CN112532186A - 一种用于音频信号测量的测量放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于音频信号测量的测量放大器，包括信号采集单元、信号处理单元、模数转换单元和微处理模块，信号采集单元、信号处理单元、模数转换单元和微处理模块依次相连，信号处理单元根据采集的音频信号的幅度大小，对微弱信号进行放大处理，对大信号进行衰减处理，对其余信号不予处理，再将经信号处理单元处理过的音频信号进行模数转换，然后发送至微处理模块计算获取采集的音频信号的实际测量值，扩大了测量放大器的测量精度和量程范围，能够满足微弱信号和大信号的测量要求，并降低了测量放大器自身的本底噪声。

Description

一种用于音频信号测量的测量放大器

技术领域

本发明涉及测量放大器技术领域，尤其涉及一种用于音频信号测量的测量放大器。

背景技术

测量放大器能够将微弱的电信号进行放大并测量，一般放大倍数比较大且可调，广泛应用在微弱信号的检测系统中。测量放大器的性能主要体现以下几个指标：频率特性、线性度、测量精度、量程范围等。量程范围取决于两个因素：测量下限和测量上限。通俗的讲，动态范围足够大的放大器，既要能够测量很微弱的小信号，还要能够测量大信号。测量下限主要取决于电路系统自身的本底噪声水平。在大部分现有的方案或产品中，其方案一般采用信号放大电路加模数转换器的测量方式，本底噪声比较大、量程范围小、精度低、满足不了微弱信号或者大信号的测量要求。

例如，中国专利文献CN106208977A公开了“低频低噪声测量放大器”，包括噪声匹配变压器、前置级放大电路、带通滤波器和后级放大电路四部分，上述专利文献的不足之处在于测量精度低、量程范围小，满足不了微弱信号和大信号的测量要求。

发明内容

本发明主要解决原有的测量放大器测量精度低、量程范围小、满足不了微弱信号和大信号的测量要求的技术问题；提供一种用于音频信号测量的测量放大器，信号处理单元根据采集的音频信号的幅度大小，对微弱信号进行放大处理，对大信号进行衰减处理，对其余信号不予处理，微处理模块计算获取采集的音频信号的实际测量值，扩大了测量放大器的测量精度和量程范围，能够满足微弱信号和大信号的测量要求。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括信号采集单元、信号处理单元、模数转换单元和微处理模块，所述信号采集单元、信号处理单元、模数转换单元和微处理模块依次相连，所述信号采集单元用于采集音频信号，所述信号处理单元用于根据所述音频信号的幅度对音频信号进行放大处理、衰减处理或不予处理，所述模数转换单元用于将模拟信号转换成数字信号，所述微处理模块用于计算获取音频信号的实际测量值。

信号处理单元根据采集的音频信号的幅度大小，对微弱信号进行放大处理，对大信号进行衰减处理，对其余信号不予处理，再将经信号处理单元处理过的音频信号进行模数转换，然后发送至微处理模块计算获取采集的音频信号的实际测量值，扩大了测量放大器的测量精度和量程范围，能够满足微弱信号和大信号的测量要求，并降低了测量放大器自身的本底噪声。

作为优选，所述的信号处理单元包括信号继电器A、信号继电器B、衰减电路、放大电路、继电器驱动电路和信号检测模块，所述信号检测模块的输入端与所述信号采集单元相连，所述信号检测模块的输出端与继电器驱动电路的输入端相连，所述继电器驱动电路的输出端与信号继电器A和信号继电器B相连，所述信号采集单元通过信号继电器A的常闭接点与信号继电器B相连，所述信号采集单元通过信号继电器A的常开接点与衰减电路相连，所述衰减电路与信号继电器B相连，所述信号继电器B的常闭接点与所述模数转换单元相连，所述信号继电器B的常开接点通过放大电路与所述模数转换单元相连。

测量放大器分为高量程、中量程和低量程三个量程，高量程用来测量幅度很大的信号，中量程用于测量幅度适中的信号，低量程用于测量幅度很微弱的信号，信号检测模块用于检测采集到的音频信号的幅度大小，并根据幅度大小，选择不同的量程进行信号处理，选择高量程时，继电器驱动电路驱动信号继电器A的线圈通电，信号继电器A的常闭接点断开，常开接点闭合，采集的音频信号通过信号继电器A进入到衰减电路，再通过信号继电器B进入模数转换模块；选择中量程时，继电器驱动电路不驱动信号继电器A和信号继电器B，采集的音频信号通过信号继电器A进入到信号继电器B，再通过信号继电器B进入模数转换模块；选择低量程时，继电器驱动电路驱动信号继电器B的线圈通电，信号继电器B的常闭接点断开，常开接点闭合，采集的音频信号通过信号继电器A进入到信号继电器B，再通过信号继电器B进入到放大电路，最后从放大电路进入到模数转换模块，能够测量幅度很大、幅度适中和幅度微弱的信号，扩大了量程范围。

作为优选，所述的信号处理单元通过程控单元与所述模数转换单元相连，所述程控单元包括放大电路A和放大电路B，所述放大电路A和放大电路B并列设置。

采集的音频信号在经过信号处理单元的处理后，同时进入放大电路A和放大电路B，放大电路A和放大电路B的放大倍数不同，且分别与模数转换模块的两个独立通道相连接，经模数转换后的数据由微处理模块进行混合运算，以提高电路的动态范围。微处理器根据输入信号的幅度自动实现放大电路A和放大电路B的切换，而且整个切换过程由软件来实现，响应速度快，可以做到零延时。通过两个放大倍数不同的放大电路，可以使信号始终保持在接近模数转换模块满量程的范围，减少信号的失真，提高转换精度。

作为优选，所述的继电器驱动电路包括驱动电路A和驱动电路B，所述驱动电路A用于驱动信号继电器A，所述驱动电路B用于驱动信号继电器B，所述驱动电路A和驱动电路B的结构相同，所述驱动电路A包括继电器供电电源、电阻R1、三级管Q1和二极管D1，所述三级管Q1的基极通过电阻R1和所述信号检测模块相连，所述三级管Q1的发射极接地，所述三级管Q1的集电极与信号继电器A的线圈的一端相连，所述信号继电器A的线圈的另一端与继电器供电电源相连，所述信号继电器A的线圈的两侧并联连接有二极管D1，所述二极管D1的阴极与继电器供电电源相连，所述二极管D1的阳极与三级管Q1的集电极相连。

作为优选，所述的信号处理单元包括选择开关A、选择开关B、衰减电路、放大电路、开关驱动模块和信号检测模块，所述信号检测模块的输入端与所述信号采集单元相连，所述信号检测模块的输出端与开关驱动模块的输入端相连，所述开关驱动模块的输出端与选择开关A和选择开关B相连，所述信号采集单元通过选择开关A的常闭接点与选择开关B相连，所述信号采集单元通过选择开关A的常开接点与衰减电路相连，所述衰减电路与选择开关B相连，所述选择开关B的常闭接点与所述模数转换单元相连，所述选择开关B的常开接点通过放大电路与所述模数转换单元相连。

作为优选，所述的开关驱动模块包括开关驱动电路A和开关驱动电路B，所述开关驱动电路A用于驱动选择开关A，所述开关驱动电路B用于驱动选择开关B，所述开关驱动电路A和开关驱动电路B的结构相同，所述开关驱动电路A包括供电电源、继电器A、电阻R3、三级管Q3、二极管D3和弹簧A，所述三级管Q3的基极通过电阻R3和所述信号检测模块相连，所述三级管Q3的发射极接地，所述三级管Q3的集电极与继电器A的线圈的一端相连，所述继电器A的线圈的另一端与供电电源相连，所述继电器A的线圈的两侧并联连接有二极管D3，所述二极管D3的阴极与供电电源相连，所述二极管D3的阳极与三级管Q3的集电极相连，所述继电器A的常开触点与弹簧A的一端相连，所述弹簧A的另一端与供电电源相连，所述弹簧A的两端分别与所述选择开关A的常开接点和常闭接点相连。

测量放大器分为高量程、中量程和低量程三个量程，高量程用来测量幅度很大的信号，中量程用于测量幅度适中的信号，低量程用于测量幅度很微弱的信号，信号检测模块用于检测采集到的音频信号的幅度大小，并根据幅度大小，选择不同的量程进行信号处理，选择高量程时，开关驱动电路A驱动继电器A的线圈通电，继电器A的常开接点闭合，弹簧A通电缩收，选择开关A的常开接点闭合，常闭接点断开，采集的音频信号通过选择开关A进入到衰减电路，再通过选择开关B进入模数转换模块；选择中量程时，开关驱动电路A不驱动继电器A的线圈通电，开关驱动电路B不驱动继电器B的线圈通电，采集的音频信号通过选择开关A进入到选择开关B，再通过选择开关B进入模数转换模块；选择低量程时，开关驱动电路B驱动继电器B的线圈通电，继电器B的常开接点闭合，弹簧B通电缩收，选择开关B的常开接点闭合，常闭接点断开，采集的音频信号通过选择开关A进入到选择开关B，再通过选择开关B进入到放大电路，最后从放大电路进入到模数转换模块，能够测量幅度很大、幅度适中和幅度微弱的信号，扩大了量程范围。

本发明的有益效果是：

1)信号处理单元根据采集的音频信号的幅度大小，对微弱信号进行放大处理，对大信号进行衰减处理，对其余信号不予处理，再将经信号处理单元处理过的音频信号进行模数转换，然后发送至微处理模块计算获取采集的音频信号的实际测量值，扩大了测量放大器的测量精度和量程范围，能够满足微弱信号和大信号的测量要求，并降低了测量放大器自身的本底噪声；

2)采集的音频信号在经过信号处理单元的处理后，同时进入放大电路A和放大电路B，放大电路A和放大电路B的放大倍数不同，且分别与模数转换模块的两个独立通道相连接，经模数转换后的数据由微处理模块进行混合运算，以提高电路的动态范围。微处理器根据输入信号的幅度自动实现放大电路A和放大电路B的切换，而且整个切换过程由软件来实现，响应速度快，可以做到零延时。通过两个放大倍数不同的放大电路，可以使信号始终保持在接近模数转换模块满量程的范围，减少信号的失真，提高转换精度。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构原理图。

图2是本发明实施例1的继电器驱动电路电路原理图。

图3是本发明实施例2的结构原理图。

图4是本发明实施例2的开关驱动模块电路原理图。

图中1、信号采集单元，2、信号处理单元，3、程控单元，4、模数转换单元，5、微处理模块，21、信号继电器A，22、信号继电器B，23、衰减电路，24、放大电路，25、信号检测模块，26、驱动电路A，27、驱动电路B，31、放大电路A，32、放大电路B，211、选择开关A，212、选择开关B，213、开关驱动电路A，214、开关驱动电路B，215、弹簧A，216、弹簧B。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：本实施例的一种用于音频信号测量的测量放大器，如图1所示，包括信号采集单元1、信号处理单元2、程控单元3、模数转换单元4和微处理模块5，信号处理单元包括信号继电器A21、信号继电器B22、衰减电路23、放大电路24、继电器驱动电路和信号检测模块25，程控单元包括放大电路A31和放大电路B32，继电器驱动电路包括驱动电路A26和驱动电路B27。在本实施例中，信号检测模块为内置音频信号幅度判断程序的单片机，模数转换单元为双通道模数转换器。

信号检测模块的输入端与信号采集单元相连，信号检测模块的输出端与驱动电路A的输入端和驱动电路B的输入端相连，驱动电路A的输出端与信号继电器A相连，驱动电路B的输出端和信号继电器B相连，信号采集单元与信号继电器A相连，信号继电器A的常闭接点KA1与信号继电器B相连，信号继电器A的常开接点KA2与衰减电路相连，衰减电路与信号继电器B相连，信号继电器B的常开接点KB2与放大电路连接，信号继电器B的常闭接点KB1与放大电路A和放大电路B的输入端相连，放大电路与放大电路A和放大电路B的输入端相连，放大电路A和放大电路B并联，放大电路A和放大电路B的输出端分别与双通道模数转换器的不同通道相连，双通道模数转换器的输出端与微处理模块相连。

继电器驱动电路如图2所示，左侧是驱动电路A，右侧是驱动电路B，驱动电路A和驱动电路B的结构相同。驱动电路A包括继电器供电电源、电阻R1、三级管Q1和二极管D1，三级管Q1的基极通过电阻R1和信号检测模块相连，三级管Q1的发射极接地，三级管Q1的集电极与信号继电器A的线圈的一端相连，信号继电器A的线圈的另一端与继电器供电电源相连，信号继电器A的线圈的两侧并联连接有二极管D1，二极管D1的阴极与继电器供电电源相连，二极管D1的阳极与三级管Q1的集电极相连。

测量放大器分为高量程、中量程和低量程三个量程，高量程用来测量幅度很大的信号，中量程用于测量幅度适中的信号，低量程用于测量幅度很微弱的信号。信号采集单元采集音频信号，信号检测模块从信号采集单元中获取音频信号，并判断采集到的音频信号的幅度大小，根据幅度大小，选择不同的量程进行信号处理。

选择高量程时，驱动电路A接收到信号检测模块的驱动信号，控制信号继电器A的线圈KA通电，信号继电器A的常闭接点KA1断开，常开接点KA2闭合，驱动电路B未接收到信号检测模块的驱动信号，信号继电器B的线圈KB不通电，信号继电器B的常闭接点KB1闭合，常开接点KB2断开，采集的音频信号通过信号继电器A进入到衰减电路，再通过信号继电器B进入同时进入放大电路A和放大电路B；选择中量程时，驱动电路A和驱动电路B未接收到信号检测模块的驱动信号，信号继电器A的线圈KA和信号继电器B的线圈KB均不通电，信号继电器A的常闭接点KA1闭合，常开接点KA2断开，信号继电器B的常闭接点KB1闭合，常开接点KB2断开，采集的音频信号通过信号继电器A进入到信号继电器B，再通过信号继电器B同时进入放大电路A和放大电路B；选择低量程时，驱动电路B接收到信号检测模块的驱动信号，控制信号继电器B的线圈KB通电，信号继电器B的常闭接点KB1断开，常开接点KB2闭合，驱动电路A未接收到信号检测模块的驱动信号，信号继电器A的线圈KA不通电，信号继电器A的常闭接点KA1闭合，常开接点KA2断开，采集的音频信号通过信号继电器A进入到信号继电器B，再通过信号继电器B进入到放大电路,最后从放大电路同时进入放大电路A和放大电路B。

放大电路A和放大电路B的放大倍数不同，且分别与双通道模数转换器的两个独立通道相连接，经模数转换后的数据由微处理模块进行混合运算，获取音频信号的实际测量值，提高了电路的动态范围。

信号处理单元根据采集的音频信号的幅度大小，对微弱信号进行放大处理，对大信号进行衰减处理，对其余信号不予处理，再将经信号处理单元处理过的音频信号进行模数转换，然后发送至微处理模块计算获取采集的音频信号的实际测量值，扩大了测量放大器的测量精度和量程范围，能够满足微弱信号和大信号的测量要求；微处理器根据输入信号的幅度自动实现放大电路A和放大电路B的切换，而且整个切换过程由软件来实现，响应速度快，可以做到零延时。通过两个放大倍数不同的放大电路，可以使信号始终保持在接近模数转换模块满量程的范围，减少信号的失真，提高转换精度。

假定放大电路在单位增益时产生的噪声值为V1，放大倍数为N1，放大电路A和放大电路B在单位增益时产生的噪声值为V2，放大倍数为1，双通道模数转换器产生的噪声值为V3，则微处理模块接收到的信号，其总的噪声值为：

经过微处理器运算后，实际的噪声能量值为：

有效降低了测量放大器的本底噪声值。

实施例2：本实施例的一种用于音频信号测量的测量放大器，如图3所示，与实施例1的不同之处在于，本实施例中的信号处理单元包括选择开关A211、选择开关B212、衰减电路、放大电路、开关驱动模块和信号检测模块，开关驱动模块包括开关驱动电路A213和开关驱动电路B214。

信号检测模块的输入端与信号采集单元相连，信号检测模块的输出端与开关驱动电路A的输入端和开关驱动电路B的输入端相连，开关驱动电路A的输出端与选择开关A相连，开关驱动电路B的输出端和选择开关B相连，信号采集单元与选择开关A相连，选择开关A的常闭接点KA11与选择开关B相连，选择开关A的常开接点KA22与衰减电路相连，衰减电路与选择开关B相连，选择开关B的常开接点KB22与放大电路连接，选择开关B的常闭接点KB11与放大电路A和放大电路B的输入端相连，放大电路与放大电路A和放大电路B的输入端相连，放大电路A和放大电路B并联，放大电路A和放大电路B的输出端分别与双通道模数转换器的不同通道相连，双通道模数转换器的输出端与微处理模块相连。

开关驱动模块如图4所示，左侧是开关驱动电路A，右侧是开关驱动电路B，开关驱动电路A和开关驱动电路B的结构相同。开关驱动电路A包括供电电源、继电器A、电阻R3、三级管Q3、二极管D3和弹簧A，三级管Q3的基极通过电阻R3和信号检测模块相连，三级管Q3的发射极接地，三级管Q3的集电极与继电器A的线圈的一端相连，继电器A的线圈的另一端与供电电源相连，继电器A的线圈的两侧并联连接有二极管D3，二极管D3的阴极与继供电电源相连，二极管D3的阳极与三级管Q3的集电极相连，继电器A的常开触点KJA与弹簧A的一端相连，弹簧A的另一端与供电电源相连。弹簧A215的两端分别与选择开关A的常开接点KA22和常闭接点KA11相连，弹簧B216的两端分别与选择开关B的常开接点KB22和常闭接点KB11相连。

测量放大器分为高量程、中量程和低量程三个量程，高量程用来测量幅度很大的信号，中量程用于测量幅度适中的信号，低量程用于测量幅度很微弱的信号。信号采集单元采集音频信号，信号检测模块从信号采集单元中获取音频信号，并判断采集到的音频信号的幅度大小，根据幅度大小，选择不同的量程进行信号处理。

选择高量程时，开关驱动电路A接收到信号检测模块的驱动信号，控制继电器A的线圈通电，继电器A的常开接点KJA闭合，弹簧A通电缩收，选择开关A的常开接点KA22闭合，常闭接点KA11断开，采集的音频信号通过选择开关A进入到衰减电路，再通过选择开关B进入同时进入放大电路A和放大电路B；选择中量程时，开关驱动电路A和开关驱动电路B未接收到信号检测模块的驱动信号，继电器A的线圈和继电器B的线圈均不通电，弹簧A和弹簧B均未缩收，选择开关A的常闭接点KA11闭合，常开接点KA22断开，选择开关B的常闭接点KB11闭合，常开接点KB22断开，采集的音频信号通过选择开关A进入到选择开关B，再通过选择开关B同时进入放大电路A和放大电路B；选择低量程时，开关驱动电路B接收到信号检测模块的驱动信号，控制继电器B的线圈通电，继电器B的常开接点KJB闭合，弹簧B通电缩收，选择开关B的常开接点KB22闭合，常闭接点KA11断开，采集的音频信号通过选择开关A进入到选择开关B，再通过选择开关B进入到放大电路,最后从放大电路同时进入放大电路A和放大电路B。

放大电路A和放大电路B的放大倍数不同，且分别与双通道模数转换器的两个独立通道相连接，经模数转换后的数据由微处理模块进行混合运算，获取音频信号的实际测量值，提高了电路的动态范围。

Claims (6)

1.一种用于音频信号测量的测量放大器，其特征在于，包括信号采集单元、信号处理单元、模数转换单元和微处理模块，所述信号采集单元、信号处理单元、模数转换单元和微处理模块依次相连，所述信号采集单元用于采集音频信号，所述信号处理单元用于根据所述音频信号的幅度对音频信号进行放大处理、衰减处理或不予处理，所述模数转换单元用于将模拟信号转换成数字信号，所述微处理模块用于计算获取音频信号的实际测量值。

2.根据权利要求1所述的一种用于音频信号测量的测量放大器 ，其特征在于，所述信号处理单元包括信号继电器A、信号继电器B、衰减电路、放大电路、继电器驱动电路和信号检测模块，所述信号检测模块的输入端与所述信号采集单元相连，所述信号检测模块的输出端与继电器驱动电路的输入端相连，所述继电器驱动电路的输出端与信号继电器A和信号继电器B相连，所述信号采集单元通过信号继电器A的常闭接点与信号继电器B相连，所述信号采集单元通过信号继电器A的常开接点与衰减电路相连，所述衰减电路与信号继电器B相连，所述信号继电器B的常闭接点与所述模数转换单元相连，所述信号继电器B的常开接点通过放大电路与所述模数转换单元相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于音频信号测量的测量放大器 ，其特征在于，所述信号处理单元通过程控单元与所述模数转换单元相连，所述程控单元包括放大电路A和放大电路B，所述放大电路A和放大电路B并列设置。

4.根据权利要求2所述的一种用于音频信号测量的测量放大器 ，其特征在于，所述继电器驱动电路包括驱动电路A和驱动电路B，所述驱动电路A用于驱动信号继电器A，所述驱动电路B用于驱动信号继电器B，所述驱动电路A和驱动电路B的结构相同，所述驱动电路A包括继电器供电电源、电阻R1、三级管Q1和二极管D1，所述三级管Q1的基极通过电阻R1和所述信号检测模块相连，所述三级管Q1的发射极接地，所述三级管Q1的集电极与信号继电器A的线圈的一端相连，所述信号继电器A的线圈的另一端与继电器供电电源相连，所述信号继电器A的线圈的两侧并联连接有二极管D1，所述二极管D1的阴极与继电器供电电源相连，所述二极管D1的阳极与三级管Q1的集电极相连。

5.根据权利要求1所述的一种用于音频信号测量的测量放大器 ，其特征在于，所述信号处理单元包括选择开关A、选择开关B、衰减电路、放大电路、开关驱动模块和信号检测模块，所述信号检测模块的输入端与所述信号采集单元相连，所述信号检测模块的输出端与开关驱动模块的输入端相连，所述开关驱动模块的输出端与选择开关A和选择开关B相连，所述信号采集单元通过选择开关A的常闭接点与选择开关B相连，所述信号采集单元通过选择开关A的常开接点与衰减电路相连，所述衰减电路与选择开关B相连，所述选择开关B的常闭接点与所述模数转换单元相连，所述选择开关B的常开接点通过放大电路与所述模数转换单元相连。

6.根据权利要求5所述的一种用于音频信号测量的测量放大器 ，其特征在于，所述开关驱动模块包括开关驱动电路A和开关驱动电路B，所述开关驱动电路A用于驱动选择开关A，所述开关驱动电路B用于驱动选择开关B，所述开关驱动电路A和开关驱动电路B的结构相同，所述开关驱动电路A包括供电电源、继电器A、电阻R3、三级管Q3、二极管D3和弹簧A，所述三级管Q3的基极通过电阻R3和所述信号检测模块相连，所述三级管Q3的发射极接地，所述三级管Q3的集电极与继电器A的线圈的一端相连，所述继电器A的线圈的另一端与供电电源相连，所述继电器A的线圈的两侧并联连接有二极管D3，所述二极管D3的阴极与供电电源相连，所述二极管D3的阳极与三级管Q3的集电极相连，所述继电器A的常开触点与弹簧A的一端相连，所述弹簧A的另一端与供电电源相连，所述弹簧A的两端分别与所述选择开关A的常开接点和常闭接点相连。

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