專利名稱：功率放大器的故障自動檢測和熱備份的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)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(shè)備，具體來說，涉及一種確保擴聲系統(tǒng)能夠穩(wěn)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(shù)：
在劇場固定安裝的擴聲應(yīng)用以及各種流動文藝表演擴聲應(yīng)用中，需要使用大量的音頻功率放大器，以驅(qū)動各式音箱滿足演出需求。由于功率放大器經(jīng)常工作在大功率狀態(tài)下，功率放大器發(fā)熱嚴(yán)重，容易出現(xiàn)部分功率放大器損壞，如果某一功率放大器出現(xiàn)故障， 則相應(yīng)的音箱將停止工作，而在擴聲應(yīng)用中，往往一個音箱對應(yīng)覆蓋一個擴聲區(qū)域，任何一個音箱不工作，都將導(dǎo)致其中一塊擴聲區(qū)域不能正常擴聲，嚴(yán)重影響演出效果。為了確保擴聲系統(tǒng)能夠穩(wěn)定正常工作，擴聲鏈路中的音源、控制臺及處理器等設(shè)備大部分均提供備份功能，不少設(shè)備還支持自動熱備份。但是，目前在專業(yè)演出的擴聲應(yīng)用中，功率放大器是出現(xiàn)故障率較高的設(shè)備，但備份還停留在手工備份，即需要預(yù)留備份功率放大器，當(dāng)某臺功率放大器出現(xiàn)故障時，需要操作人員手動切換。采用這種方式，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(zhì)性的影響。

實用新型內(nèi)容針對以上的不足，本實用新型提供了一種確保擴聲系統(tǒng)能夠穩(wěn)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(dāng)多通道功率放大器中的任何一個功率放大器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將自動把備份通道中的功率放大器替換出現(xiàn)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于形成η個獨立功率放大器通道的信號路由器、η通道的數(shù)字信號處理器、η通道的功率放大器和η個揚聲器，其特征在于，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(xiàn)故障的工作通道的熱備份單元。所述熱備份單元包括用于在數(shù)字信號處理器的第1、通道內(nèi)產(chǎn)生測試信號的信號發(fā)生器；用于分別對數(shù)字信號處理器的第1、通道的每一通道內(nèi)的音頻信號和測試信號進行混音處理的混音器；用于分別持續(xù)采樣功率放大器的第1、通道的輸出信號中的測試信號的信號檢測單元；用于將備份通道對應(yīng)的替換出現(xiàn)故障的工作通道的開關(guān)切換單元；用于根據(jù)信號檢測單元采用的測試信號判斷出現(xiàn)故障的工作通道，以及控制信號路由器將備用通道上的數(shù)字信號處理器的通道之一替換為出現(xiàn)故障的工作通道上的數(shù)字信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(fā)生器產(chǎn)生的測試信號可以不同，也可以相同，這里的信號發(fā)生器最佳為20kHz的正弦波信號發(fā)生器。所述信號檢測單元包括用于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；用于對隔離出的正弦波信號進行信號放大的緩沖放大單元；用于對放大后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采樣檢測的采樣信號進行持續(xù)統(tǒng)計的計數(shù)器；根據(jù)計數(shù)器統(tǒng)計的結(jié)果判斷出現(xiàn)故障的工作通道，以及控制信號路由器將備用通道上的數(shù)字信號處理器的通道之一替換為出現(xiàn)故障的工作通道上的數(shù)字信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，然后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(jiān)控采樣，如果各工作通道上的信號檢測單元能夠持續(xù)檢測到采樣信號(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(xù)檢測到采樣信號， 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(guān)切換單元將備份通道上的功率放大器對應(yīng)替換出現(xiàn)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采用 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，也便于準(zhǔn)確的采樣和處理，準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)原理圖；圖5為本實用新型的數(shù)字信號處理器的實現(xiàn)原理圖；圖6為本實用新型的開關(guān)切換單元的實現(xiàn)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為本實用新型的緩沖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(jié)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，它包括用于形成η個獨立功率放大器通道的信號路由器、η通道的數(shù)字信號處理器、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(xiàn)故障的工作通道的熱備份單元。[0032]所述熱備份單元包括用于在數(shù)字信號處理器的第1、通道內(nèi)產(chǎn)生測試信號的信號發(fā)生器；用于分別對數(shù)字信號處理器的第1、通道的每一通道內(nèi)的音頻信號和測試信號進行混音處理的混音器；用于分別持續(xù)采樣功率放大器的第1、通道的輸出信號中的測試信號的信號檢測單元；用于將備份通道對應(yīng)的替換出現(xiàn)故障的工作通道的開關(guān)切換單元； 用于根據(jù)信號檢測單元采用的測試信號判斷出現(xiàn)故障的工作通道，以及控制信號路由器將備用通道上的數(shù)字信號處理器的通道之一替換為出現(xiàn)故障的工作通道上的數(shù)字信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(nèi)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(yōu)先考慮為統(tǒng)一的20kHz的正弦波信號。所述信號檢測單元包括用于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；用于對隔離出的正弦波信號進行信號放大的緩沖放大單元；用于對放大后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采樣檢測的采樣信號進行持續(xù)統(tǒng)計的計數(shù)器；根據(jù)計數(shù)器統(tǒng)計的結(jié)果判斷出現(xiàn)故障的工作通道，以及控制信號路由器將備用通道上的數(shù)字信號處理器的通道之一替換為出現(xiàn)故障的工作通道上的數(shù)字信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(shù)字信號處理器中除常規(guī)的音頻信號處理器外，增加一個20kHz的正弦波信號發(fā)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(tài)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后共同輸出給功率放大器，信號經(jīng)功率放大器放大后輸出，同時饋給信號檢測單元，信號檢測單元由隔離耦合單元、緩沖放大單元和方波整形單元組成，通過信號檢測單元檢測采樣測試信號，并轉(zhuǎn)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(shù)器，供檢測功率放大器工作狀態(tài)。故障檢測的工作原理如下信號處理與控制單元的計數(shù)器對計數(shù)器進行連續(xù)計數(shù)，判斷是否持續(xù)輸入 20KHz的方波信號，如在三個周期內(nèi)(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(xiàn)故障，計數(shù)器采用微處理器軟件計數(shù)的方式工作，對故障的判斷響應(yīng)時間極短，如以三個檢測信號周期為判斷依據(jù)，響應(yīng)時間僅0. 15毫秒，對擴聲系統(tǒng)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，該電路采用隔離變壓器Tl進行隔離耦合。信號檢測單元中的緩沖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(gòu)成10倍放大器，對檢測信號(測試信號)放大，U20B及外圍元件構(gòu)成比較器，將正弦波的測試信號轉(zhuǎn)換為方波信號，輸出給微處理器進行計數(shù)。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(dāng)系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)時，音頻輸入信號1經(jīng)信號路由器輸出給數(shù)字信號處理電路1，經(jīng)處理后輸出給功率放大器1，此時開關(guān) 1吸合(開關(guān)η+1打開)，放大后的信號輸出給功率放大輸出1端口(揚聲器1)。當(dāng)功率放大器1出現(xiàn)故障時，信號處理與控制單元將音頻輸入信號1經(jīng)信號路由器輸出給數(shù)字信號處理電路n，經(jīng)處理后輸出給功率放大器n，此時開關(guān)1打開，開關(guān)n+1吸合，這樣，放大后的信號還是輸出給功率放大輸出1端口(揚聲器1)，該工作原理同時適用于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通道的緩沖放大電路和8*16切換矩陣組成，8通道緩沖放大電路負(fù)責(zé)對輸入信號進行緩沖放大，放大后的信號輸出給切換矩陣，切換矩陣為8*16模擬開關(guān)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(shù)字信號處理器，信號處理和控制單元可以根據(jù)功率放大器的工作狀態(tài)實時配置各個數(shù)字信號處理器的參數(shù)，它由8通道的數(shù)字信號處理電路、8通道緩沖放大電路、正弦波信號發(fā)生器和混音器組成，8通道數(shù)字信號處理電路負(fù)責(zé)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(fā)生器用于產(chǎn)生作為功率放大器工作狀態(tài)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，緩沖放大電路負(fù)責(zé)對音頻信號進行緩沖放大輸出。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(jù)功率放大器的工作狀態(tài)配置各個開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)。信號檢測單元負(fù)責(zé)檢測各輸出功率放大器的工作狀態(tài)。 信號處理和控制單元負(fù)責(zé)整個裝置的故障檢測和故障功率備份等各種功能，采用32位MCU 單片計算機及EEPROM儲存器組成，MCU實時監(jiān)測各個功率放大器的工作狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)任何一臺功率放大器通道出現(xiàn)故障時，將即時進行備份切換，并發(fā)出故障指示。開關(guān)切換單元具有15個開關(guān)，由信號處理和控制單元根據(jù)需要實時控制每個開關(guān)的吸合狀態(tài)。工作原理如下當(dāng)系統(tǒng)上電后，信號處理和控制單元先檢測開關(guān)切換單元的8個輸出端是否處于正常工作狀態(tài)(即無開路及無短路)，確認(rèn)正常后，吸合開關(guān)1 開關(guān)8，此時，功率放大器1 7進入工作狀態(tài)，功率放大器8處于備份狀態(tài)，此時，8路功率放大器的輸出分別連接在開關(guān)切換單元的8個輸入端。在系統(tǒng)進入工作狀態(tài)后，信號處理和控制單元實時檢測輸入信號狀態(tài)和功放輸出信號狀態(tài)，如檢測到第1通道的功率放大器出現(xiàn)故障，信號處理和控制單元將即時發(fā)送控制信號給信號路由器、數(shù)字信號處理器及開關(guān)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(shù)字信號處理器所有參數(shù)復(fù)制到第8通道的數(shù)字信號處理器，處理完后控制開關(guān)切換電路的開關(guān)1及開關(guān)8為斷開狀態(tài)，開關(guān)9為吸合狀態(tài)，此時，第8通道的功率放大器切換為工作狀態(tài)。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(tǒng)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，本實用新型并不局限于上述實施方式，在實施過程中可能存在局部微小的結(jié)構(gòu)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范圍，且屬于本實用新型的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型。
權(quán)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，它包括用于形成η個獨立功率放大器通道的信號路由器、η通道的數(shù)字信號處理器、η通道的功率放大器和η個揚聲器，其特征在于，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(xiàn)故障的工作通道的熱備份單元。
2.根據(jù)權(quán)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，其特征在于， 所述熱備份單元包括用于在數(shù)字信號處理器的第1、通道內(nèi)產(chǎn)生測試信號的信號發(fā)生器；用于分別對數(shù)字信號處理器的第1、通道的每一通道內(nèi)的音頻信號和測試信號進行混音處理的混音器；用于分別持續(xù)采樣功率放大器的第1、通道的輸出信號中的測試信號的信號檢測單元；用于將備份通道對應(yīng)的替換出現(xiàn)故障的工作通道的開關(guān)切換單元；用于根據(jù)信號檢測單元采用的測試信號判斷出現(xiàn)故障的工作通道，以及控制信號路由器將備用通道上的數(shù)字信號處理器的通道之一替換為出現(xiàn)故障的工作通道上的數(shù)字信號處理器的通道的信號處理與控制單元。
3.根據(jù)權(quán)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，其特征在于， 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(jù)權(quán)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，其特征在于， 所述信號發(fā)生器產(chǎn)生的測試信號可以不同，也可以相同，這里的信號發(fā)生器最佳為20kHz 的正弦波信號發(fā)生器。
5.根據(jù)權(quán)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，其特征在于， 所述信號檢測單元包括用于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；用于對隔離出的正弦波信號進行信號放大的緩沖放大單元；用于對放大后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(jù)權(quán)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，其特征在于， 所述信號處理與控制單元包括分別對每一信號檢測單元采樣檢測的采樣信號進行持續(xù)統(tǒng)計的計數(shù)器；根據(jù)計數(shù)器統(tǒng)計的結(jié)果判斷出現(xiàn)故障的工作通道，以及控制信號路由器將備用通道上的數(shù)字信號處理器的通道之一替換為出現(xiàn)故障的工作通道上的數(shù)字信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(shù)字信號處理器、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(shù)字信號處理器每個工作通道內(nèi)產(chǎn)生測試信號的信號發(fā)生器、對數(shù)字信號處理器每個工作通道內(nèi)的音頻信號和測試信號進行混音處理的混音器、分別持續(xù)采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(yīng)的替換出現(xiàn)故障的工作通道的開關(guān)切換單元和根據(jù)信號檢測單元采樣的測試信號判斷出現(xiàn)故障的工作通道，以及控制信號路由器將備用通道上的數(shù)字信號處理器的通道替換為出現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2011年5月20日
發(fā)明者李志雄 申請人:廣州勵豐聲光科技有限公司