基于MC1495的有效值音频数字功率计的设计.docx

基于MC1495的有效值音频数字功率计的设计尹继武（陕西理工学院 电信工程系，陕西 汉中723003）1引言H前，对音频电功率进行测量的主要方法有3类：一是通过测量负载（扬声器）两端电用的方式估 算出功率，测量设备简单，但通常是依靠峰值检波或均值检波法来标定正弦有效值，只适用于正 弦信号功率测量，不能真实测量音乐、语音等复杂信号的实际功率；二是使用真有效值电压表或 真有效值音频电功率计，不依赖于信号种类而对音频功率进行准确测量，但这离不开价格较昂贵 的专用设备三是主要用于工频电力系统的电功率数字化采样测量方法，软硬件结合完成所要求 的运算和测量，准确度好，但工作频率不高，系统复杂，成本较高由于3种方案各口的特点， 很难将上述测量方法应用到音频设备（如功率放大器）中去实现（从直流到）音频范围的电功率测量 本设计通过检测负载电流与电床的乘积信号来测量电功率，该测量方法与负载产牛的相移无关， 不依赖于负载阻抗的变化，以有效值方式实现了有功功率的数字化测量2工作原理及电路设计2.1工作原理电路组成如图1所示，由取样电路、乘积运算电路、电平转换电路、A/D转换电路和LED显示 部分组成ffi 1 字功率计组战檀图本设计基于电功率等于电流与屯圧乘积的基本原理。

完成该乘积运算的核心器件是模拟乘法器 MC1495,配合使用运算放大器LM741实现电平转换，ICL7107完成A/D转换并驱动LED实 现功率的数字显示0.14-16010kU丄I 10 kMC1495 g 29 Xin4SFAdjlAdjYin-Xin-V-3 13 8 12 7U7.5k20kU 'oI5V31 IN H10SC3 MIG 1CL7IO7 56 REF Hl J5 REF LO 50 IN LO32 COM其中，取样电路获取负载电床UL和负载电流IL,模拟乘法器MC1495实现负载电流与电压的乘 积运算，即功率运算，该模拟乘法器采用差动方式从2脚和14脚输出与负载功率成比例的电流 2114 口由运放LM741组成的电平转换电路将乘法器输出的差动电流转换成电丿玉V0,此电压正 比于负载上的平均有功功率P0,再配接由ICL7107为核心组成A / D转换及显示电路，LED数 码管显示的数字即为负载有功功率2.2电路设计总体电路如图2所示整个电路制作在-•块5x8 cm的印刷电路板上0S1 k0*5 V0-5 V2<0k 丄G 0Z： -ro.i 小‘丄4.7 k29 A/Z V. I28 BUFE V. 26•15 VO—G 丄 20 k 0” 丁 DZt 丄S」V(1) 取样电路取样电路的任务是获取负载电流IL和负载两端的电压UL。

图2中精密取样电阻Rsense将负载 电流，IL转换为电压VX', Rsense=0.1 Q,故VX'PLRsense二0.1IL负载电床UL则直接送至(2) 有效值功率转换电路由四象限线性模拟乘法器MC1495实现负载电流与电压的乘积运算，采用差动方式输出与负载功 率成比例的电流这部分电路主要设计是依据制造商提供的MC1495技术资料及设计要求，详见 文献⑷按最大有效值电功率P=100W设计，扬声器阻抗RLoad耐变化范围在4〜16 Q之间，则负载电流IL最大约5 A(峰值7 A),负载电压UL最大约40V(峰值57 V)从而有VXr(max)=0.7 V,VY'(max)=57 V选择 R01=51 kQ, R02=R03=R04=10 kQ,贝UVxz=035V.叫g产9.30 V(1)满足MC1495输入电压范围不超过±10 V的要求根据设计要求，MC1495的13脚外接电阻R13=12 kQ3脚外接电阻由R3=12 kQ与RP3=5.0 kQ串联组成，从而保证13脚电流113和3脚电流I3均为1 mA左右RP3可微调乘法器的增益系 数根据 VX(max)0.35 kQ, RY>9.3kQ,取 RX=0.51 kQ, RY=10 kQo并根据±15 V供电电床，选择1脚外接电阻R1=3.0kQ,乘法器MC1495输出端2脚和14 脚外接负载电阻RL=3.0kQo 12脚和8脚分别是乘法器的X和丫输入直流偏置调节，该功能由 R05, R06, RP1, RP2, DZ1, DZ2组成的平衡调节网络完成。

至此，乘法器MC1495对电流与电压的乘积运算已实现，从2脚和14脚双端差动方式输岀与负 载功率成比例的电流信号设MC1495的2脚和14脚电流(方向如图2所示)分别为I2和114,则 有2叩丫(3) 电平转换与滤波电路电平转换电路由图2中的RL, R07, RP4, Rf和运放LM741组成，作用是将MC1495差动输出 电流线性转换成单端输出电压，以便A/D转换若电路对称(R07+Rp4二Rf,可通过微调RP4实 现)，则可得运放的输出电压VO=(l2-l14)Rf,,由式(2)代入得前面已选择13=1 mA, RX=0.51 kQ, RY=10kQ,并将式⑴代入式(3)得V V%诗& ⑷选择RROkQ则Vox0.33Vx.Vr (5)由于 Vr=t/L.Vx,=/L/e_=O. 1 /l=0.1,从而根据式(5)得Vo=0.033 (U；./Rg )=0・033P (6)就一般情况而言，可能存在非阻性负载引起的相移(P，那么应该以负载电流和电压瞬时值进行深 入分析，设ml= V 2 U.siTuut \=V 2 /Lsin(>?由式(5)得运放输出瞬时电床为q()=O.O33u ji=O.O33t/；/[ cos^-0.033q [cos 如fco 卑+0.033久肚恥加/衣(7)coscp是功率因数。

对式(7)作频域分析可看出，第一项是直流成分，正是负载上消耗的有功功率 后两项则是输入信号的2次谐波，很容易滤除掉(从而得U0的平均值心0・033久肚叱)运放输出 信号uO经分压、滤波电路R08, R09, C3, C4后的电床作为A/D转换器的输入电压VIN送到 ICL7107的31脚，此电压代表负载上的平均有功功率，根据图2得%予凡/( 2%)=(力3 )v0=0.02〃匕 c

当采用±5 V为 ICL7107供电吋，要求VIN<3.5 V,前述VIN(max)=2V完全满足要求此吋调节RP5使VREF 大约为2V吋，4位LED数码管将显示“1000”，正确选择小数点位，此即代表电功率为lOO.OWo3调试电路中所有电位器均使用精密多圈电位器，安装并检查电路连接无误后，按如下过程调节：⑴乘法器X输入端直流偏置调节：在M C1495的丫输入端4脚接入1.0 kH乙5.0 V(P-P)正弦 波，将X输入端9脚接地，调节RP1,使示波器在运放LM741输出端6脚观察到的波形幅度尽 量接近零2) 乘法器丫输入端直流偏置调节：在MC1495的X输入端9脚接1.0 kH乙0.5 V(P・P)正弦波, Y输人端4脚接地，调节RP2,使运放LM741的输出端6脚波形幅度尽量接近零3) 运放输出平衡调节：将MC1495的X输入端9脚和丫输入端4脚接地，调节RP4,使运放 LM741的输出端6脚直流电位为零(LED数码管也将显示零，该步骤实际是功率计调零)4) 乘法器增益系数调节：依据式(3),在M C1495的X输入端9脚接入0.2 V直流电压，在丫输 入端4脚接入4.0 V直流电压，调节RP3,使运放LM741的输出端6脚直流电床为3.0 V(与此对 应 VIN=2 V)。

5) A/D转换器的初步定标：在步骤(4)的基础丄调节RP5,使4位LED数码管显示7000”根据需要，重复(1)〜(5)的步骤6) A/D转换器的准确定标：本电路采用点接耦合，点流电压和电流便于准确测量，故采用点流 信号对系统进行准确定标选择RLoad=8.0 Q,耗散功率大于100W的假负载，对取样电阻Rsense的要求是耗散功率大于 5W,稳定性好测试吋UL接直流稳压电源，用数字电压表和电流表分别同吋测量假负载RLoad 的电压UL和电流IL,在UL=20.0V吋(约50W),仔细调节RP5,使LED数码管显示功率与此时 理论计算功率PL=ULIL完全一致，从而完成准确定标4测试(1) 交流功率测试选择音频功放配接RLoad=8 Q的扬声器，用低频信号发牛器的单频正弦信号作音频功放信号源, H1DS5022M数字示波器测试负载交流电压和取样电阻丄的电压，从而求得负载功率，测试结果 表明，在音频范围内，本系统显示功率与实际功率的满度相对误差不超过±3%2) 直流功率测试UL接直流稳压电源进行测量，结果如表1所示相对误差小于2.5%负載电 压q/v负假电 淹"A实际功耶PfUJZ显示功 率/W相对澳0.00.000.000X)0.04.00.512.042.0-2.08.00.997.928.12.312.01.4817.7618.22.516.0L9731.5232.11.6表1直沆功率测试结果20.02.45 49.00 49.00.0注「处相对误差按(显示功率P■实际功率PL片实际功率PL计算，满度相对误差小于此数值。

5结论(1) 本电路既能用于直流电功率测量，乂能用于低频交流电功率测量，从直流到音频范I韦I内都能 正常工作上限工作频率主要取决于乘法器MC1495,其频率范围可从直流达到100 kHz以上 本设计是以量程100W的音频电功率测量来详细说明系统的设计方法2) 由于采用有效值乘积的计算方式，不论对正弦单频信号，还是复杂波形的音乐、语音信号， 本电路直接给出的都是负载实际消耗的有功功率，满度误差一•般不超过±3%3) 本电路的突出优点是电路简单可靠，工作频率范围宽，低成本，以有效值方式实现了有功功 率的测量既可单独使用，也可直接内嵌到和关设备小实现直流和低频电功率的测量及数字显示。