今天,讀懂車載音頻功放測試

                      汽車電子 時間:2022-12-09來源:科電ETS

                      沒錯,汽車音響測試在今天閃亮登場。

                      車載音響,早就成為汽車廠商作為賣點,推給廣大消費者。我們耳中,也不乏那些豪華車配置的知名音響品牌。而在汽車改裝領域,音響的升級改造,也占據著很大的比例。

                      有人說車載音響就好比做菜,好不好吃?各人口味不同,是沒有標準的。其實不是,音響是有一些世界公認的評級標準的。

                      要知道,車載音響,這個今天看似理所當然的標準配置,同樣經歷將近百年的發展歷程。

                      二十世紀初,如何能在交通工具上使用當時還屬于新科技的無線電廣播,“無線電之父”Lee de Forest(李·德弗雷斯特)就已經開始在思考了,但當時汽車的電池電壓只有6伏,并不足以支撐真空管接收器的使用,因為要它工作需要50至250伏電壓,所以進展非常緩慢。

                      1936年,通用汽車的子公司Delco生產了第一臺集成于儀表板上的是汽車收音機,并使用在「雪佛蘭Master Deluxe」等通用多個子品牌的車型上,收音機開始逐漸成為汽車的舒適設備如今,我們以“音頻視角”看來,汽車內部涉及的音頻測試仍然是一個復雜的系統。因此,測測這次將會把汽車音頻測試分解為幾個系統。在這里,我們將重點介紹汽車音頻放大器,以及通常在這些設備上進行的測試類型。


                      測試雜談



                      由于希望在保持高功率輸出和可接受的(低)失真水平的同時還要將功耗保持在最小,目前大多數汽車音頻功放都是AB或D類。

                      A類:效率較低、發熱量巨大,失真小、聲音好,貴。
                      B類:效率較高、失真大、聲音差,汽車音響市場不存在。
                      AB類:效率一般、失真偏小、聲音較好,性價比高。
                      D類:失真小、效率最高,造價較高、數碼聲重、一般用于推低音。
                      一般使用的全頻功放AB類居多,少數采用A類,低音功放有部分使用D類多數也是AB類。


                      而隨著汽車智能網聯化的發展,對音頻的開發要求也越來越高,需要加入更先進、功能豐富的信息娛樂功能以滿足消費者的用戶體驗。傳統的模擬并行音頻信號傳輸方式,難以在功能增加與整車輕量化(線纜的重量及成本減少)之間取得均衡。


                      ADI(Analog Devices Inc.)通過對音頻總線的優化,推出A2B(Automotive Audio Bus)車載音頻總線,能比傳統模擬音頻總線能夠提供出色的音頻質量,同時還能大大節省汽車音頻線束重量和成本(約減少75%)。



                      A2B可用于車載音頻ECU、麥克風陣列、功放、喇叭、Tuner、主動降噪等連接。福特公司在2016年首次應用,隨后BBA、沃爾沃、比亞迪、長城、長安、上汽、吉利開始逐步應用。



                      A2B功放在車型的應用比例也越來越多,而AP音頻分析儀搭配Mentor的A2B協議分析儀,已是成熟的測試A2B功放的解決方案——



                      往下看,我們繼續為大家帶來音頻放大器的典型測試,以及與汽車系統相關的具體的關注領域。



                      典型的音頻放大器測試包括增益和電平、共模抑制比、電源抑制、頻率響應、輸出功率和諧波失真、互調失真、本底噪聲、分離度、直流偏置以及喀嗒聲。



                      完成這些測試所需的儀器包括音頻分析儀、能夠輸出9至16V的直流電源、功率計和萬用表。其他需要的測試項目包括額定阻抗的非電感負載電阻器,以及被測放大器的輸出功率,加上連接DUT和測試設備到公共接地。



                      從“black box”的角度來看,這種測試在不同類型的音頻放大器之間是一致的。然而,需要對D類放大器輸出進行特殊調節,以解決這些放大器特有的帶外噪音。



                      良好的接地對于優化音頻放大器性能至關重要,同時對于實現最佳測試結果也同樣重要。測試系統中設備之間的小接地電位差(如開關、被測設備和測試儀器)可耦合到信號路徑中,并導致由于信號導線和機箱之間的固有雜散電容而產生的不良干擾或噪聲。



                      母線接地有時似乎是一種便捷的方法,但往往會產生最壞的結果。鏈路的每個支路中的電阻將設備置于不同的接地電位,而且不如星形接地有效。



                      所以我們建議通過低阻抗導線將每個設備的接地直接連接到測試儀器的接地。



                      測試直擊



                      -

                      增益和電平



                      在兩個通道上測量輸出電平和增益的同時,通過應用階躍輸入電平掃描,可以方便地執行增益和電平測試。如下圖所示,該放大器的增益約35,并具有線性響應,輸入振幅(圖上的水平刻度)從低于2mVrms到約600mVrms,然后開始在輸出處削波。左軸顯示以Vrms為單位的測量輸出電平。注意,該DUT的左通道和右通道非常匹配。


                      如果在更寬的輸入范圍內測試DUT,我們可以使用相同的測量來可視化線性動態范圍。下圖顯示,該DUT在低端和高端均掃過線性范圍。該器件的增益約為35,線性動態范圍約為57dBV。請注意,顯示57dB范圍的光標位置有些模糊,因此,SNR測量通常與應用于系統的最大幅度一起使用,以產生單值動態范圍測量。




                      -

                      本底噪聲



                      好的音響系統的敵人之一便是噪音。信道中的任何非預期信號通常稱為噪聲。這可能是電流在電路中流動時隨機產生的噪聲,也可能是由于串擾、缺乏足夠的電源隔離和濾波、接地不良或電機(如擋風玻璃雨刮器、座椅、天窗)或點火系統的電磁干擾而在通道中出現的確定性(非隨機)信號。如果該噪音發生在增益級之前,則噪音將被放大。


                      能準確知道放大器通道上有多少噪音以及噪音可能來自何處,是評估放大器質量或對特定模塊/裝置進行故障排除的關鍵信息。


                      本底噪聲經測試表明,在沒有施加信號的情況下,信道是多么“安靜”。因此,測量通常通過以匹配阻抗終止DUT的輸入,并在沒有信號施加到輸入的情況下測量剩余RMS幅度來完成。對分析儀上的測量帶寬進行限制至關重要,因為更多帶寬意味著測量中產生的噪音會更多。對于大多數汽車音頻放大器,20Hz至20kHz是合適的。


                      以下是對汽車音頻功率放大器進行測量的示例:



                      測試示例




                      通過上面頻譜圖的數據可以看到,不存在主要的確定性噪音源(因為它會在頻譜中顯示為特定的線或雜散);而且噪音本質上是隨機的。如果輸入端接時頻譜中出現確定性雜散,這些雜散的頻率可以提供信號的性質和來源的提示,這是系統或設計故障排除的第一步。


                      噪音是在汽車環境下聽力感受的一個重要方面。當處于發動機和其它附件關閉的安靜車輛中時,聽眾可能會變得非常敏感。當打開和/或關閉系統時,乘客可能會敏銳地意識到音頻系統的噪聲本底。




                      -

                      SNR和共模抑制比



                      用于信噪比測量的方法是將單音注入放大器輸入端(在DUT的指定輸入幅度下),并測量輸出端的單音幅度,然后去除輸入信號并測量該輸出上的噪聲本底幅度,從而為SNR提供所需的數據值。下圖顯示了雙通道放大器上測得的SNR。這表明,在輸出端,施加了信號的幅度和噪聲本底之間的差超過70dB。


                      共模抑制比(CMRR)是配置為平衡(差分)輸出的放大器與配置為不平衡(單端)輸出的同一放大器的輸出噪聲幅度的比較。該測試證明了平衡輸出提供隨機噪聲消除的有效性。CMRR計算為CMRR(dB)=20*log10(VDM/VCM)。


                      下面的測試電路圖是以具有兩個通道發生器(例如,APx515、APx525、APx526、APx555和APx582)的音頻分析儀上實現:


                      以下是該測試的輸出示例圖:


                      IEC 60268-3標準為共模抑制比測試定義了略微不同的實施方式。首先測量差分信號并存儲其值。接下來,按照IEC 60268-3標準所規定的,將每個輸出支路以共模輸出的模式分別測量,并且每個支路與10歐姆源電阻串聯。兩個輸出的較高測量共模電平被用作共模值,最后,進行計算。




                      下面就是以IEC 60268-3標準規定的測試電路,同樣是在提供兩個信道發生器的音頻分析儀中實現。



                      以下是該測試的輸出示例圖,使用先前共模抑制比測量中測試的相同DUT:


                      對于設計良好的功放,這些共模抑制比測試結果通常在60dB或更大范圍內。可以看到,IEC共模抑制比方法比基本共模抑制比略微差一點。APx500音頻分析儀(B系列)用于這些共模抑制比測試,可從可用測量值列表中選擇。



                      -

                      PSRR電源抑制比



                      車輛動力系統中的電噪聲也可耦合到音頻系統中,從而產生可聽噪聲。電源抑制比(PSRR)測試,用于測量功放,防止電源系統噪聲影響音頻輸出的能力。這在直接由車輛電池供電的系統中十分重要。對于設計為從開關模式電源供電的系統,電源通常設計有濾波器,以消除通常與開關電源相關聯的更高水平的電源紋波,并因此表現出更高的電源AC抑制水平。


                      測試挑戰之一是配置一個能夠以全功率電平驅動DUT的直流電源,但該電源也可以對通過直流電平上規定的交流信號電平進行調制。

                      PSRR測試設置示例


                      從上圖中,可以看到其中一個發生器的輸出端連接到調制器輸入端(圖中顯示為音頻輸入),為電源輸出提供調制。在音頻分析器上使用兩個輸入端;一個用于測量直流電源輸出上的信號幅度,一個用于在DUT的輸出上測量相關頻率。該測試不使用DUT的輸入端。


                      音頻分析器設置為在發生器上產生掃頻單音輸出,在序列中使用“Bandpass Frequency Sweep”選項。該序列從“RMS電平”測量開始,然后是PSRR測量。最終測試數據通過導出的輸出獲得,該輸出是對PSRR的測算。

                      值得注意的是,“window width”要與分析儀一起使用,以創建盡可能窄的帶通濾波器,根據每個步驟應用于DUT的特定輸入頻率,提供輸出電平的最精確測定。該掃描輸出被施加到電源上的調制輸入。


                      測試開始時,使用清潔(非調制)直流電源測量DUT RMS輸出。這成為任何特定頻率下PSRR的測量“噪聲本底”。如果DUT輸出不超過該噪聲本底,我們只能測PSRR的下限;真實的PSRR值將更高。接下來,將發生器輸出設置為在通常從約20Hz到5kHz的范圍內掃描。在每個頻率階躍,測量RMS電平。

                      輸出的原始數據示例圖

                      分析儀導出的數據示例圖


                      該圖表明,DUT明顯滿足以下測試極限:在20Hz至5kHz范圍內≥60dB。還請注意,由于在20Hz至約70Hz的范圍內,“Amp Out Ch1”等級不高于“Amp No AC Power”,因此我們只能說DUT的性能與展示出來的性能相當或更好。理想情況下,電源AC電壓將足夠高,達到高峰能使DUT輸出達到峰值頻率,但這幾乎不可能。


                      -

                      頻率響應


                      頻率響應就是當在已知等級下對一系列輸入頻率進行測試,能提供了DUT輸出電平變化的記錄。對于音頻設備,這通常在20Hz到20kHz的范圍內完成,但對于“高音質”音頻,它可以擴展到45kHz或90kHz的帶寬。

                      以下是頻率響應測試的輸出示例。該DUT在通帶上顯示出非常好的振幅平坦性,在高位上具有典型的截止響應。


                      傳統做法,該測試是用步進頻率源來進行的。然而,特別是在生產測試等環境中,現在使用對數掃頻正弦(chirp)信號來完成大部分工作,以大幅減少測試時間。例如,23秒的步進頻率測試可以用具有類似結果的4秒chirp測試代替。


                      -

                      輸出功率&諧波失真


                      輸出功率與諧波失真相關;失真通常隨著輸出功率增加而增加,直至到額定功率。


                      測試音頻放大器時,通常進行兩次THD+N測量。第一次是在1W輸出功率下完成,所有通道同時驅動。這重點關注整個放大器的小信號失真。另一次是全功率測試,只有一個通道被驅動。這驗證了DUT可以達到預期的最大功率設計目標,同時滿足失真性能設計目標。當放大器的功率從1W輸出參考電平增加到最大額定功率輸出時,THD+N百分比可以增加10倍或更多。以下是目標THD+N性能規格與設備等級的對比示例——


                      通常情況下,在分析儀帶寬設置為DUT的全帶寬(例如,20Hz至20kHz)的情況下進行THD+N測試;但不會再增加更寬的帶寬了,因為這會增加來自頻譜不相關部分的額外噪聲。

                      然而,對于應使用的分析儀源的應用頻率范圍存在不同意見。對于THD+N測試,輸入通常覆蓋20Hz至6kHz的范圍。理由是,在6kHz時,只有第一次和第二次的諧波仍在頻帶內,而高于6kHz的測試有效數據較少。


                      下圖顯示了從DUT測得的輸出功率(使用左縱軸讀取輸出功率),以及相應的THD+N測量結果(使用右縱軸讀取THD+N百分比)。輸出功率曲線在圖的上部,而THD+N曲線在下部。最接近底部的曲線是1W輸出水平下的THD+N,從該曲線向上的下一條曲線是最大額定輸出功率為75W的THD+N。


                      我們可以看到,輸出功率曲線在功率電平之間是一致的,但THD+N曲線有明顯不同。另外,兩條THD+N曲線在約6kHz處急劇下降,這表明當諧波超過帶寬限值時,該測量值減小。


                      -

                      互調失真


                      如上文關于THD+N的討論,很難獲得關于10kHz以上諧波失真的有用數據,因為諧波低于音頻帶寬,并且通常超過典型的THD+N測量帶寬。


                      用于研究音頻帶寬上限失真的一種技術是同時向DUT施加兩個相對純的音調,這在非線性設備中產生頻率(交互產物)。在大多數設備中,產生IMD的主要機制是AM(振幅調制),它產生的邊帶與原始音頻音調的頻率之和與之差相同。調制產品也可能相互跳動,并與原始音頻信號跳動,從而產生更多的調制產品。


                      差頻失真(DFD)是在IEC 60268-3規范中標準化的高頻雙音IMD測試的一個示例。DFD測試適用于AB類和D類放大器。該測試通常作為設計和開發周期的一部分進行,但通常不作為驗證或生產測試的一部分。以下是DFD測試的示例輸出。在這種情況下,施加到DUT的兩個等幅度音調是19kHz和20kHz。通過計算交互諧波振幅之和與所施加的兩個基音振幅之和的比率來進行分析。在該比率中僅考慮2nd和3rd交互產物——



                      DFD測試的測試結果如下圖所示。圖中顯示了4th和5th階產品(如d4和d5所示),以供參考,但不是計算比率的一部分。

                      本測試實際測量值


                      為了進行更廣泛的分析,可以掃描平均頻率或差頻,以檢查DUT對可能表現出更高DFD水平的特定頻率組合的靈敏度。


                      另一種交互測試技術是SMPTE IMD測試,它最初由電影和電視工程師協會(SMPTE)標準化,但現在由IEEE管理。與DFD測試一樣,作為設計和開發周期的一部分而不是生產測試來完成。


                      在概念上,這與上述DFD測試沒有太大區別;施加兩個音調,并測量所得諧波。然而,在這種情況下,一個音調(f1)是強低頻干擾信號,并且通常較弱的高頻(f2)引起反應信號。常見的設置是60Hz時的f1,7kHz時的f2,振幅比為4:1。


                      有反應的諧波現在位于7kHz音調附近。在120Hz、180Hz等頻率下看到的60Hz音調的任何諧波與本試驗無關。然后,SMPTE IMD被確定為IMD產品的均方根值水平,表示為f2均方根水平的比值。以下是SMPTE IMD測試結果的表示:


                      實際測量值見下表。注意≤ 0.5%被視為標準性能產品的良好性能,以及≤ 0.1%被認為是高性能產品的良好性能。該DUT在約0.02%時表現出特別好的性能,如下圖所示:


                      APx500系列分析儀可輕松掃描低頻干擾音,以檢查f1和f2的各種頻率組合下的IMD靈敏度。


                      -

                      串擾


                      串擾是多信道系統中信號從一個信道到另一個信道的無意耦合。它通常由雜散電容、電感耦合、共享電源和共享接地回路引起。進行串擾測試有助于確保一個信道上的信號不會耦合到其他信道中。如今,汽車功放串擾測試極限的性能目標在以下范圍內:標準性能產品≤-40dB,高性能產品為≤-50 dB。通常,性能被指定為使用1瓦輸出電平進行測試。下圖顯示了一個高性能音頻放大器的性能——


                      串擾應作為頻率的函數進行測量,因為它通常隨頻率變化很大。如果需要單個測量測試,通常在10KHz下進行測量。這有兩個原因。首先A-加權曲線表明,我們的聽力在20kHz時在-10dB至-12dB的范圍內衰減,而在-3dB至-5dB的范圍中衰減為10kHz。這表明,超過10kHz的串擾效應將顯著減少。第二,如果串擾是由單極雜散電容耦合引起的,并且其他阻抗相對恒定,則串擾幅度將以每倍頻程6dB的速率增加;在10kHz下進行評估將證明在仍可能聽到串擾的點處串擾的最高水平。


                      APx500音頻測量軟件提供多個串擾測試,包括單頻測量、步進頻率掃描正弦測量和連續掃描(chirp)正弦測量。對于這些模式中的每一種,用戶可以選擇驅動一個通道并測量未驅動的通道,或者驅動除正在測量的通道之外的所有通道。


                      -

                      直流偏置&喀嗒聲


                      功放通常是交流耦合的,這意味著輸出端不應有直流電壓。小的直流偏置電壓是可以接受的,但必須測量并驗證其在限值內。較大的直流偏置將影響系統性能,并可能損壞部件。


                      直流偏置測試與輸出端接通/斷開破音噪聲測試相關,因為功率放大器的直流偏置上升和下降對聲音的反響有很大影響。


                      使用音頻分析儀測試直流偏置的過程相對簡單。連接負載后,功放開啟,DC level用于測量直流電平。這里不用施加AC信號到放大器輸入端。下圖顯示了該測試結果:


                      標準性能產品小于或等于100mV被認為是好的,而高級性能產品小于或等于10mV被視為好的。


                      當功放打開或關閉時,可能會出現瞬態電壓尖峰。根據瞬態尖峰的水平和持續時間,這些尖峰可能會變成煩人的雜訊音、破音或者有喀嗒聲等。分析工具可以幫助確定是否可以聽到瞬態,但最終評估可能涉及在駕駛室中進行聽力測試。


                      將音頻分析儀連接到適當加載的音頻放大器的輸出端并獲取一個信號相對容易,該信號演示了信號中的尖峰是在開啟還是關閉時出現的。以下是使用APx500分析儀中的測量記錄儀進行此類采集的示例,該記錄儀顯示了在測試的開啟和關閉部分發生的瞬態峰值——


                      然而,從波形上看并沒有讓我們感覺到這些尖峰對聽者有多不利。由于感知響度取決于事件的級別、揚聲器的靈敏度和人類對聲音的感知,因此在評估中必須考慮這些因素。


                      有幾種方法可以使用音頻分析器對這些類型的事件進行更真實的評估。如果我們進行聲學測量,我們可以使用校準麥克風和a加權濾波器以及分析儀來模擬聲級計。然而,這意味著我們需要將揚聲器連接到放大器,并且我們可能需要在暗室中獲得良好的測量結果。此外,研究表明,人耳對雜訊聲和隨機噪聲突發的反應不同,因此A加權濾波器不是最優的。


                      分析雜訊和破音更合適的方法是使用ITU-R BS.468-4方案,包含一個CCIR-468加權濾波器,以及一個準峰值檢測器,該檢測器具有精心定義的攻擊和衰減時間,能夠更好地表示脈沖噪聲脈沖相對于人類聽力的振幅。APx分析儀提供ITU-R BS.468-4 Q-peak濾波器用于電測量或聲學測量。

                      下圖DUT顯示最大Q-peak 為-40dBV。通過該測量,我們可以繼續估算聲壓級。


                      -

                      D類功放


                      “線性”音頻功放為A類或AB類。這些功放通常具有非常好的保真度,但效率相對較低。對于這些功放,有源元件不斷地消耗功率。D類功放可以具有非常好的保真度,與線性功放相比也可以具有更高的效率。兩者都使用了前面章節中描述的相同測試和技術。然而,D類功放確實需要稍微不同的處理才能獲得代表性的測試結果。


                      D類功放使用脈寬調制(PWM)或某些其他類型的調制來將功放的效率最大化。每個脈沖的最大導通時間出現在正峰值,最大關斷時間出現在負峰值。在正弦波的振幅中點,占空比約為50%——

                      如下圖所示,輸出信號從最大輸出快速擺動到最小輸出(導致產生輸出中的高頻部分)——

                      這些噪聲信號具有非常高的轉換速率(SR),這可能導致分析儀在測量中產生錯誤失真和噪聲讀數。在某些情況下,音頻分析儀電路可能被迫進入不穩定狀態,甚至遭受損壞。


                      幸運的是,這種情況有一個可靠的解決方案。通過對輸出端進行濾波,可以在高頻成分到達分析儀前對其進行濾波,從而顯著減少高頻成分。建議濾波分兩個階段進行。第一階段是連接在功放輸出和分析儀輸入之間的外部無源濾波器。這能在信號到達分析儀之前消除了大部分高頻成分。以下信號捕獲顯示了D類放大器的前濾波和后濾波信號——


                      AP有三種不同配置的外部濾波器,它們是為此而設計的。包括了AUX-0025雙通道25kHz低通濾波器、AUX-0100八通道25kz低通濾波器和AUX-0040雙通道40kHz低通濾波器。


                      第二個推薦的濾波級是分析儀中的銳滾降帶寬限制濾波器。AES17標準建議使用這種濾波器進行D/A轉換器測量,這種建議的內置濾波器對于D類功放測量來說是個良好的選擇。Audio Precision在APx分析儀中用矩形DSP濾波器來實現。

                      The cutoff response of this filter



                      除AES17濾波器外,還應使用無源外部濾波器,以確保良好的測量質量并避免對分析儀輸入端的潛在損壞。分析儀的內部的AES17濾波器不能讓分析儀輸入端免受D類功放輸出的高頻信號的影響。


                      需要注意的是,一些D類功放制造廠商配置了內置輸出濾波器。所以,在與測試設備進行任何連接之前,最好了解下被測功放的情況。


                      以上介紹了在汽車功放通常進行的測試類型、預期性能水平、規定特定測試方法的一些行業標準,以及有助于進行這些測量的AP音頻分析儀的功能。


                      關鍵詞: 音頻放大器

                      加入微信
                      獲取電子行業最新資訊
                      搜索微信公眾號:電子產品世界

                      或用微信掃描左側二維碼

                      相關文章


                      用戶評論

                      請文明上網,做現代文明人
                      驗證碼:
                      查看電腦版
                      外围体育