目前，對音頻電功率進行測量的主要方法有3類：
一是通過測量負載(揚聲器)兩端電壓的方式估算出功率，測量設備簡單，但通常是依靠峰值檢波或均值檢波法來標定正弦有效值，只適用于正弦信號功率測量，不能真實測量音樂、語音等復雜信號的實際功率；
二是使用真有效值電壓表或真有效值音頻電功率計，不依賴于信號種類而對音頻功率進行準確測量，但這離不開價格較昂貴的專用設備。
三是主要用于工頻電力系統(tǒng)的電功率數(shù)字化采樣測量方法，軟硬件結(jié)合完成所要求的運算和測量，準確度好，但工作頻率不高，系統(tǒng)復雜，成本較高。由于3種方案各自的特點，很難將上述測量方法應用到音頻設備(如功率放大器)中去實現(xiàn)(從直流到)音頻范圍的電功率測量。本設計通過檢測負載電流與電壓的乘積信號來測量電功率，該測量方法與負載產(chǎn)生的相移無關，不依賴于負載阻抗的變化，以有效值方式實現(xiàn)了有功功率的數(shù)字化測量。
2 工作原理及電路設計
2.1 工作原理
電路組成如圖1所示，由取樣電路、乘積運算電路、電平轉(zhuǎn)換電路、A／D轉(zhuǎn)換電路和LED顯示部分組成。
 |
本設計基于電功率等于電流與電壓乘積的基本原理。完成該乘積運算的核心器件是模擬乘法器MC1495，配合使用運算放大器LM741實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，ICL7107完成A／D轉(zhuǎn)換并驅(qū)動LED實現(xiàn)功率的數(shù)字顯示。
其中，取樣電路獲取負載電壓UL和負載電流IL，模擬乘法器MC1495實現(xiàn)負載電流與電壓的乘積運算，即功率運算，該模擬乘法器采用差動方式從2腳和14腳輸出與負載功率成比例的電流I2-I14口由運放LM741組成的電平轉(zhuǎn)換電路將乘法器輸出的差動電流轉(zhuǎn)換成電壓VO，此電壓正比于負載上的平均有功功率PO，再配接由ICL7107為核心組成A／D轉(zhuǎn)換及顯示電路，LED數(shù)碼管顯示的數(shù)字即為負載有功功率。
2.2 電路設計
總體電路如圖2所示。整個電路制作在一塊5×8 cm的印刷電路板上。
|
|
(1) 取樣電路
取樣電路的任務是獲取負載電流IL和負載兩端的電壓UL。圖2中精密取樣電阻Rsense將負載電流，IL轉(zhuǎn)換為電壓VX′，Rsense=0.1 Ω，故VX′=ILRsense=0.1IL。負載電壓UL則直接送至VY′。
(2) 有效值功率轉(zhuǎn)換電路
由四象限線性模擬乘法器MC1495實現(xiàn)負載電流與電壓的乘積運算，采用差動方式輸出與負載功率成比例的電流。這部分電路主要設計是依據(jù)制造商提供的MC1495技術(shù)資料及設計要求，詳見文獻[4]。
按有效值電功率P=100 W設計，揚聲器阻抗RLoad耐變化范圍在4～16 Ω之間，則負載電流IL約5 A(峰值7 A)，負載電壓UL約40 V(峰值57 V)。從而有VX′(max)=0.7 V，VY′(max)=57 V。選擇R01=51 kΩ，R02=R03=R04=10 kΩ，則
 |
滿足MC1495輸入電壓范圍不超過±10 V的要求。
根據(jù)設計要求，MC1495的13腳外接電阻R13=12 kΩ，3腳外接電阻由R3=12 kΩ與RP3=5.0 kΩ串聯(lián)組成，從而保證13腳電流I13和3腳電流I3均為1 mA左右。RP3可微調(diào)乘法器的增益系數(shù)。
根據(jù)VX(max)<I13RX和VY(max)<I3RY得RX>0.35 kΩ，RY>9.3 kΩ，取RX=0.51 kΩ，RY=10 kΩ。并根據(jù)±15 V供電電壓，選擇1腳外接電阻R1=3.0kΩ，乘法器MC1495輸出端2腳和14腳外接負載電阻RL=3.0 kΩ。12腳和8腳分別是乘法器的X和Y輸入直流偏置調(diào)節(jié)，該功能由R05，R06，RP1，RP2，DZ1，DZ2組成的平衡調(diào)節(jié)網(wǎng)絡完成。
至此，乘法器MC1495對電流與電壓的乘積運算已實現(xiàn)，從2腳和14腳雙端差動方式輸出與負載功率成比例的電流信號。設MC1495的2腳和14腳電流(方向如圖2所示)分別為I2和I14，則有
 |
(3) 電平轉(zhuǎn)換與濾波電路
電平轉(zhuǎn)換電路由圖2中的RL，R07，RP4，Rf和運放LM741組成，作用是將MC1495差動輸出電流線性轉(zhuǎn)換成單端輸出電壓，以便A／D轉(zhuǎn)換。若電路對稱(R07+Rp4=Rf，可通過微調(diào)RP4實現(xiàn))，則可得運放的輸出電壓VO=(I2-I14)Rf，，由式(2)代入得
 |
前面已選擇I3=1 mA，RX=0.51 kΩ，RY=10 kΩ，并將式(1)代入式(3)得
 |
就一般情況而言，可能存在非阻性負載引起的相移φ，那么應該以負載電流和電壓瞬時值進行深入分析，設
，由式(5)得運放輸出瞬時電壓為
 |
cosφ是功率因數(shù)。對式(7)作頻域分析可看出，項是直流成分，正是負載上消耗的有功功率。后兩項則是輸入信號的2次諧波，很容易濾除掉(從而得υO的平均值
)。運放輸出信號υO經(jīng)分壓、濾波電路R08，R09，C3，C4后的電壓作為A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓VIN送到ICL7107的31腳，此電壓代表負載上的平均有功功率，根據(jù)圖2得
 |
對于任意非正弦電壓和電流可看作是由一系列正弦波疊加組成，可證明，上述結(jié)論對有功功率的計算仍然正確。
(4) A／D轉(zhuǎn)換及顯示電路
這部分電路主要由ICL7107為核心組成，外圍元件參數(shù)選擇及設計是依據(jù)制造商提供的ICL7107技術(shù)資料及設計要求。ICL7107是3.5bit A／D轉(zhuǎn)換器，能直接驅(qū)動LED數(shù)碼管，其顯示數(shù)N和輸入電壓VIN之間的關系是
 |
說明數(shù)碼管顯示的數(shù)字正比于負載有功功率，實現(xiàn)設計目的。
可通過RP5調(diào)節(jié)ICL7107的36腳參考電壓VRFF，來對該功率計進行定標。當采用±5 V為ICL7107供電時，要求VIN<3.5 V，前述VIN(max)=2V完全滿足要求。此時調(diào)節(jié)RP5使VREF大約為2 V時，4位LED數(shù)碼管將顯示“1000”，正確選擇小數(shù)點位，此即代表電功率為100.0W。
3 調(diào)試
電路中所有電位器均使用精密多圈電位器，安裝并檢查電路連接無誤后，按如下過程調(diào)節(jié)：
(1) 乘法器X輸入端直流偏置調(diào)節(jié)：在MC1495的Y輸入端4腳接入1.0 kHz，5.0 V(P-P)正弦波，將X輸入端9腳接地，調(diào)節(jié)RP1，使示波器在運放LM741輸出端6腳觀察到的波形幅度盡量接近零。
(2) 乘法器Y輸入端直流偏置調(diào)節(jié)：在MC1495的X輸入端9腳接1.0 kHz，0.5 V(P-P)正弦波，Y輸人端4腳接地，調(diào)節(jié)RP2，使運放LM741的輸出端6腳波形幅度盡量接近零。
(3) 運放輸出平衡調(diào)節(jié)：將MC1495的X輸入端9腳和Y輸入端4腳接地，調(diào)節(jié)RP4，使運放LM741的輸出端6腳直流電位為零(LED數(shù)碼管也將顯示零，該步驟實際是功率計調(diào)零)。
(4) 乘法器增益系數(shù)調(diào)節(jié)：依據(jù)式(3)，在MC1495的X輸入端9腳接入0.2 V直流電壓，在Y輸入端4腳接入4.0 V直流電壓，調(diào)節(jié)RP3，使運放LM741的輸出端6腳直流電壓為3.0 V(與此對應VIN=2 V)。
(5) A／D轉(zhuǎn)換器的初步定標：在步驟(4)的基礎上調(diào)節(jié)RP5，使4位LED數(shù)碼管顯示“1000”。
根據(jù)需要，重復(1)～(5)的步驟。
(6) A／D轉(zhuǎn)換器的準確定標：本電路采用直接耦合，直流電壓和電流便于準確測量，故采用直流信號對系統(tǒng)進行準確定標。
選擇RLoad=8.0 Ω，耗散功率大于100 W的假負載，對取樣電阻Rsense的要求是耗散功率大于5 W，穩(wěn)定性好。測試時UL接直流穩(wěn)壓電源，用數(shù)字電壓表和電流表分別同時測量假負載RLoad的電壓UL和電流IL，在UL=20.0V時(約50W)，仔細調(diào)節(jié)RP5，使LED數(shù)碼管顯示功率與此時理論計算功率PL=ULIL完全一致，從而完成準確定標。
4 測試
(1) 交流功率測試
選擇音頻功放配接RLoad=8 Ω的揚聲器，用低頻信號發(fā)生器的單頻正弦信號作音頻功放信號源，用DS5022M數(shù)字示波器測試負載交流電壓和取樣電阻上的電壓，從而求得負載功率，測試結(jié)果表明，在音頻范圍內(nèi)，本系統(tǒng)顯示功率與實際功率的滿度相對誤差不超過±3％。
(2) 直流功率測試
UL接直流穩(wěn)壓電源進行測量，結(jié)果如表1所示。相對誤差小于2.5%。
 |
注：*處相對誤差按(顯示功率P-實際功率PL)÷實際功率PL計算，滿度相對誤差小于此數(shù)值。
5 結(jié)論
(1) 本電路既能用于直流電功率測量，又能用于低頻交流電功率測量，從直流到音頻范圍內(nèi)都能正常工作。上限工作頻率主要取決于乘法器MC1495，其頻率范圍可從直流達到100 kHz以上。本設計是以量程100W的音頻電功率測量來詳細說明系統(tǒng)的設計方法。
(2) 由于采用有效值乘積的計算方式，不論對正弦單頻信號，還是復雜波形的音樂、語音信號，本電路直接給出的都是負載實際消耗的有功功率，滿度誤差一般不超過±3％。
(3) 本電路的突出優(yōu)點是電路簡單可靠，工作頻率范圍寬，低成本，以有效值方式實現(xiàn)了有功功率的測量。既可單獨使用，也可直接內(nèi)嵌到相關設備中實現(xiàn)直流和低頻電功率的測量及數(shù)字顯示。