一種音頻放大器自噪聲自動測試儀設計和實現

王紅川+張衛+胡金華

摘 要：文章設計并實現了前置放大器的自噪聲（一般為微伏級）測試系統，該測試系統能夠自動測量并生成報告。測試系統在無特殊的電磁屏蔽的環境下就可以完成測量。

關鍵詞：前放；測試系統；設計

1 研究背景及意義

前置放大器（以下簡稱前放）是整個接收系統的第一級處理單元，其性能的好壞對信號的后續處理起到了至關重要的作用。由于前放的輸入信號極其微弱，故對其自噪聲的大小要求非常高。廠所正常的測量環境存在地磁和電磁等各種干擾，傳統測量方法一直存在以下問題：

1.1 測量干擾大

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

1.2 測量工具自身限制

傳統測量工具如示波器自噪聲幅度為2-3mv，遠大于微伏級測試要求。

1.3 測試效率低

本文針對上述問題，設計并實現一款高精度自動化測試設備。該設備采用成熟可靠的測量技術，操作簡便，不用人工干預即可得到測量結果，極大地提高測量效率。

2 本文研究內容

本文主要研究基于LabVIEW軟件平臺下前放自噪聲自動測試系統的設計和開發，目的是設計并開發高精度、高可靠性、自動化的前放測試系統，具體研究內容如下：

（1）研究前放自噪聲的測量方法，設計測試系統方案，確定性能指標；

（2）設計測試系統硬件和軟件，包括關鍵器件的選型和專用適配電路的設計以及軟件界面的設計等；

（3）研究系統軟硬件的調試方法，提高軟硬件工作的穩定性和可靠性。

3 測量方法

前放自噪聲技術要求是在其工作通帶1kHz～9kHz內，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，仍然無法直接測量，因此將其輸出信號進行100倍的放大，再進行測量，具體的測試連接如圖1：

需要注意的是，由于測量的信號是小信號，為了減小外界電磁環境對測量的干擾，需要在三個涉及小信號的器件外進行屏蔽處理，即外加屏蔽盒。

4 技術指標

自噪聲測量誤差≤15%。

5 總體結構

通過對自動測試技術的分析，結合前放測試的特點和需要，并調研市場現有測試模塊性能，制定了自噪聲測試系統總體設計方案，本系統擬采用通用化設計，共由三部分組成，即通用模塊、專用模塊和待測模塊。通用模塊采用市面上可采購的器件，主要實現人機交互、功能實時控制和信號實時采集等功能。專用模塊是通用模塊與待測模塊的適配器。

5.1 人機交互模塊

實現系統的顯示控制，實現對采集信號的對比、分析等處理，計算相應的測量結果，最后送顯示模塊。

5.2 信號采集模塊

信號采集模塊負責對前放輸出信號的采集，采集后的信號還要經過1-9kHz的數字濾波器濾除帶外噪聲。

5.3 輸出信號適配模塊

由于前放輸出端信號非常小，加入低噪聲寬帶放大器，使輸出信號在1mV以上，達到數據采集的要求。

5.4 顯控軟件

顯控臺軟件基于Windows XP操作系統進行開發，開發語言為圖形化編程語言LabVIEW，開發環境為LabVIEW2014。

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試系統主機顯控臺軟件下達的指令并按照指令要求對選通電路作出相應的控制動作。

6 硬件實現

測試系統主機硬件均為商業產成品，適配裝置由15V直流電源、測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小，屏蔽效果好等特點。主控芯片采用Atmega 328P AVR單片機，主要完成測試系統主機數據的接收、控制后級放大器。后級放大采用OP37G低噪放大器，放大量為60dB。

7 測量程序

8 測量驗證

驗證原理是同時用傳統測量方法和測試系統對前放自噪聲進行測量，計算兩者的誤差。由于無法得知被測前放的真實自噪聲，因此采用多次測量并計算平均值作為測試系統自噪聲測量的參考值。

從圖中可以看出噪聲經過濾波后頻域被限制在1kHz-9kHz。傳統的測試方法經5次測量計算平均值得到自噪聲結果為0.832μv，計算誤差結果為（0.832-0.779）÷0.832=6.3%，滿足技術指標要求。

9 結束語

前放測試系統目前已經完成，經試驗驗證后滿足指標設計并投入實際應用，大大減少了因外界電磁干擾引起的檢測錯誤，檢測效率得到了顯著提高。

參考文獻

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