2020年“TI”杯辽宁省大学生电子设计竞赛
放大器非线性失真研究装置（E题）
【本科组】
摘 要
非线性失真亦称波形失真，表现为输出信号与输入信号不成线性关系，由电子元器特性：曲线的非线性所引起，使输出信号中产生新的谐波成分，改变了原信号频谱。
一个理想的放大器，其输出信号应当如实的反映输入信号，即他们尽管在幅度上不同，时间上也可能有延迟，但波形应当是相同的。但是，在实际放大器中，当放大器件的工作点进入了特性曲线的非线性区，使输入信号和输出信号不再保持线性关系，就会产生非线性失真。
通过对基极偏置电阻和基极偏置电压的操作，实现题中描述的不同现象，将采集完成的数据进行FFT分析后计算是最简单的实现思路。
关键字：放大器非线性失真 单片机 AD转换 THD FFT
目 录 目 录 1系统方案 4 1.1 晶体管放大器模块的论证与选择 4 1.2 微控制器模块的论证与选择 4 1.3 采集测量模块的论证与选择 5 2电路与程序设计 5 2.1系统总体框图 5 2.1.1系统总体框图 5 2.2电路原理图 6 2.2.1 单片机原理图 6 2.2.2前端放大电路原理图 7 3.2程序的设计 7 3.2.1程序功能描述与设计思路 7 3.2.2程序流程图 8 4测试方案与测试结果 8 4.1测试方案 8 4.2 测试条件与仪器 8 4.3 测试结果及分析 8 4.3.1测试结果 8 4.3.2测试分析与结论 8 放大器非线性失真研究装置（E题） 【本科组】 1系统方案本系统主要由晶体管放大器模块，微控制器模块，采集测量模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1.1 晶体管放大器模块的论证与选择方案一： 采用单放大器模块完成。 单放大器想要完成设计任务，需要非常复杂的外部控制电路来模拟状态，以输出不同的波形，理论上通过改变偏置电阻等方法可以完成设计，但是这样不如采用多模块连接简练方便，也添加了相当多的泛用性不强的部分。在理论部分，可以想到该方法的PCB设计将会非常麻烦。 方案二： 采用三个放大器模块级联，完成放大电路的设计。 三个放大器级联，完成普通输出与上，下失真可以改变Rb来实现，完成双失真，即使得输出电压超过三极管在当前工作状态下的最大可输出电压；交变失真可以通过基极偏置电压小于与发射极之间二极管的开启电压。因此，级联法可以借助开关，实现各模块功能。 综合以上两种方案，选择方案二。 1.2 微控制器模块的论证与选择方案一： 利用可调电阻的电压，来选择不同的模式。 使用可调电阻上面所分到的电压作为基准电压，也就是硬件上实现了一个闭环控制，从而达到回路中电流的恒定，但是利用可调电阻，分得的电压很难达到一个自己想要的恒定区间，而且在操作上由很大的主观性，不同的挡位没法确定地选定范围。 方案二： 采用MSP430单片机，通过模拟开关进行前端放大电路的模式转变。 由于MSP340单片机可以通过直接烧写，编程通过不同的按键实现模式转换，在实际应用中，模拟开关功耗低、速度快、无机械触点、体积小，更加方便快捷。 综合以上两种方案，单片机操作更加方便快捷，比起可调电阻调节，单片机+模拟开关方案更能符合“微控制器”，因此选择方案二。 1.3 采集测量模块的论证与选择方案一： 使用仪表进行采集测量。 这样的好处是显示明显，易于读数，如果能进行THD测量，则更为方便。不过能进行频谱分析的仪表，不一定有进行题目要求的THD自动测量，也很难完成要求的自动测量。 方案二： 使用MSP430单片机直接进行信号采集测量，并完成五种输出电压的“总谐波失真”近似值计算。 仪表不一定能直接进行THD测量；而且如果采用其他计算模块进行计算，不如直接利用单片机进行计算。MSP430单片机硬件性能可以满足fft计算要求，因此直接使用此单片机进行编程，并进行相关的输出，一体化简便快捷。
由于MSP430单片机测量采集过程更为自动，准确，方便进行频谱分析，有利于进行THD自动测量，故采用方案二。 2电路与程序设计2.1系统总体框图
2.1.1系统总体框图系统总体框图
单片机是使用TI的MSP430芯片，液晶使用的是AMEP的彩色液晶显示模块 2.2电路原理图2.2.1 单片机原理图
2.2.2前端放大电路原理图
三极管发射结没有正向导通进入截止区，常见的原因是基极偏置电阻RB过大，引起静态工作点过低。饱和失真：三极管发射结没有反向偏置进入饱和区，常见的原因是基极偏置电阻RB过小，引起静态工作点过高。双向失真：输出电压超过三极管在当前工作状态下的最大可输出电压，是截止失真和饱和失真同时出现的结果。交越失真：基极偏置电压小于与发射极之间二极管的开启电压，使得二极管处在非完全导通状态，从而出现过零点的失真， 前端放大电路含三个三极管。 3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述 根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示 1）键盘实现功能：模式的切换 2）显示部分：显示THD结果 测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试 连接示波器，按照题目要求进行调试。 2、软件仿真测试 软件测试我们选择在搭好的硬件上直接测试，结果正常。 3、硬件软件联调 软件测试我们选择在搭好的硬件上直接测试，结果正常。 4.2 测试条件与仪器信号源（输出频率 1kHz、峰峰值 20mV的正弦波） 示波器 4.3 测试结果及分析 4.3.1测试结果按照测试要求进行测试 4.3.2测试分析与结论根据上述测试结果，本设计能达到如下要求： （1） 放大器能够输出无明显失真的正弦电压U0，显示其“总谐波失真”近似值 （2）放大器能够输出有“顶部失真”的电压U0，显示其“总谐波失真”近似值 （3）放大器能够输出有“底部失真”的电压U0，显示其“总谐波失真”近似值 （4）放大器能够输出有“双向失真”的电压 U0 ，显示其“总谐波失真”近似值 综上所述，本设计达到上述设计要求。
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