一种新的扬声器功率测试系统设计及其不确定度分析

高自力，黄咏梅

(中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)

扬声器要正确的复现各种波形复杂的随机信号，需具有良好的电功率转化为声功率的能力。国际和国家标准规定，扬声器在出厂前必须进行功率试验，可见功率测试对保证扬声器质量具有重要意义。国家标准GB/T12060.5-2011《声频系统设备第5部分:扬声器主要性能测试方法》对扬声器功率测试的要求是对扬声器输入一定电压频率的正弦波等信号，并进行功率测试[1]。

目前，国内外在扬声器功率检测方面开展了很多相关研究工作。韩国SIGMA公司、意大利Audiomatica公司、美国DRA LABS公司等都开发了扬声器测量系统，可以对扬声器产品的频率和时域响应进行分析，可完成频响、谐波失真、阻抗、瞬时脉冲响应等参数的分析与测试，但系统复杂、成本高，不适用于国内扬声器生产企业[2-3]。国内西安工程大学设计的扬声器功率测试仪是以扬声器的电功率测试标准为依据，其硬件电路是以直接数字频率合成(Direct Digital Fraquency Synthesis，DDS)芯片产生数字信号，但是需经过外接功率放大器进行信号放大才能传输给扬声器进行功率测试。其主控制模块采用了STM32单片机芯片，上位机与测试系统的通信采用USB2.0芯片，其测试成本较高，信号调理模块和采集模块只能负责8通道的测试信号调理和采集，无法实现比较复杂的大数据处理能力[4]。

尽管国内外已经有了相关的扬声器功率测试仪，但难以满足扬声器生产企业实际测试的要求。

本文根据国家标准对扬声器功率测试要求，采用DDS提供信号源，设计了由上位机和下位机组成的功率测试系统，可同时实现20个扬声器测试，并通过以太网快速传输测试数据，具有较高的测试效率，达到测试要求。

1 系统整体设计

根据扬声器功率的定义、测试方法和测试要求，测试系统的设计目标是对扬声器施加一定电压频率的正弦波等信号，对扬声器进行功率测试，实时监测扬声器两端的电压、电流和阻抗，并将测试数据发送至上位机保存。

扬声器功率测试系统由上位机和下位机组成，下位机完成扬声器功率的测试并将采集数据传输给上位机，上位机完成扬声器测试参数的实时监测并保存数据。系统整体结构框图如图1。

图1 系统整体结构框图Figure 1 Overall diagram of the system

整个测试系统分为AB两组共20通道，可同时外接20只扬声器进行测试。另外每组也可分别进行不同信号的功率测试，提高测试效率，满足用户对测试信号的要求。

下位机的主控制模块以微程序控制器(Microprogrammed Control Unit，MCU)C8051控制信号发生模块产生激励信号，将信号输出到AB两组功放模块，经功率放大后提供给扬声器进行功率试验。同时在试验过程中将扬声器两端电信号通过差分放大电路并采用真有效值(True Root-Mean-Square，RMS)测量方法进行转换，经AD采集模块将信号反馈给主控单元MCU和上位机进行实时监测，以达到扬声器的功率试验要求。下位机与上位机的数据传输通过以太网进行通信，可以便捷快速地传输大量测试数据，克服了传统串口数据传输距离短、传输数据量小和不方便组网布线等缺点。

2 系统硬件设计

2.1 主控制单元

主控制单元模块是整个测试系统的核心，负责控制信号发生模块激励信号的产生以及将数据采集模块采集的测试数据传输给上位机。主控制单元模块硬件电路如图2。

图2 主控制单元硬件结构Figure 2 Main control unit hardware structure

主控制单元采用SiliconLAB公司生产的C8051F120作为中央处理器。C8051F120是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，它是一款低成本、高性能芯片，内部有两个增强型全双工UART、SPI总线和SMBus/I2C四种串行传输接口，可以实现不同通讯方式。每种串行传输接口都完全用硬件实现，都能向CIP-51产生中断，因此需要很少的CPU干预。

按键单元采用ZLG7290芯片控制，ZLG7290键盘/LED驱动器能自动完成8位LED数码管的动态扫描和(最多)64只按键检测扫描。由于采用I2C接口，传输速率可达32kbit/s，因而它只需要两根信号线(数据线SDA和时钟信号线SCL)与微控制器接口连接。大大减轻单片机用于显示/键盘的工作时间和程序负担。

存储单元采用Everspin公司生产的一款串口MRAM存储芯片MR25H256CDC。由于C8051F120片内的Flash存储器只有128 k，芯片MR25H256CDC具有256 KB串行SPIMRAM，时钟频率达40 MHz，允许对存储器进行随机读写操作，而且没有写入延迟。

显示单元采用触摸屏实现下位机的人机交互参数设置，采用RAIO公司生产的RA8875L3N控制器控制显示人机交互界面，RA8875L3N是文字与绘图模式的双图层液晶显示(TFT-LCD)控制器，内部具有768 kB显示内存并支持MCU接口，可结合文字或2D图形应用，RA8875整合了强大的功能，可处理大量数据和图形的传输，RA8875提供串行I2C/SPI接口，提升MCU软件的执行效率[5]。

以太网通讯模块采用WIZnet公司研发的一款超高性价比的芯片W5500进行数据传输，W5500是新一代全硬件并且内置协议栈的专用芯片，所以在实际使用中，具有开发周期短、使用方便等优点[6]。W5500提供SPI接口，并且最高支持80 MHz速率，采用新的高效SPI协议，在W5500芯片内通过内置TCP/IP硬件协议栈完成TCP/IP握手请求，极大的提高MCU工作效率。

2.2 信号发生与功率放大模块

扬声器功率测试要求输出信号频率范围是20 Hz～20 kHz，频率准确度±0.05%，失真度小于0.5%。为了满足输出信号的频率准确、失真小的要求，选用基于DDS技术美国AD公司生产的AD9833芯片作为正弦信号发生器，信号频率易调节、精度高。DDS技术是以外部参考时钟作为基准，通过参考时钟的选择决定信号频率的精度[7]。设计的信号发生电路如图3。

图3 DDS信号发生电路Figure 3 DDS signal generating circuit

图3中主控制单元C8051通过SPI接口SDATA(串行数据输入)、SCLK(串行时钟输出)、FYSYNC(控制输入)引脚与信号发生器部分相连，通过这三个I/O将数据写入AD9833芯片中控制产生正弦波信号。

功率放大器模块作用是对信号发生器产生的信号进行功率放大，提供给扬声器进行功率试验。要实现20路通道的扬声器负载进行功率测试，就要求功率放大器模块的总输出功率达到300 W，那么每路的功率需达到15 W，因此选用运放NE5532和美国半导体器件公司生产的LM1875功率放大集成模块。LM1875最大输出功率为25 W，不但具有过载保护功能，而且可以实现较高的输出功率以及极低的失真水平。

2.3 RMS测量模块

扬声器在功率测试时，需要实时采集被测扬声器两端的电压信号。为了提高采样精度，采用差分方式采集扬声器工作电压。信号经过差分放大后采用RMS测量方法，将扬声器两端的电压进行有效值转换。RMS测量模块采用AD8436真有效值芯片，通过内部精确计算得出交流电压的直流有效值，AD8436提供高精度转换，确保±0.5%的转换精度和小于10 μV的输出失调。RMS转换电路如图4。

图4 RMS转换电路Figure 4 RMS conversion circuit

3 系统软件设计

系统软件包括下位机软件、通讯软件及上位机软件。

3.1 下位机软件设计

下位机软件是基于KeilC51的集成开发环境下编写。通过触摸屏上人机交互界面按键、旋钮等进行信号频率及幅值等参数、试验时间等功能的设定，经由CAN接口与主控制单元进行通信。下位机软件的主要功能模块如图5。

图5 下位机软件功能模块图Figure 5 Lower computer software function module diagram

3.2 以太网通讯

上位机与下位机的数据传输是通过以太网芯片W5500进行，通过TCP/IP通信协议来完成通信。全硬件实现的TCP/IP协议能够为微处理器处理以太网数据节省MCU工作空间，从而提高了MCU的工作效率，优化了MCU的网络功能。由TCP/IP协议完成的网络通信首先经过初始化连接然后进行数据传输。TCP/IP协议需经历3次握手过程才能成功初始化,建立连接[8]。

TCP/IP协议建立连接握手的过程也是上位机与下位机MCU建立通信的过程。当MCU需要向上位机服务器端传送测试数据时，数据首先经W5500将数据封装在SPI数据帧中，确认网络地址后，最后数据通过TCP/IP协议栈发送到服务器上位机中；当上位机需要发送给MCU数据或指令时，数据或指令以报文形式打包经W5500为核心的转换模块解包后并将数据存储在缓冲区，然后通过TCP/IP协议与MCU进行通信。至此完成整个测试数据的传输。

3.3 上位机软件设计

本系统上位机软件是基于Delphi的可视化软件编程环境实现的。上位机软件主要进行测试参数设置和测试结果关键数据保存，包括扬声器两端的电压、电流、阻抗和测试时间等，同时实现上位机与下位机的实时通信。具体功能模块如图6。

图6 上位机软件结构图Figure 6 Upper computer software structure diagram

扬声器在进行功率试验时监测显示界面如图7。

图7 测试系统监测界面Figure 7 Test system monitoring interface

4 测试系统实验

4.1 频率准确度和信号失真度校准

对测试系统输出波形的频率准确度和信号失真度采用频率测试仪(精度为0.005%)和失真度仪(精度为0.01%)进行测量，测试系统设定输出电压幅度为1 V，测量结果如表1。

表1 输出正弦波的检测结果

表1的测试结果表明系统频率输出范围为20 Hz～20 kHz，频率误差小于±0.01%，波形失真度小于0.5%，达到设计要求。

4.2 扬声器输出功率测试

为测试本文设计的功率测试系统在最大允许失真(失真极限)下各通道的输出功率，选用阻抗相同(4 Ω)的手机扬声器进行测试。测试系统的信号输出频率为1 kHz，当测试系统总失真达到0.5%时，测试系统输出电压的幅值。扬声器功率测试系统A组通道接入手机扬声器(共10只)时的实物图如图8。

图8 测试系统实物图Figure 8 Physical picture of test system

系统A组和B组每组可对10个扬声器进行测量，一共可同时测量20个扬声器。表2列出的是A组通道接入10个扬声器实际测量的功率误差，B组测量结果类似。

表2 A通道测量扬声器输出功率误差

表2测试的结果表明各扬声器的功率误差在5%以内，达到规程对扬声器功率测试误差10%以内要求，且各通道的系统输出功率一致性较高，满足对扬声器进行功率测试的要求。

5 测试系统的不确定度评定

根据国家规范《JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示》对本设计的扬声器功率测试系统功率测试误差进行不确定度分析。由于测试系统有20通道，下面对其中一个通道进行不确定度分析，其他通道测量结果的评定相同。

5.1 数学模型

按照测量系统的设计，功率测试系统功率误差按照式(1)：

(1)

式(1)中：δ(P)，输出功率误差；P0，标称功率，W；P1，实测功率，W；U，输出电压，V；R，负载电阻，Ω。

因为P0(U，R)是电压和电阻的函数，电压和电阻互不相关，所以δ(P)的合成方差如式(2)：

(2)

式(2)中电压取10.75 V，负载电阻取4 Ω，灵敏度系数分别为式(3)和(4)：

(3)

(4)

5.2 标准不确定度的A类评定

校准本文设计的扬声器功率测试系统的功率输出特性时，对其A类标准不确定度是通过重复测量进行评定，因此在测试系统额定电压下，采用相同的条件，对试验仪输出功率误差重复测量10次，结果如表3。

表3 测试系统输出功率误差的数据

根据表中的数据，试验标准差按照贝塞尔公式计算如式(5)：

(5)

校准时采用单次测量结果，故A类标准不确定度如式(6)：

u(A)=s(δ)=0.000 2。

(6)

5.3 标准不确定度的B类评定

扬声器功率测试系统功率放大特性的B类不确定度评定主要来源如下。

1)信号电压引入的标准不确定度分量

(7)

(8)

(9)

4)由温度等其他影响因素及计算时的修约误差等，其引入的标准不确定度分量非常小，因此忽略不计[9]。

因此由激励信号电压引入的标准不确定度合成如式(10)：

(10)

5)由负载电阻引入的标准不确定度分量

(11)

6)B类标准不确定度uCB

由于功率测试仪校准结果的测量不确定度各分量独立无关，根据式(2)，合成标准不确定度如式(12)：

(12)

5.4 合成标准不确定度

综上A类和B类评定结果，本文设计的功率测试系统的功率校准结果的合成标准不确定度按下式计算如式(13):

(13)

5.5 扩展标准不确定度

取包含因子k=2，则测试系统功率校准结果的扩展标准不确定度如式(14)：

U=0.003 25×2=0.006 5。

(14)

因此，测试系统功率的相对误差不确定度结果如式(15)：

δ(P)=0.031 1±0.006 5,k=2。

(15)

根据式(15)测试系统功率误差的扩展不确定度为0.006 5，国标对功率试验仪功率测试误差的扩展不确定度要求是0.014，优于国标要求。因此本文设计的扬声器功率测试系统具有较高的功率放大精度，能够将信号发生器产生的激励信号以较小的误差进行功率放大并提供给扬声器进行功率测试，满足设计要求。

6 结 语

本文根据国标设计了扬声器功率测试系统，能同时进行20通道扬声器的测试，提高了测试效率。信号源采用直接数字频率合成技术提供正弦信号，信号准确度高且易调节、产生速度快；试验过程中采用准确度更高的RMS真有效值测量方法对试验中的扬声器两端的电信号进行测量。本设计相比以前的测试系统具有结构简单、系统操作方便、成本较低等特点，并可以将测试数据在上位机软件中保存，以便后续对产品更好的追踪，满足企业对扬声器功率试验的要求。