原创 基于MC1495的有效值音频数字功率计的设计

1 引言

目前，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)两端电压的方式估算出功率，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种方案各自的特点，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压的乘积信号来测量电功率，该测量方法与负载产生的相移无关，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。

本设计基于电功率等于电流与电压乘积的基本原理。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。

其中，取样电路获取负载电压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I2-I14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压VO，此电压正比于负载上的平均有功功率PO，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。整个电路制作在一块5×8 cm的印刷电路板上。

(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 Ω，故VX′=ILRsense=0.1IL。负载电压UL则直接送至VY′。

(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[4]。

按最大有效值电功率P=100 W设计，扬声器阻抗RLoad耐变化范围在4～16 Ω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40 V(峰值57 V)。从而有VX′(max)=0.7 V，VY′(max)=57 V。选择R01=51 kΩ，R02=R03=R04=10 kΩ，则

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 kΩ，3脚外接电阻由R3=12 kΩ与RP3=5.0 kΩ串联组成，从而保证13脚电流I13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 kΩ，RY>9.3 kΩ，取RX=0.51 kΩ，RY=10 kΩ。并根据±15 V供电电压，选择1脚外接电阻R1=3.0kΩ，乘法器MC1495输出端2脚和14脚外接负载电阻RL=3.0 kΩ。12脚和8脚分别是乘法器的X和Y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脚双端差动方式输出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I14，则有

(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=Rf，可通过微调RP4实现)，则可得运放的输出电压VO=(I2-I14)Rf，，由式(2)代入得

前面已选择I3=1 mA，RX=0.51 kΩ，RY=10 kΩ，并将式(1)代入式(3)得

就一般情况而言，可能存在非阻性负载引起的相移φ，那么应该以负载电流和电压瞬时值进行深入分析，设

，由式(5)得运放输出瞬时电压为

cosφ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υO的平均值

)。运放输出信号υO经分压、滤波电路R08，R09，C3，C4后的电压作为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

对于任意非正弦电压和电流可看作是由一系列正弦波叠加组成，可证明，上述结论对有功功率的计算仍然正确。

(4) A/D转换及显示电路

这部分电路主要由ICL7107为核心组成，外围元件参数选择及设计是依据制造商提供的ICL7107技术资料及设计要求。ICL7107是3.5bit A/D转换器，能直接驱动LED数码管，其显示数N和输入电压VIN之间的关系是

说明数码管显示的数字正比于负载有功功率，实现设计目的。

可通过RP5调节ICL7107的36脚参考电压VRFF，来对该功率计进行定标。当采用±5 V为ICL7107供电时，要求VIN<3.5 V，前述VIN(max)=2V完全满足要求。此时调节RP5使VREF大约为2 V时，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100.0W。

3 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：

(1) 乘法器X输入端直流偏置调节：在MC1495的Y输入端4脚接入1.0 kHz，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Y输入端直流偏置调节：在MC1495的X输入端9脚接1.0 kHz，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Y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MC1495的X输入端9脚接入0.2 V直流电压，在Y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脚直流电压为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)的基础上调节RP5，使4位LED数码管显示“1000”。

根据需要，重复(1)～(5)的步骤。

(6) A/D转换器的准确定标：本电路采用直接耦合，直流电压和电流便于准确测量，故采用直流信号对系统进行准确定标。

选择RLoad=8.0 Ω，耗散功率大于100 W的假负载，对取样电阻Rsense的要求是耗散功率大于5 W，稳定性好。测试时UL接直流稳压电源，用数字电压表和电流表分别同时测量假负载RLoad的电压UL和电流IL，在UL=20.0V时(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 Ω的扬声器，用低频信号发生器的单频正弦信号作音频功放信号源，用DS5022M数字示波器测试负载交流电压和取样电阻上的电压，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%。

注：*处相对误差按(显示功率P-实际功率PL)÷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，又能用于低频交流电功率测量，从直流到音频范围内都能正常工作。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，也可直接内嵌到相关设备中实现直流和低频电功率的测量及数字显示。