本帖最后由 oyls 于 2020-10-27 20:22 编辑
摘 要本设计为一简易的放大器非线性失真研究装置，可以根据要求输出无明显失真的正弦波信号以及四种不同的失真波形。本设计中受控晶体管放大电路为核心电路，电路中使用了五路独立的信号产生电路以产生题目要求的五种波形，并使用模拟开关芯片CD4066实现最终输出波形的切换。采样分析部分使用运算放大器搭建信号处理电路将输出波形转化为两路相位完全相反的信号，使用32单片机自带的AD采样端口进行采集，并调用ST官方的FFT库对采集到的信号进行快速傅里叶变换，以求得各次谐波幅值，并以此得到输出信号的频率，总谐波失真等信息。
关键词：晶体管放大电路；STM32；快速傅里叶变换
设计要求将峰峰值20mV、1kHz的正弦波转换为峰峰值大于2V的各种波形，电路基本实现方案为以NPN三极管放大电路为基础，通过改变电路参数改变静态工作点与放大倍数实现各种失真波形。查找数据手册后发现，2N2222 电流增益带宽积(ft)最小250MHZ，放大倍数为100-300，可以实现在不超过2级共射级放大电路的情况下满足幅值要求，并且降低成本。
本设计采用5路波形并行输出实现各波形的产生。具体方案如下。
将静态工作点设为正常值，放大倍数通过改变Rc、Re设为约150倍，即为无明显失真正弦波。
为使波形失真，即使正弦波某端截至，需将放大倍数增大，在1的基础上增加一级放大电路。同时根据题目要求改变静态工作点，顶部失真则将Q点设低。
底部失真则与顶部失真相反，将Q点设高。（底部失真可用一级放大电路实现）。
双向失真则为放大倍数过高，使正弦波在静态工作点设置合理的情况下仍产生失真，即将第二级放大电路倍数调大即可。
乙类双电源互补对称功率放大电路，由于存在死区电压，必然存在交越失真。对于20mV的输入信号，乙类双电源互补对称功率放大电路放大产生的交越失真波形幅度较小，因此，在其前级加上一个共射放大电路，其后级也加上一个共射放大电路，以达到所需要的幅值。
常见模拟开关在“关”的状态下会产生一个极小的杂波干扰，但对于题中20mV正弦波来说使非常大的，因而将模拟开关设置在输出端，由于双向失真波形峰峰值较大，根据模拟开关特性，VDD需大于要输出的波形，而控制端电压需接近VDD时才为1，若要用单片机控制，需增加一级控制电路。同样用三极管的通断控制控制端的输入，
信号采样为通过stm32自带的2路ADC采样，一路输入原波形，另一路输入经过放大倍数为1的反相放大器，经过数据处理，在显示屏上拟合为一个波形，此方案解决了stm32无法采集负信号的缺陷，同时可通过电阻分压设置信号的采样范围，(3.3V*k)，是一种简单、成本低，但有效的方案。、
使用32单片机自带的AD采样端口进行采集，并调用ST官方的FFT库对采集到的信号进行快速傅里叶变换，以求得各次谐波幅值，并以此得到输出信号的频率，总谐波失真等信息。
在实际电路调试时发现，由于电路输入阻抗较大，信号源输入信号会产生一定的衰减，可通过增大放大倍数改进电路。同时电路输出阻抗较小，需增加一级晶体管跟随器增大输出阻抗。模拟开关电路给输出波形带来了一定干扰，使部分波形产生了形变，目前猜测可以通过隔断晶体管电路与后续电路的方式改进。
总结
此方案最大的优点使设计思路简单，电路简单，同时成本极低，但电路参数的选择较复杂，具体参数需通过测量实际电路不断调整。
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