今天，读懂车载音频功放测试

2023-05-23 09:30 373 0

没错，汽车音响测试在今天闪亮登场。

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车载音响，早就成为汽车厂商作为卖点，推给广大消费者。我们耳中，也不乏那些豪华车配置的知名音响品牌。而在汽车改装领域，音响的升级改造，也占据着很大的比例。

有人说车载音响就好比做菜，好不好吃？各人口味不同，是没有标准的。其实不是，音响是有一些世界公认的评级标准的。

要知道，车载音响，这个今天看似理所当然的标准配置，同样经历将近百年的发展历程。

二十世纪初，如何能在交通工具上使用当时还属于新科技的无线电广播，“无线电之父”Lee de Forest（李·德弗雷斯特）就已经开始在思考了，但当时汽车的电池电压只有6伏，并不足以支撑真空管接收器的使用，因为要它工作需要50至250伏电压，所以进展非常缓慢。

1936年，通用汽车的子公司Delco生产了第一台集成于仪表板上的是汽车收音机，并使用在「雪佛兰Master Deluxe」等通用多个子品牌的车型上，收音机开始逐渐成为汽车的舒适设备如今，我们以“音频视角”看来，汽车内部涉及的音频测试仍然是一个复杂的系统。因此，测测这次将会把汽车音频测试分解为几个系统。在这里，我们将重点介绍汽车，以及通常在这些设备上进行的测试类型。

测试杂谈

由于希望在保持高功率输出和可接受的（低）失真水平的同时还要将功耗保持在最小，目前大多数汽车音频功放都是AB或D类。

A类：效率较低、发热量巨大，失真小、声音好，贵。
B类：效率较高、失真大、声音差，汽车音响市场不存在。
AB类：效率一般、失真偏小、声音较好，性价比高。
D类：失真小、效率最高，造价较高、数码声重、一般用于推低音。
一般使用的全频功放AB类居多，少数采用A类，低音功放有部分使用D类多数也是AB类。

而随着汽车智能网联化的发展，对音频的开发要求也越来越高，需要加入更先进、功能丰富的信息娱乐功能以满足消费者的用户体验。传统的模拟并行音频信号传输方式，难以在功能增加与整车轻量化（线缆的重量及成本减少）之间取得均衡。

ADI（Analog Devices Inc.）通过对音频总线的优化，推出A2B（Automotive Audio Bus）车载音频总线，能比传统模拟音频总线能够提供出色的音频质量，同时还能大大节省汽车音频线束重量和成本（约减少75%）。

A2B可用于车载音频ECU、麦克风阵列、功放、喇叭、Tuner、主动降噪等连接。福特公司在2016年首次应用，随后BBA、沃尔沃、比亚迪、长城、长安、上汽、吉利开始逐步应用。

A2B功放在车型的应用比例也越来越多，而AP音频分析仪搭配Mentor的A2B协议分析仪，已是成熟的测试A2B功放的解决方案——

往下看，我们继续为大家带来的典型测试，以及与汽车系统相关的具体的关注领域。

典型的测试包括增益和电平、共模抑制比、电源抑制、频率响应、输出功率和谐波失真、互调失真、本底噪声、分离度、直流偏置以及喀嗒声。

完成这些测试所需的仪器包括音频分析仪、能够输出9至16V的直流电源、功率计和万用表。其他需要的测试项目包括额定阻抗的非电感负载电阻器，以及被测放大器的输出功率，加上连接DUT和测试设备到公共接地。

从“black box”的角度来看，这种测试在不同类型的音频放大器之间是一致的。然而，需要对D类放大器输出进行特殊调节，以解决这些放大器特有的带外噪音。

良好的接地对于优化音频放大器性能至关重要，同时对于实现最佳测试结果也同样重要。测试系统中设备之间的小接地电位差（如开关、被测设备和测试仪器）可耦合到信号路径中，并导致由于信号导线和机箱之间的固有杂散电容而产生的不良干扰或噪声。

母线接地有时似乎是一种便捷的方法，但往往会产生最坏的结果。链路的每个支路中的电阻将设备置于不同的接地电位，而且不如星形接地有效。

所以我们建议通过低阻抗导线将每个设备的接地直接连接到测试仪器的接地。

测试直击

增益和电平

在两个通道上测量输出电平和增益的同时，通过应用阶跃输入电平扫描，可以方便地执行增益和电平测试。如下图所示，该放大器的增益约35，并具有线性响应，输入振幅（图上的水平刻度）从低于2mVrms到约600mVrms，然后开始在输出处削波。左轴显示以Vrms为单位的测量输出电平。注意，该DUT的左通道和右通道非常匹配。

如果在更宽的输入范围内测试DUT，我们可以使用相同的测量来可视化线性动态范围。下图显示，该DUT在低端和高端均扫过线性范围。该器件的增益约为35，线性动态范围约为57dBV。请注意，显示57dB范围的光标位置有些模糊，因此，SNR测量通常与应用于系统的最大幅度一起使用，以产生单值动态范围测量。

本底噪声

好的音响系统的敌人之一便是噪音。信道中的任何非预期信号通常称为噪声。这可能是电流在电路中流动时随机产生的噪声，也可能是由于串扰、缺乏足够的电源隔离和滤波、接地不良或电机（如挡风玻璃雨刮器、座椅、天窗）或点火系统的电磁干扰而在通道中出现的确定性（非随机）信号。如果该噪音发生在增益级之前，则噪音将被放大。

能准确知道放大器通道上有多少噪音以及噪音可能来自何处，是评估放大器质量或对特定模块/装置进行故障排除的关键信息。

本底噪声经测试表明，在没有施加信号的情况下，信道是多么“安静”。因此，测量通常通过以匹配阻抗终止DUT的输入，并在没有信号施加到输入的情况下测量剩余RMS幅度来完成。对分析仪上的测量带宽进行限制至关重要，因为更多带宽意味着测量中产生的噪音会更多。对于大多数汽车音频放大器，20Hz至20kHz是合适的。

以下是对汽车音频功率放大器进行测量的示例：

测试示例

通过上面频谱图的数据可以看到，不存在主要的确定性噪音源（因为它会在频谱中显示为特定的线或杂散）；而且噪音本质上是随机的。如果输入端接时频谱中出现确定性杂散，这些杂散的频率可以提供信号的性质和来源的提示，这是系统或设计故障排除的第一步。

噪音是在汽车环境下听力感受的一个重要方面。当处于发动机和其它附件关闭的安静车辆中时，听众可能会变得非常敏感。当打开和/或关闭系统时，乘客可能会敏锐地意识到音频系统的噪声本底。

SNR和共模抑制比

用于信噪比测量的方法是将单音注入放大器输入端（在DUT的指定输入幅度下），并测量输出端的单音幅度，然后去除输入信号并测量该输出上的噪声本底幅度，从而为SNR提供所需的数据值。下图显示了双通道放大器上测得的SNR。这表明，在输出端，施加了信号的幅度和噪声本底之间的差超过70dB。

共模抑制比（CMRR）是配置为平衡（差分）输出的放大器与配置为不平衡（单端）输出的同一放大器的输出噪声幅度的比较。该测试证明了平衡输出提供随机噪声消除的有效性。CMRR计算为CMRR（dB）=20*log10（VDM/VCM）。

下面的测试电路图是以具有两个通道发生器（例如，APx515、APx525、APx526、APx555和APx582）的音频分析仪上实现:

以下是该测试的输出示例图：

IEC 60268-3标准为共模抑制比测试定义了略微不同的实施方式。首先测量差分信号并存储其值。接下来，按照IEC 60268-3标准所规定的，将每个输出支路以共模输出的模式分别测量，并且每个支路与10欧姆源电阻串联。两个输出的较高测量共模电平被用作共模值，最后，进行计算。

下面就是以IEC 60268-3标准规定的测试电路，同样是在提供两个信道发生器的音频分析仪中实现。

以下是该测试的输出示例图，使用先前共模抑制比测量中测试的相同DUT：

对于设计良好的功放，这些共模抑制比测试结果通常在60dB或更大范围内。可以看到，IEC共模抑制比方法比基本共模抑制比略微差一点。APx500音频分析仪（B系列）用于这些共模抑制比测试，可从可用测量值列表中选择。

PSRR电源抑制比

车辆动力系统中的电噪声也可耦合到音频系统中，从而产生可听噪声。电源抑制比（PSRR）测试，用于测量功放，防止电源系统噪声影响音频输出的能力。这在直接由车辆电池供电的系统中十分重要。对于设计为从开关模式电源供电的系统，电源通常设计有滤波器，以消除通常与开关电源相关联的更高水平的电源纹波，并因此表现出更高的电源AC抑制水平。

测试挑战之一是配置一个能够以全功率电平驱动DUT的直流电源，但该电源也可以对通过直流电平上规定的交流信号电平进行调制。

PSRR测试设置示例

从上图中，可以看到其中一个发生器的输出端连接到调制器输入端（图中显示为音频输入），为电源输出提供调制。在音频分析器上使用两个输入端；一个用于测量直流电源输出上的信号幅度，一个用于在DUT的输出上测量相关频率。该测试不使用DUT的输入端。

音频分析器设置为在发生器上产生扫频单音输出，在序列中使用“Bandpass Frequency Sweep”选项。该序列从“RMS电平”测量开始，然后是PSRR测量。最终测试数据通过导出的输出获得，该输出是对PSRR的测算。

值得注意的是，“window width”要与分析仪一起使用，以创建尽可能窄的带通滤波器，根据每个步骤应用于DUT的特定输入频率，提供输出电平的最精确测定。该扫描输出被施加到电源上的调制输入。

测试开始时，使用清洁（非调制）直流电源测量DUT RMS输出。这成为任何特定频率下PSRR的测量“噪声本底”。如果DUT输出不超过该噪声本底，我们只能测PSRR的下限；真实的PSRR值将更高。接下来，将发生器输出设置为在通常从约20Hz到5kHz的范围内扫描。在每个频率阶跃，测量RMS电平。

输出的原始数据示例图

分析仪导出的数据示例图

该图表明，DUT明显满足以下测试极限：在20Hz至5kHz范围内≥60dB。还请注意，由于在20Hz至约70Hz的范围内，“Amp Out Ch1”等级不高于“Amp No AC Power”，因此我们只能说DUT的性能与展示出来的性能相当或更好。理想情况下，电源AC电压将足够高，达到高峰能使DUT输出达到峰值频率，但这几乎不可能。

频率响应

频率响应就是当在已知等级下对一系列输入频率进行测试，能提供了DUT输出电平变化的记录。对于音频设备，这通常在20Hz到20kHz的范围内完成，但对于“高音质”音频，它可以扩展到45kHz或90kHz的带宽。

以下是频率响应测试的输出示例。该DUT在通带上显示出非常好的振幅平坦性，在高位上具有典型的截止响应。

传统做法，该测试是用步进频率源来进行的。然而，特别是在生产测试等环境中，现在使用对数扫频正弦（chirp）信号来完成大部分工作，以大幅减少测试时间。例如，23秒的步进频率测试可以用具有类似结果的4秒chirp测试代替。

输出功率&谐波失真

输出功率与谐波失真相关；失真通常随着输出功率增加而增加，直至到额定功率。

测试音频放大器时，通常进行两次THD+N测量。第一次是在1W输出功率下完成，所有通道同时驱动。这重点关注整个放大器的小信号失真。另一次是全功率测试，只有一个通道被驱动。这验证了DUT可以达到预期的最大功率设计目标，同时满足失真性能设计目标。当放大器的功率从1W输出参考电平增加到最大额定功率输出时，THD+N百分比可以增加10倍或更多。以下是目标THD+N性能规格与设备等级的对比示例——

通常情况下，在分析仪带宽设置为DUT的全带宽（例如，20Hz至20kHz）的情况下进行THD+N测试；但不会再增加更宽的带宽了，因为这会增加来自频谱不相关部分的额外噪声。

然而，对于应使用的分析仪源的应用频率范围存在不同意见。对于THD+N测试，输入通常覆盖20Hz至6kHz的范围。理由是，在6kHz时，只有第一次和第二次的谐波仍在频带内，而高于6kHz的测试有效数据较少。

下图显示了从DUT测得的输出功率（使用左纵轴读取输出功率），以及相应的THD+N测量结果（使用右纵轴读取THD+N百分比）。输出功率曲线在图的上部，而THD+N曲线在下部。最接近底部的曲线是1W输出水平下的THD+N，从该曲线向上的下一条曲线是最大额定输出功率为75W的THD+N。

我们可以看到，输出功率曲线在功率电平之间是一致的，但THD+N曲线有明显不同。另外，两条THD+N曲线在约6kHz处急剧下降，这表明当谐波超过带宽限值时，该测量值减小。

互调失真

如上文关于THD+N的讨论，很难获得关于10kHz以上谐波失真的有用数据，因为谐波低于音频带宽，并且通常超过典型的THD+N测量带宽。

用于研究音频带宽上限失真的一种技术是同时向DUT施加两个相对纯的音调，这在非线性设备中产生频率（交互产物）。在大多数设备中，产生IMD的主要机制是AM（振幅调制），它产生的边带与原始音频音调的频率之和与之差相同。调制产品也可能相互跳动，并与原始音频信号跳动，从而产生更多的调制产品。

差频失真（DFD）是在IEC 60268-3规范中标准化的高频双音IMD测试的一个示例。DFD测试适用于AB类和D类放大器。该测试通常作为设计和开发周期的一部分进行，但通常不作为验证或生产测试的一部分。以下是DFD测试的示例输出。在这种情况下，施加到DUT的两个等幅度音调是19kHz和20kHz。通过计算交互谐波振幅之和与所施加的两个基音振幅之和的比率来进行分析。在该比率中仅考虑2nd和3rd交互产物——

DFD测试的测试结果如下图所示。图中显示了4th和5th阶产品（如d4和d5所示），以供参考，但不是计算比率的一部分。

本测试实际测量值

为了进行更广泛的分析，可以扫描平均频率或差频，以检查DUT对可能表现出更高DFD水平的特定频率组合的灵敏度。

另一种交互测试技术是SMPTE IMD测试，它最初由电影和电视工程师协会（SMPTE）标准化，但现在由IEEE管理。与DFD测试一样，作为设计和开发周期的一部分而不是生产测试来完成。

在概念上，这与上述DFD测试没有太大区别；施加两个音调，并测量所得谐波。然而，在这种情况下，一个音调（f1）是强低频干扰信号，并且通常较弱的高频（f2）引起反应信号。常见的设置是60Hz时的f1，7kHz时的f2，振幅比为4:1。

有反应的谐波现在位于7kHz音调附近。在120Hz、180Hz等频率下看到的60Hz音调的任何谐波与本试验无关。然后，SMPTE IMD被确定为IMD产品的均方根值水平，表示为f2均方根水平的比值。以下是SMPTE IMD测试结果的表示：

实际测量值见下表。注意≤ 0.5%被视为标准性能产品的良好性能，以及≤ 0.1%被认为是高性能产品的良好性能。该DUT在约0.02%时表现出特别好的性能，如下图所示：

APx500系列分析仪可轻松扫描低频干扰音，以检查f1和f2的各种频率组合下的IMD灵敏度。

串扰

串扰是多信道系统中信号从一个信道到另一个信道的无意耦合。它通常由杂散电容、电感耦合、共享电源和共享接地回路引起。进行串扰测试有助于确保一个信道上的信号不会耦合到其他信道中。如今，汽车功放串扰测试极限的性能目标在以下范围内：标准性能产品≤-40dB，高性能产品为≤-50 dB。通常，性能被指定为使用1瓦输出电平进行测试。下图显示了一个高性能音频放大器的性能——

串扰应作为频率的函数进行测量，因为它通常随频率变化很大。如果需要单个测量测试，通常在10KHz下进行测量。这有两个原因。首先A-加权曲线表明，我们的听力在20kHz时在-10dB至-12dB的范围内衰减，而在-3dB至-5dB的范围中衰减为10kHz。这表明，超过10kHz的串扰效应将显著减少。第二，如果串扰是由单极杂散电容耦合引起的，并且其他阻抗相对恒定，则串扰幅度将以每倍频程6dB的速率增加；在10kHz下进行评估将证明在仍可能听到串扰的点处串扰的最高水平。

APx500音频测量软件提供多个串扰测试，包括单频测量、步进频率扫描正弦测量和连续扫描（chirp）正弦测量。对于这些模式中的每一种，用户可以选择驱动一个通道并测量未驱动的通道，或者驱动除正在测量的通道之外的所有通道。

直流偏置&喀嗒声

功放通常是交流耦合的，这意味着输出端不应有直流电压。小的直流偏置电压是可以接受的，但必须测量并验证其在限值内。较大的直流偏置将影响系统性能，并可能损坏部件。

直流偏置测试与输出端接通/断开破音噪声测试相关，因为功率放大器的直流偏置上升和下降对声音的反响有很大影响。

使用音频分析仪测试直流偏置的过程相对简单。连接负载后，功放开启，DC level用于测量直流电平。这里不用施加AC信号到放大器输入端。下图显示了该测试结果：

标准性能产品小于或等于100mV被认为是好的，而高级性能产品小于或等于10mV被视为好的。

当功放打开或关闭时，可能会出现瞬态电压尖峰。根据瞬态尖峰的水平和持续时间，这些尖峰可能会变成烦人的杂讯音、破音或者有喀嗒声等。分析工具可以帮助确定是否可以听到瞬态，但最终评估可能涉及在驾驶室中进行听力测试。

将音频分析仪连接到适当加载的音频放大器的输出端并获取一个信号相对容易，该信号演示了信号中的尖峰是在开启还是关闭时出现的。以下是使用APx500分析仪中的测量记录仪进行此类采集的示例，该记录仪显示了在测试的开启和关闭部分发生的瞬态峰值——

然而，从波形上看并没有让我们感觉到这些尖峰对听者有多不利。由于感知响度取决于事件的级别、扬声器的灵敏度和人类对声音的感知，因此在评估中必须考虑这些因素。

有几种方法可以使用音频分析器对这些类型的事件进行更真实的评估。如果我们进行声学测量，我们可以使用校准麦克风和a加权滤波器以及分析仪来模拟声级计。然而，这意味着我们需要将扬声器连接到放大器，并且我们可能需要在暗室中获得良好的测量结果。此外，研究表明，人耳对杂讯声和随机噪声突发的反应不同，因此A加权滤波器不是最优的。

分析杂讯和破音更合适的方法是使用ITU-R BS.468-4方案，包含一个CCIR-468加权滤波器，以及一个准峰值检测器，该检测器具有精心定义的攻击和衰减时间，能够更好地表示脉冲噪声脉冲相对于人类听力的振幅。APx分析仪提供ITU-R BS.468-4 Q-peak滤波器用于电测量或声学测量。

下图DUT显示最大Q-peak 为-40dBV。通过该测量，我们可以继续估算声压级。

D类功放

“线性”音频功放为A类或AB类。这些功放通常具有非常好的保真度，但效率相对较低。对于这些功放，有源元件不断地消耗功率。D类功放可以具有非常好的保真度，与线性功放相比也可以具有更高的效率。两者都使用了前面章节中描述的相同测试和技术。然而，D类功放确实需要稍微不同的处理才能获得代表性的测试结果。

D类功放使用脉宽调制（PWM）或某些其他类型的调制来将功放的效率最大化。每个脉冲的最大导通时间出现在正峰值，最大关断时间出现在负峰值。在正弦波的振幅中点，占空比约为50%——

如下图所示，输出信号从最大输出快速摆动到最小输出（导致产生输出中的高频部分）——

这些噪声信号具有非常高的转换速率（SR），这可能导致分析仪在测量中产生错误失真和噪声读数。在某些情况下，音频分析仪电路可能被迫进入不稳定状态，甚至遭受损坏。

幸运的是，这种情况有一个可靠的解决方案。通过对输出端进行滤波，可以在高频成分到达分析仪前对其进行滤波，从而显著减少高频成分。建议滤波分两个阶段进行。第一阶段是连接在功放输出和分析仪输入之间的外部无源滤波器。这能在信号到达分析仪之前消除了大部分高频成分。以下信号捕获显示了D类放大器的前滤波和后滤波信号——