E题_辽宁赛区_大连理工大学——放大器非线性失真研究装置

啊啊啊啊啊啊啊

摘   要


  晶体管工作在非线性区所引起的失真称为非线性失真，表现为输出信号与输入信号不成线性关系，主要由晶体管等器件的非线性以及静态工作等位置设置的不合适或者输入信号过大两方面原因引起。
  从分析放大器非线性研究装置入手，外接输出频率为1kHZ，峰峰值20mV的正弦波信号源作为晶体管放大器的输入电压，详细讨论研究了整个系统的硬件电路和软件实现，并给出了较为合理的解决方案。为了便于电压的输出和显示以及功能的拓展，我们选用了MSP430F5529单片机作为核心控制器，设计了控制电路，显示电路以及软硬件的配合，实现了整个电路的设计。



关键字：放大器非线性失真研究装置   单片机  AD采样  

（E题）
【本科组】
1系统方案
本系统主要由单片机模块、AD采样模块、组成下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 单片机模块的论证与选择
方案一：选择MSP430G2553作为主控芯片，MSP430G2553具有低功耗，高性能的特点，但是为了能够实现同时运行LMT70，ADS1229和MPU6050，使用端口不够。
    方案二：选择MSP430F5529作为主控芯片，MSP430F5529同样具有低功耗，高性能的特点，并且指令速度高达25MIPS，具有强大的处理能力。加上有40个引脚，完全可以满足系统控制的要求。
综合以上两种方案，选择方案二
。
1.2 AD采样模块的论证与选择
方案一：使用单片机内部12位AD采集电压
      单片机的内部12位AD，分辨率能达到题目的要求，且直接在单片机模块中可以直接使用。
方案二：使用外接16位AD采集电压ADS1115
       16位AD采集精确度更高，但是外接AD采集不如自带方便使用。
综合以上两种方案，选择方案一。

1.3 电源模块的选择
方案一：利用两节18650电池和7805芯片，输出5v的电压
使用两节18650电池串联，然后利用7805芯片降压到5v。7805是一种固定式三端集成稳压器。但是三端集成稳压器存在压损问题，并且在真正设计电路时，还要考虑电源损耗。
      
方案二：利用单片机控制外接LM317芯片模块，输出稳定的5v电压
通过单片机控制外接LM317芯片模块可以输出更加稳定的电压，同时也具备输出电压可调的特点，并且在输出电压范围1.2v-37v时能够提供超过1.5A的电流，易于使用。
综合考虑，选择方案二。


2理论分析与计算
2.1理论分析
  当静态工作点设置合适，当输入正弦波信号幅值较小时，电路中的动态电压和动态电流也为正弦波，此时放大器输出的是无明显失真的正弦电压。
  当静态工作点较低（电位器位于15%以下）时，在输入信号负半周靠近峰值的区域，三极管发射结电压vBE有可能小于开启电压Von，三极管截止，基极电流产生底部失真，输出电压顶部失真。
  当静态工作点较高（电位器位于55%以上）时，在输入信号正半周靠近峰值的区域，三极管进入饱和区，导致输出电压底部失真。
  当输入信号很大时，可能使被放大的信号同时在饱和区与截止区，这就会导致输出的电压双向失真。
  在分析电路时把三极管的导通电压看作零，当输入电压较低时，因三极管截止会产生失真，即交越失真。
  
2.2理论计算
总谐波失真THD=\frac{\sqrt{U_{02}^2+U_{o3}^2+U_{o4}^2+L+U_{on}^2}}{U_{o1}}x100%

        电路与程序设计
3.1电路的设计

3.1.1系统总体框图



3.1.2电路原理图


（1）单片机原理图:使用了TI公司的MSP430F5529


（2）电源模块：通过单片机控制外接LM317芯片模块可以输出稳定的电压，同时具备输出电压可调的特点，并且在输出电压范围1.2v-37v时能够提供超过1.5A的电流，易于使用。


（3）显示屏模块：使用了2.8寸的TFT液晶显示屏，可以做到高速度，高亮度，高对比度显示屏幕信息


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
1）放大器能够输出无明显失真的正弦电压u
2）放大器能够输出有“顶部失真”的电压u
3）放大器能够输出有“底部失真”的电压u
4）放大器能够输出有“双向失真”的电压u
  5）放大器能够输出有“交越失真”的电压u
6）能够显示五种输出电压的“总谐波失真”近似值


显示部分：无明显失真的正弦电压，有“顶部失真”的电压u，有“底部失真”的电压u，有“双向失真”的电压u，有“交越失真”的电压u，并且能够显示五种输出电压的“总谐波失真”近似值。

2、程序设计思路
  首先初始化I/O,AD，然后通过输出频率为1kHZ，峰峰值为20mV的信号源输出正弦波电压，将K1,K2都接“1”，将电压信号输入晶体管放大器，最后通过外接的数字示波器显示输出电压的波形。
然后将K1,K2都接“2”，通过单片机内部12位AD采集送入单片机，最后用TFT液晶显示屏显示输出电压的“总谐波失真”的近似值。

3.2.2程序流程图
   1.主程序流程图











4测试方案与测试结果
4.1测试方案
        硬件测试
   首先分模块搭建硬件电路并分别测试成功，然后将分立的模块搭建在一起测试整体功能。经测试，我们的电源模块、功耗模块、单片机控制模块以及信号检测放大模块均工作正常。
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
1.测试条件
  通过使用晶体管，阻容元件，模拟开关等元器件设计成为一个受控晶体管放大器。K1和K2均投到各自的“1”端子，外接输出频率为1kHZ，峰峰值为20mV的正弦波信号源作为晶体管放大器的输入电压。并且在THD自动测量期间没有任何人工干扰。
2.测试仪器
数字示波器
4.3 测试结果及分析
经过测试，系统各部分均工作正常。放大器能够输出无明显失真的正弦电压u，有“顶部失真”的电压u，有“底部失真”的电压u，有“双向失真”的电压u，有“交越失真”的电压u，并且能够显示五种输出电压的“总谐波失真”近似值。

4.3.1测试结果








4.3.2测试分析与结论
根据上述测试的数据，可以得出以下结论：
         放大器能够输出无明显失真的正弦电压u
         放大器能够输出有“顶部失真”的电压u
         放大器能够输出有“底部失真”的电压u
4. 放大器能够输出有“双向失真”的电压u
5. 放大器能够输出有“交越失真”的电压u
6. 能够显示五种输出电压的“总谐波失真”的近似值

综上所述，本设计达到设计要求。