàn)

測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)硬件均為商業(yè)產(chǎn)成品，適配裝置由15V直流電源、測(cè)試控制電路和寬帶后置放大電路組成。供電電源采用EMS 2448電源，該電源具有紋波系數(shù)小，屏蔽效果好等特點(diǎn)。主控芯片采用Atmega 328P AVR單片機(jī)，主要完成測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)數(shù)據(jù)的接收、控制后級(jí)放大器。后級(jí)放大采用OP37G低噪放大器，放大量為60dB。

7 測(cè)量程序

8 測(cè)量驗(yàn)證

驗(yàn)證原理是同時(shí)用傳統(tǒng)測(cè)量方法和測(cè)試系統(tǒng)對(duì)前放自噪聲進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算兩者的誤差。由于無(wú)法得知被測(cè)前放的真實(shí)自噪聲，因此采用多次測(cè)量并計(jì)算平均值作為測(cè)試系統(tǒng)自噪聲測(cè)量的參考值。

從圖中可以看出噪聲經(jīng)過濾波后頻域被限制在1kHz-9kHz。傳統(tǒng)的測(cè)試方法經(jīng)5次測(cè)量計(jì)算平均值得到自噪聲結(jié)果為0.832μv，計(jì)算誤差結(jié)果為（0.832-0.779）÷0.832=6.3%，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

9 結(jié)束語(yǔ)

前放測(cè)試系統(tǒng)目前已經(jīng)完成，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后滿足指標(biāo)設(shè)計(jì)并投入實(shí)際應(yīng)用，大大減少了因外界電磁干擾引起的檢測(cè)錯(cuò)誤，檢測(cè)效率得到了顯著提高。

參考文獻(xiàn)

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