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发表于 2020-10-22 14:26:36
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放大器非线性失真研究装置（E题）
摘 要
本设计是一个能产生非线性失真的晶体管放大器，**由两级共射放大电路以及一级推挽电路构成。可以通过调节放大器内各个电阻的阻值，来变更静态工作点，以及通过短路推挽电路中的二极管，使电路输出无明显失真、底部失真、顶部失真、双向失真、交越失真五种波形。本设计使用单片机去控制模拟开关的两个地址端来改变共射放大电路中的电阻。此外还可以利用单片机的A/D去采集波形，并且利用FFT算法来分析计算，得到输出波形的总谐波失真以及各级谐波分量，最后将计算结果和显示波形一并放在单片机控制的TFT屏上进行显示，并且也可以通过蓝牙对数据进行无线传输。
关键字：晶体管放大器；非线性失真；快速傅里叶变换；STM32
1.设计方案工作原理
1.1总体设计思路
1.1.1基本要求
题目要求设计并制作一个放大器非线性失真研究装置，能输出无明显失真、底部失真、顶部失真、双向失真、交越失真五种波形，以及测量并显示他们的总谐波失真。我们先设计一级基本放大电路用来放大小信号，接下来再用二级失真电路来使电路达到不同的失真效果，再在最后跟一级推挽电路，也可以通过模拟开关来控制是否输出交越失真的波形，从唯一的端口输出，从而达到题目要求效果。系统框图如图1所示。
图1 系统框图
1.1.2发挥部分
我们在原来的题目要求上增加了许多功能，使这个系统更加完善，具体的改进如下：
（1）能将波形显示在TFT彩屏上，并且波形自动对齐到屏幕的固定位置，不会随着波形直流量的变化改变显示区域；
（2）采用蓝牙模块无线传输数据，控制单片机；
（3）按键可实现手动切换波形和自动扫描波形；
（4）本系统的算法可以采集到七阶谐波。
1.2方案论证与比较
1.2.1初级放大电路的方案论证与选择
方案1：采用共基放大电路对输入信号进行放大。共基极放大电路有足够的电压放大能力，可以实现功率的放大，并且共基极放大电路有输出电压与输入电压同相、输入电阻较共射电路小、输出电阻与共射电路相当的特性，其最大优点是频带宽，高频特性较好。但是共基极放大电路的输入阻抗很小，会使输入信号严重衰减，不适合作为电压放大器。
方案2：采用共集放大电路对输入信号进行放大。共集放大电路输入电阻大、输出电阻小，可以减少电路间直接相连所带来的影响。但是共集放大电路没有电压放大作用，只有电流放大作用，所以并不是很合适。
方案3：采用共射放大电路对输入信号进行放大。共射放大电路既能放大电流又能放大电压，输出电阻较大，频带较窄。常常被用作低频电压放大电路的单元电路。
综上所述，本设计技术要求对低频小幅值信号进行放大，所以采用方案三，使用共射放大电路。
1.2.2失真电路的方案论证与选择
方案1：切换电源改变静态工作点，使用不同的电源供电可以有效并且简单地更改静态工作点所在位置，但是更改电源供电就势必要增加供电电源的数量，给电路带来了不稳定性，并且对设备要求较高。
方案2：通过更改一二两级共射放大电路的Rb和Rc的值来使输出波形达到失真的效果，本设计可以通过CD4052来同时改变这两个电阻值，在控制逻辑方面就比较简单。
综上所示，考虑到电路的简洁性与稳定性，本设计采用方案二来完成波形的失真。
1.2.3总谐波失真测量的方案论证与选择
方案1：采用LTC1068和AD637，由单片机控制LTC1068对失真电压的“总谐波失真”测量计算。但这种方案硬件电路结构复杂，成本较高，在单片机控制LTC1068得到不同的谐波量的时候会有较大的延迟。
方案2：采用FPGA实现FFT算法对波形进行采集测量。在FPGA上设计模块，运行算法具有速度快、效率高的特点。但采用此方案，设计加法电路和减法电路会存在符号问题、数据大小的问题，比较繁琐，同时FPGA成本较高。
方案3：采用STM32调用FFT算法库函数采集波形的谐波量。此方案通过编写C语言算法就可以得出多阶的谐波幅值具有实现方式简单、速度快、成本低的特点。同时STM32进行浮点数运算快速方便、精确度较高。
综上所述，从性能和成本考虑，本设计采用方案三，即采用STM32实现FFT算法对波形进行谐波量的测量和总谐波失真的计算。
1.2.4采集电路的方案论证与选择
方案1：使用简单的电阻式电压抬升电路，此方案优点是电路设计非常简单、不易出错，但是缺点非常明显，他会对前级电路产生较大的影响，干扰前级电路的正常工作。
方案2：使用一个运放作为跟随器来作为缓冲级，再使用加法电路让电压抬升到正电压，此方案非常稳定，不会对前级产生影响。
综上所述，考虑到电路对输出波形有着较高的要求，所以需要增加隔离缓冲，于是我们采用方案二。
2.核心部件电路设计
2.1共射放大电路模块
采用共射放大电路来组成电路的基本结构，如图2所示。
图2 共射放大电路
2.2 CD4052模拟开关电路模块
CD4052外围电路如下图所示。CD4052相当于一个双路四选一模拟开关，地址端连接单片机IO口控制选通，INH端接地可进行选通，3脚和13脚是公共输出端，模拟开关通过地址段的变化来选通通路。本模块电路如图3所示。
图3 模拟开关外围电路
2.3推挽电路部分
用模拟开关来使推挽电路里的二极管短路从而达到可以自由切换交越失真和正常波形，从而达到只有一个输出端口的效果。推挽电路部分如图4所示。
图4 推挽电路部分
3.系统软件设计及分析
3.1 系统流程分析
4×4矩阵键盘用作功能键。通过按下此按键，可以切换输出波形的形状和切换自动手动模式。按下矩阵键盘的第一行第一列的按键可以切换一次输出波形，按下矩阵键盘的第一行第二列的按键可以进入自动切换输出波形模式和退出自动切换波形的模式，按下矩阵键盘的第一行第三列的按键可以控制蓝牙模块发送数据，手机端可以接收数据并显示在手机上。同时手机可以发送指令控制波形的变换和命令控制器通过蓝牙模块发送数据。
同时STM32的外设ADC实时采集波形电压变化的数据，利用FFT算法将实时的电压数据时变量转化成幅频量，在频谱上找到对应谐波分量的赋值，利用STM32计算出波形的总谐波失真，将数据传送到TFT上显示出来。其中FFT算法使用的是STM32官方库中的4蝶形算法，将1024个采样点转换成傅里叶序列。根据傅里叶序列就可以得出在频域上信号的分布。从而可以得到计算总谐波失真的公式：
在本系统设计过程还使用STM32上另一个ADC实时采集输出波形电压变化的数据，并将数据转化成屏幕上的点，连点成线，实时显示出输出的波形。**程序流程图如下图所示。
图5 **程序流程图
4.竞赛工作环境条件
4.1设计分析软件环境
（1）单片机开发环境：Windows 10 ,Keil5；
（2）模拟电路设计：Altium Designer15，Mutisim14。
4.2仪器设备硬件平台
（1）SIGLENT SDG 1032X 30MHz 150MSa/s 信号发生器；
（2）SIGLENT SDS 1102A 100MHz 1GSa/s 示波器；
（3）SIGLENT SPD3303X-E 直流稳压电源；
（4）万用表、焊台。
5.作品成效总结分析
5.1系统测试性能指标
测试输出波形，将信号源设置成频率为1kHz，幅度为20mVpp的正弦波，接入晶体管受控放大电路，记录五种输出波形的幅值，数据如表1所示。
表1 输出波形失真情况与幅值
波形 无明显失真 底部失真 顶部失真 双向失真 交越失真
幅值(Vpp) 2.74 2.72 2.14 2.48 2.32
总谐波失真 1.5% 3.9% 8.0% 15.0% 7.6%
然后进行作品测试，我们改变端口，进行基本测试，将输出幅值改为2Vpp，输出不同的波形测量THD。数据如表2所示。
表2 测试端口的测量数据
波形 三角波 方波 正弦波
总谐波失真 12.4% 39.4% 0.91%
根据信号源输出不同的波形所测量出的总谐波失真，再比对理论值，可看出误差不大，计算比较精准。再通过示波器和单片机上的屏幕显示，五种波形均非常明显，满足要求。
5.2创新特色总结展望
5.2.1系统实现的功能及其创新性
实验数据表明，总谐波失真测量非常准确，本系统的算法可以测量到七阶谐波，与理论值相近，展现出了算法实现的优越性。本设计将THD和待测波形同时显示在TFT彩屏上，可以更直观的看到总谐波失真与波形失真程度的相关性，便于研究分析。还采用了蓝牙无线传输模块，可以将本系统的数据无线传输给移动端，同时移动端也可以传输指令给单片机来控制模拟开关的选通，提高了系统的实用性。
5.2.2未来展望
本设计后续可以优化STM32上快速傅里叶变换的算法，提高算法的精度和稳定性，提高系统的工作效率，可以在TFT彩屏上增加一个界面，用来显示静态工作点Q点的变化，从而更容易对电路进行分析。
6.参考资料及文献
[1]堵国樑，吴建辉，樊兆雯. 模拟电子电路基础[M]. 北京:机械工业出版社，2014.
[2]刘火亮，杨森. STM32库开发实战指南:基于STM32F4[M]. 北京:机械工业出版社，2017.
[3]黄志伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程（修订版）[M] . 北京:机械工业出版社，2010.
[4]张永瑞. 电子测量技术基础[M] .西安：西安电子科技大学出版社，2009.
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