功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置的製作方法
2023-04-26 15:07:41
專利名稱：功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種多通道音頻功率放大器故障自動檢測和備份的設備，具體來說，涉及一種確保擴聲系統能夠穩定正常工作的多通道功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置。
背景技術：
在劇場固定安裝的擴聲應用以及各種流動文藝表演擴聲應用中，需要使用大量的音頻功率放大器，以驅動各式音箱滿足演出需求。由於功率放大器經常工作在大功率狀態下，功率放大器發熱嚴重，容易出現部分功率放大器損壞，如果某一功率放大器出現故障， 則相應的音箱將停止工作，而在擴聲應用中，往往一個音箱對應覆蓋一個擴聲區域，任何一個音箱不工作，都將導致其中一塊擴聲區域不能正常擴聲，嚴重影響演出效果。為了確保擴聲系統能夠穩定正常工作，擴聲鏈路中的音源、控制臺及處理器等設備大部分均提供備份功能，不少設備還支持自動熱備份。但是，目前在專業演出的擴聲應用中，功率放大器是出現故障率較高的設備，但備份還停留在手工備份，即需要預留備份功率放大器，當某臺功率放大器出現故障時，需要操作人員手動切換。採用這種方式，一來切換工作繁瑣，需要連接大量線路，而且操作時間較長，對演出也會造成實質性的影響。
實用新型內容針對以上的不足，本實用新型提供了一種確保擴聲系統能夠穩定正常工作的多通道功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置，當多通道功率放大器中的任何一個功率放大器出現故障時，系統將自動把備份通道中的功率放大器替換出現故障的工作通道中的功率放大器，以確保擴聲鏈路無故障工作。本實用新型的功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置包括用於形成η個獨立功率放大器通道的信號路由器、η通道的數位訊號處理器、η通道的功率放大器和η個揚聲器，其特徵在於，其中第個功率放大器通道為工作通道，第 Γη個功率放大器通道為備份通道，它還包括將備份通道替換出現故障的工作通道的熱備份單元。所述熱備份單元包括用於在數位訊號處理器的第1、通道內產生測試信號的信號發生器；用於分別對數位訊號處理器的第1、通道的每一通道內的音頻信號和測試信號進行混音處理的混音器；用於分別持續採樣功率放大器的第1、通道的輸出信號中的測試信號的信號檢測單元；用於將備份通道對應的替換出現故障的工作通道的開關切換單元；用於根據信號檢測單元採用的測試信號判斷出現故障的工作通道，以及控制信號路由器將備用通道上的數位訊號處理器的通道之一替換為出現故障的工作通道上的數位訊號處理器的通道的信號處理與控制單元。[0012]所述測試信號為超出正常聽覺上限，不為人耳所感知的信號。所述信號發生器產生的測試信號可以不同，也可以相同，這裡的信號發生器最佳為20kHz的正弦波信號發生器。所述信號檢測單元包括用於對混音信號進行隔離處理，以形成出正弦波信號的隔離耦合單元；用於對隔離出的正弦波信號進行信號放大的緩衝放大單元；用於對放大後的正弦波信號進行整形處理，以形成方波信號的整形單元。所述信號處理與控制單元包括分別對每一信號檢測單元採樣檢測的採樣信號進行持續統計的計數器；根據計數器統計的結果判斷出現故障的工作通道，以及控制信號路由器將備用通道上的數位訊號處理器的通道之一替換為出現故障的工作通道上的數位訊號處理器的通道的微處理器單元。本實用新型的有益效果本實用新型通過將形成有多個獨立通道的功率放大器分為工作通道和備份通道，在每個工作通道的輸入端增加一個測試信號，然後通過信號檢測單元分別對每個工作通道上的功率放大器的輸出端進行實時監控採樣，如果各工作通道上的信號檢測單元能夠持續檢測到採樣信號(測試信號)，則證明該工作通道上的功率放大器正常工作，如果其中一個或者幾個工作通道上的信號檢測單元不能持續檢測到採樣信號， 則說明該工作通道上的功率放大器不能正常工作，則可以通過信號處理與控制單元和開關切換單元將備份通道上的功率放大器對應替換出現故障的工作通道上的功率放大器，以保證原來的每一個工作通道上的揚聲器仍然能夠正常工作；而本實用新型的測試信號採用 20kHz的正弦波，不會為人耳所感知，不會影響影響整體聲音的效果，也便於準確的採樣和處理，準確率極高。
圖1為本實用新型的功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置的結構原理圖；圖2為本實用新型的故障檢測實施原理圖；圖3為本實用新型的熱備份實施原理圖；圖4為本實用新型的信號路由器的實現原理圖；圖5為本實用新型的數位訊號處理器的實現原理圖；圖6為本實用新型的開關切換單元的實現原理圖；圖7為本實用新型的信號檢測單元的隔離耦合單元的電路原理圖；圖8為本實用新型的緩衝放大單元和方波整形單元的電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進行進一步闡述。如圖1所示，本實用新型的功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置，它包括用於形成η個獨立功率放大器通道的信號路由器、η通道的數位訊號處理器、η通道的功率放大器和η個揚聲器，其中第1、個功率放大器通道為工作通道，第πΓη個功率放大器通道為備份通道，它還包括將備份通道替換出現故障的工作通道的熱備份單元。[0032]所述熱備份單元包括用於在數位訊號處理器的第1、通道內產生測試信號的信號發生器；用於分別對數位訊號處理器的第1、通道的每一通道內的音頻信號和測試信號進行混音處理的混音器；用於分別持續採樣功率放大器的第1、通道的輸出信號中的測試信號的信號檢測單元；用於將備份通道對應的替換出現故障的工作通道的開關切換單元； 用於根據信號檢測單元採用的測試信號判斷出現故障的工作通道，以及控制信號路由器將備用通道上的數位訊號處理器的通道之一替換為出現故障的工作通道上的數位訊號處理器的通道的信號處理與控制單元。其中，上述的測試信號為超出正常聽覺上限，不為人耳所感知的信號，每一所述工作通道內增加的測試信號可以不同，也可以相同，本實用新型的測試信號優先考慮為統一的20kHz的正弦波信號。所述信號檢測單元包括用於對混音信號進行隔離處理，以形成出正弦波信號的隔離耦合單元；用於對隔離出的正弦波信號進行信號放大的緩衝放大單元；用於對放大後的正弦波信號進行整形處理，以形成方波信號的整形單元。所述信號處理與控制單元包括分別對每一信號檢測單元採樣檢測的採樣信號進行持續統計的計數器；根據計數器統計的結果判斷出現故障的工作通道，以及控制信號路由器將備用通道上的數位訊號處理器的通道之一替換為出現故障的工作通道上的數位訊號處理器的通道的微處理器單元。本實用新型的故障檢測實施原理圖2所示，每個通道上的數位訊號處理器中除常規的音頻信號處理器外，增加一個20kHz的正弦波信號發生器和一個2X1混音器，20kHz 的正弦波信號作為功率放大器工作狀態的測試信號，該信號超出了正常人的聽覺上限，不會被人耳所感知。該信號和音頻輸入信號混音後共同輸出給功率放大器，信號經功率放大器放大後輸出，同時饋給信號檢測單元，信號檢測單元由隔離耦合單元、緩衝放大單元和方波整形單元組成，通過信號檢測單元檢測採樣測試信號，並轉化為20kHz的方波信號輸出， 方波信號輸出給信號處理與控制單元的計數器，供檢測功率放大器工作狀態。故障檢測的工作原理如下信號處理與控制單元的計數器對計數器進行連續計數，判斷是否持續輸入 20KHz的方波信號，如在三個周期內(每個周期0. 05毫秒)，均未能檢測到方波信號，則判斷該功率放大器沒有信號輸出，從而判斷出該功率放大器出現故障，計數器採用微處理器軟體計數的方式工作，對故障的判斷響應時間極短，如以三個檢測信號周期為判斷依據，響應時間僅0. 15毫秒，對擴聲系統而言，該時間非常短，人耳難以察覺。信號檢測單元中的隔離耦合單元的電路原理如圖7所示，它有電阻R13、電容C43 和變壓器Tl組成，該電路採用隔離變壓器Tl進行隔離耦合。信號檢測單元中的緩衝放大單元和方波整形單元的電路原理如圖8所示，各元件的功能如下U20A及其外圍元件構成10倍放大器，對檢測信號(測試信號)放大，U20B及外圍元件構成比較器，將正弦波的測試信號轉換為方波信號，輸出給微處理器進行計數。多通道功率放大器的熱備份原理如圖3所示，該示例有η臺功率放大器，其中功率放大器1、為工作通道，功率放大器η為備份通道，當系統進入正常工作狀態時，音頻輸入信號1經信號路由器輸出給數位訊號處理電路1，經處理後輸出給功率放大器1，此時開關 1吸合(開關η+1打開)，放大後的信號輸出給功率放大輸出1埠(揚聲器1)。當功率放大器1出現故障時，信號處理與控制單元將音頻輸入信號1經信號路由器輸出給數位訊號處理電路n，經處理後輸出給功率放大器n，此時開關1打開，開關n+1吸合，這樣，放大後的信號還是輸出給功率放大輸出1埠(揚聲器1)，該工作原理同時適用於多個備份通道對多個工作通道進行備份。下面僅以8通道的功率放大器為例作說明，且其中第廣7個通道為工作通道，第8 通道為備份通道如圖4、圖5和圖6所示，本實用新型的功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置的信號路由器，本示例具有8路輸入和8路輸出，8路輸入信號和8路輸出信號可以任意路由配置，它由8通道的緩衝放大電路和8*16切換矩陣組成，8通道緩衝放大電路負責對輸入信號進行緩衝放大，放大後的信號輸出給切換矩陣，切換矩陣為8*16模擬開關矩陣，8 路輸出給多通道信號處理器，8通道輸出給信號檢測電路。本示例為8通道數位訊號處理器，信號處理和控制單元可以根據功率放大器的工作狀態實時配置各個數位訊號處理器的參數，它由8通道的數位訊號處理電路、8通道緩衝放大電路、正弦波信號發生器和混音器組成，8通道數位訊號處理電路負責對輸入的音頻信號進行均衡、延時和壓縮限幅等處理， 正弦波信號發生器用於產生作為功率放大器工作狀態的檢測信號的20kHz的正弦波信號， 混音器將20kHz的正弦波信號和音頻信號混合輸出，緩衝放大電路負責對音頻信號進行緩衝放大輸出。本示例為8通道功率放大器，信號處理和控制單元可以根據功率放大器的工作狀態配置各個開關的開關狀態。信號檢測單元負責檢測各輸出功率放大器的工作狀態。 信號處理和控制單元負責整個裝置的故障檢測和故障功率備份等各種功能，採用32位MCU 單片計算機及EEPROM儲存器組成，MCU實時監測各個功率放大器的工作狀態，當發現任何一臺功率放大器通道出現故障時，將即時進行備份切換，並發出故障指示。開關切換單元具有15個開關，由信號處理和控制單元根據需要實時控制每個開關的吸合狀態。工作原理如下當系統上電後，信號處理和控制單元先檢測開關切換單元的8個輸出端是否處於正常工作狀態(即無開路及無短路)，確認正常後，吸合開關1 開關8，此時，功率放大器1 7進入工作狀態，功率放大器8處於備份狀態，此時，8路功率放大器的輸出分別連接在開關切換單元的8個輸入端。在系統進入工作狀態後，信號處理和控制單元實時檢測輸入信號狀態和功放輸出信號狀態，如檢測到第1通道的功率放大器出現故障，信號處理和控制單元將即時發送控制信號給信號路由器、數位訊號處理器及開關切換電路。首先將信號路由器的輸入信號1路由到信號輸出8，同時將第1通道的數位訊號處理器所有參數複製到第8通道的數位訊號處理器，處理完後控制開關切換電路的開關1及開關8為斷開狀態，開關9為吸合狀態，此時，第8通道的功率放大器切換為工作狀態。至此，完成對故障功率放大器1的備份切換，所有的一系列動作均由系統自動快速完成，切換時間短，功放外部無需變更任何連接線路，滿足各種擴聲需求。以上所述僅為本實用新型的較佳實施方式，本實用新型並不局限於上述實施方式，在實施過程中可能存在局部微小的結構改動，如果對本實用新型的各種改動或變型不脫離本實用新型的精神和範圍，且屬於本實用新型的權利要求和等同技術範圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型。
權利要求1.一種功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置，它包括用於形成η個獨立功率放大器通道的信號路由器、η通道的數位訊號處理器、η通道的功率放大器和η個揚聲器，其特徵在於，其中第1、個功率放大器通道為工作通道，第πΓη個功率放大器通道為備份通道， 它還包括將備份通道替換出現故障的工作通道的熱備份單元。
2.根據權利要求1所述的功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置，其特徵在於， 所述熱備份單元包括用於在數位訊號處理器的第1、通道內產生測試信號的信號發生器；用於分別對數位訊號處理器的第1、通道的每一通道內的音頻信號和測試信號進行混音處理的混音器；用於分別持續採樣功率放大器的第1、通道的輸出信號中的測試信號的信號檢測單元；用於將備份通道對應的替換出現故障的工作通道的開關切換單元；用於根據信號檢測單元採用的測試信號判斷出現故障的工作通道，以及控制信號路由器將備用通道上的數位訊號處理器的通道之一替換為出現故障的工作通道上的數位訊號處理器的通道的信號處理與控制單元。
3.根據權利要求2所述的功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置，其特徵在於， 所述測試信號為超出正常聽覺上限，不為人耳所感知的信號。
4.根據權利要求3所述的功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置，其特徵在於， 所述信號發生器產生的測試信號可以不同，也可以相同，這裡的信號發生器最佳為20kHz 的正弦波信號發生器。
5.根據權利要求4所述的功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置，其特徵在於， 所述信號檢測單元包括用於對混音信號進行隔離處理，以形成出正弦波信號的隔離耦合單元；用於對隔離出的正弦波信號進行信號放大的緩衝放大單元；用於對放大後的正弦波信號進行整形處理，以形成方波信號的整形單元。
6.根據權利要求5所述的功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置，其特徵在於， 所述信號處理與控制單元包括分別對每一信號檢測單元採樣檢測的採樣信號進行持續統計的計數器；根據計數器統計的結果判斷出現故障的工作通道，以及控制信號路由器將備用通道上的數位訊號處理器的通道之一替換為出現故障的工作通道上的數位訊號處理器的通道的微處理器單元。
專利摘要本實用新型公開了一種多通道功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置，它包括形成多個獨立通道的信號路由器、多通道數位訊號處理器、多通道功率放大器和多個揚聲器，其中，獨立通道分為工作通道和備份通道，它還包括在數位訊號處理器每個工作通道內產生測試信號的信號發生器、對數位訊號處理器每個工作通道內的音頻信號和測試信號進行混音處理的混音器、分別持續採樣功率放大器每個工作通道的輸出信號的信號檢測單元、將備份通道對應的替換出現故障的工作通道的開關切換單元和根據信號檢測單元採樣的測試信號判斷出現故障的工作通道，以及控制信號路由器將備用通道上的數位訊號處理器的通道替換為出現故障的工作通道的信號處理與控制單元。
文檔編號H03F1/52GK202059375SQ20112016257
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月20日 優先權日2011年5月20日
發明者李志雄 申請人:廣州勵豐聲光科技有限公司