ADALM1000 SMU培訓 主題16：測量揚聲器阻抗曲線

作者：Doug Mercer和Antoniu Miclaus

本實驗活動的目的是測量永磁揚聲器的阻抗曲線和諧振頻率。

動態(tài)揚聲器的主要電氣特性是作為頻率函數(shù)的電阻抗。通過繪圖可以將其可視化，該圖稱為阻抗曲線。最常見類型的揚聲器是使用連接到振膜或紙盆的音圈的機電換能器。動圈式揚聲器中的音圈懸掛在由永磁體提供的磁場中。當電流從音頻放大器流過音圈時，由線圈中的電流產(chǎn)生的電磁場對永磁體的固定場作出反應并移動音圈和揚聲器紙盆。交替電流將來回移動紙盆。這種運動使空氣振動并產(chǎn)生聲音。揚聲器的移動系統(tǒng)（包括紙盆、彈波、紙盆支片和音圈）具有一定的質(zhì)量和特定的順序。通常將這種情況模擬成由彈簧懸掛起來的簡單質(zhì)量塊，其具有一定的諧振頻率，系統(tǒng)在該共振頻率下有最大的振動自由度。

該頻率被稱為揚聲器的自由空間諧振，表示為F S。在該頻率下，由于音圈以最大峰峰值幅度和速度振動，因此磁場中線圈運動產(chǎn)生的反電動勢也處于其最大值。這會導致?lián)P聲器的有效電阻抗在F S下達到最大值，稱為ZMAX。對于剛好低于諧振頻率的頻率，當頻率接近F S時，阻抗會迅速上升并且具有電感性質(zhì)。在諧振頻率下，阻抗具有純阻性的特點；在諧振頻率以外，隨著阻抗下降，就會呈現(xiàn)容性的特點。阻抗在某個頻率處達到最小值ZMIN，在該頻率下，其行為在某些頻率范圍內(nèi)主要（但不是完全）具有阻性的特點。揚聲器的額定或標稱阻抗ZNOM來自該ZMIN值。在為多個驅(qū)動器揚聲器和用于安裝揚聲器的物理機箱設計交叉濾波器網(wǎng)絡時，了解諧振頻率以及最小阻抗和最大阻抗至關重要。

揚聲器阻抗模型

為了幫助您理解將要進行的測量，圖1中顯示了一個簡化的揚聲器電氣模型。

在圖1所示電路中，一個直流電阻與由L、R和C構成的有損并行諧振電路串聯(lián)，來模擬目標頻率范圍內(nèi)揚聲器的動態(tài)阻抗。

* RDC是用直流歐姆表測量的揚聲器直流電阻。在揚聲器/重低音喇叭數(shù)據(jù)手冊中，該直流電阻通常稱為DCR。直流電阻測量值通常小于驅(qū)動器的標稱阻抗Z NOM。R DC通常小于揚聲器額定阻抗，并且入門級揚聲器發(fā)燒友可能擔心驅(qū)動器放大器會過載。但是，由于揚聲器的電感(L)會隨著頻率的增加而增加，因此驅(qū)動放大器不太可能將直流電阻視為其負載。

* L是通常以毫亨(mH)為單位測量的音圈電感。通常，業(yè)界標準是在頻率為1000 Hz時測量音圈電感。隨著頻率增加到0Hz以上，阻抗會增加到RDC以上。這是因為音圈就如一個電感。

因此，揚聲器的總阻抗并非恒定阻抗。如此一來，我們可以將其表示為隨輸入頻率變化的動態(tài)曲線；我們將在進行測量時看到這一點。揚聲器的最大阻抗Z MAX出現(xiàn)在揚聲器的諧振頻率處。

* F S是揚聲器的諧振頻率。揚聲器的阻抗在F S達到最大值。諧振頻率是指揚聲器活動零件的總質(zhì)量與運動時揚聲器懸架的受力達到平衡的時候。諧振頻率信息對于防止機箱鳴叫至關重要。一般而言，影響諧振頻率的關鍵要素是活動零件的質(zhì)量和揚聲器懸架的剛度。我們將通風機箱（低音反射）調(diào)到FS，使兩者協(xié)同工作。通常，F(xiàn)S較低的揚聲器在低頻再現(xiàn)方面優(yōu)于FS較高的揚聲器。

* R表示驅(qū)動器懸架損耗的機械阻力。

材料：

* ADALM1000硬件模塊
* 無焊實驗板
* 兩個100Ω（或任何類似值）電阻
* 來自ADALP2000套件的一個揚聲器（如果揚聲器的紙盆直徑大于4英寸，則其諧振頻率相對較低）

說明：

首先構建圖3所示電路，最好使用無焊實驗板。揚聲器可以放置在機箱中或機箱外。這種配置允許我們使用通道B電壓跡線測量揚聲器兩端的電壓VL，并用負載電流IL作為通道A電流跡線。

啟動ALICE Desktop軟件。在主“Scope”（示波器）屏幕中，ALICE軟件計算并能顯示電壓和電流波形跡線的均方根值。在“C AMeas”下拉菜單下的電壓部分中，選擇“RMS”，然后在電流部分選擇“RMS”。在“CB Meas”下拉菜單下的電壓部分中，選擇“RMS”。

我們可以將揚聲器兩端的均方根電壓（通道B均方根電壓）除以通過揚聲器的均方根電流（通道A均方根電流），從而計算出單一頻率下的揚聲器阻抗Z。要顯示此計算，我們可以使用“Channel B User”（通道B用戶）測量顯示。用到的兩個變量是通道B均方根電壓SV2和通道A均方根電流SI1。單擊“CB Meas”下拉菜單下的“User”（用戶）。輸入“Z”作為標簽。輸入（SV2/SI1）×1000作為公式。因為電流是用mA表示的，所以，我們需要將比率乘以1000，得到以歐姆為單位的結果。嘗試將通道A設置為幾個不同的頻率，并查看揚聲器上的電壓以及計算得到的Z如何變化。

使用ALICE Bode Plotter的步驟：

選擇“Bode繪圖”工具。在“曲線”菜單中選擇“CA-dBV”、“CB-dBV”和“相位B-A”。

在“Options”（選項）下拉菜單下，單擊“Cut-DC”選中（若尚未選擇）。將“FFT零填充因子”更改為3。將“Channel A Min”（通道A最小值）設為1.0 V，將最大值設為4.0 V。將“AWG A Mode（AWG A模式）設為“SVMI”并將“Shape”（形狀）設為“Sine”（正弦）。將“AWG Channel BMode”（AWG通道B模式）設為“Hi-Z”。確保“Sync AWG”復選框已選中。

使用“Start Frequency”（開始頻率）條目將頻率掃描設為在50Hz開始，并使用“Stop Frequency”（停止頻率）條目將掃描設為在1000 Hz停止。選擇“CHA”作為要掃描的源通道。同時使用“Sweep Steps”（掃描步驟）條目將頻率步進設為150。選擇“Single Sweep”（單掃描）。

現(xiàn)在以幅度而非dB為單位（以簡化后面的數(shù)學計算）將數(shù)據(jù)導出為逗號分隔格式的值文件（“File”（文件）菜單——“SaveData”（保存數(shù)據(jù)））并將其加載到電子表格程序（如Excel）中。您將使用此文件中的50 Hz至1000 Hz通道B數(shù)據(jù)作為VL值。注意相位處于正最大值、零點和負最小值時的頻率點。屏幕上的數(shù)據(jù)以dB為單位繪制，因此垂直刻度單位不是伏特。您的揚聲器可能與此示例有所不同。

將數(shù)據(jù)保存為幅度，就能將信號發(fā)生器幅度（以伏特rms為單位）保存到文件中。您可以將揚聲器兩端的電壓VL除以電流IL，由此計算揚聲器阻抗Z的大小。IL是電阻兩端的電壓除以電阻得到的商。

從通道A電壓幅度值中減去通道B電壓幅度值并除以50Ω電阻，即可計算電流幅度I L。阻抗Z為通道B電壓幅度除以電流幅度I L得到的商。現(xiàn)在即可繪制計算得到的阻抗Z與頻率的關系曲線。曲線圖如圖6所示。您的揚聲器可能與此例有所不同。

揚聲器阻抗小——約等于線性區(qū)域中的直流電阻——但在諧振頻率FS處要高得多。

使用ALICE阻抗分析儀測量揚聲器阻抗的步驟：

通道B再次測量揚聲器兩端的電壓VL。阻抗分析儀軟件使用通道A電壓與通道B電壓的差值以及通道之間的相對相位，基于R1和R2組合的值計算阻抗。

打開ALICE阻抗分析儀軟件工具。

使Ext Res = 50，將“Channel A Freq”（通常A頻率）設為遠低于揚聲器諧振頻率的值。在這個作為第一次測量的示例中，所用頻率為100Hz。將“Ohms / div”設為10。從圖8可以看出，相位角應該是正值。揚聲器的串聯(lián)電阻約為7Ω，電抗具有感性性質(zhì)。

現(xiàn)在將頻率設為從頻率掃描得到的諧振值。您可能需要精確調(diào)整該值，找到電抗為零的確切點，如圖9所示。

該結果應與頻率掃描的結果一致。相位角應該很小，串聯(lián)電阻現(xiàn)在大約是15Ω。現(xiàn)在將頻率設為高于諧振頻率的點，其中，相位接近其負峰值，如圖10所示。這里使用的是500 Hz。

從數(shù)據(jù)可以看出，相位角應該是負值。揚聲器的串聯(lián)電阻仍然約為7Ω，但電抗具有容性性質(zhì)。

注釋：

與所有ALM實驗室一樣，我們在引述ADALM1000連接器的連接和配置硬件時，會使用以下術語。綠色陰影矩形表示接入ADALM1000模擬I/O連接器的連接。模擬I/O通道引腳稱為CA和CB。當硬件配置為驅(qū)動電壓/測量電流時，添加-V，例如CA-V；當硬件配置為驅(qū)動電流/測量電壓時，添加-I，例如CA-I。當通道配置為高阻態(tài)模式以僅測量電壓時，添加-H，例如CA-H。類似地，示波器跡線也是通過通道和電壓/電流表示的，例如，用CA-V、CB-V表示電壓波形，用CA-I、CB-I表示電流波形。

作者介紹

Doug Mercer [doug.mercer@analog.com]于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

Antoniu Miclaus [antoniu.miclaus@analog.com]現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為實驗室電路?和QA流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞Cluj-Napoca加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學軟件工程碩士項目的理學碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。