E题_山东赛区_山东科技大学——放大非线性失真研究装置

N4ine

一、系统方案设计、论证与比较
根据题目的基本要求，电路需要输出无明显失真及四种失真波形u0，并且u0的峰峰值不低于2V。为实现相应的功能，本设计划分为以下几个模块：电路供电模块、放大失真模块、交越失真模块、单片机控制模块。






一、电路控制模块设计、论证与比较
方案一、采用直流双电源模式提供正负向的电压。
  采用两块12V的电池，接入两个12V可调稳压模块对电路进行供电，两个5V电压源一个的正极与另一个的负极相连接，以此为地，从而实现双电源提供正负5V供电，保持了负载的连续性。同时在连接电路时，基本符合模拟时的思路，在连接电路的时候能够提供稳定的电压，保证信号的输出。

方案二、采用开关电源实现双向的供电
  采用开关电源为电路供电，开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小从而实现正负向输出的特性。
  
  综合考虑，根据已有元器件，采用直流双电源的模式
二、放大失真模块设计、论证与比较
方案一、利用单级放大电路完成无明显失真及顶部失真、底部失真、双向失真的信号输出。
  采用单级放大的方式可以使得系统最大程度地得到简化，但是如果使用单级放大，需要三极管具有较高的放大倍数，倍数太高容易产生自激不稳定现象，这使得电路需要引入负反馈电路来稳定单级放大电路，一旦引入负反馈电路。会使得单级放大电路复杂化。
方案二、利用两级阻容耦合放大电路完成无明显失真及顶部失真、底部失真、双向失真的信号输出。
  采用两级阻容耦合放大电路可以起到有效的隔直作用，使得两个放大器的静态工作点能够彼此独立，这样就可以通过两级放大电路的参数准确地抬升或降低两个放大器的静态工作点，相互独立的放大器也是利于设计与维护的，更加符合工程设计的要求。两级放大电路也可以减少信号在电容器上的损耗，提高整个系统的精度与稳定性。

综合考虑系统稳定性、精度与实现功能的难易程度，选择方案二。
三、交越失真模块设计、论证与比较
方案一、利用基极连接电阻与二极管的功率放大器
PNP与NPN型三极管的基极与电阻、二极管相连会由于压降产生部分偏置电压，会在一定程度上使得三极管处在微导通状态，一定程度上抑制了交越失真的产生，即使此类电路能够提高工作效率，但是会影响交越失真信号输出。
方案二、PNP与NPN型三极管直接连接交流信号源
当交流信号源与PNP与NPN型三极管直接连接时，三极管不会存在微导通状态，交流信号直接加在放大器上，当信号处在正半周期时，NPN型三极管承担放大任务，当信号处在负半周期时，PNP型三极管承担放大任务，此类电路可以基本实现稳定的交越失真信号输出。
  
综上所述，方案二系统更加简单，且可以实现稳定的信号输出，所以选择方案二。
四、单片机控制模块设计、论证与比较
方案一、  利用单片机对模拟开关进行控制，信号的采集的分析
通过单片机控制I/O口，向模拟开关输入数字信号，通过模拟开关实现电路图中的开关的断开与闭合。模拟开关采用cd4066，单片你的一个I/O口可以控制一路模拟开关的连通或关断，通过外部按键以及单片机实现对开关的控制。




方案二、用单片机控制继电器
  单片机控制继电器的开关实现对应电路图中开关的关断和开启。
根据已有元器件以及对电路电压的综合考虑，虽然模拟开关及其内阻对信号有一定的影响，但是影响在可控范围内，采用模拟开关，简化了焊接布线的难度和复杂程度采用模拟开关，选择方案一。


二、理论分析与计算
一、原理图分析与计算
   
  系统原理图各部分参数如图所示，该图可大致分为两部分：无明显失真以及顶部失真、底部失真、双向失真模块；交越失真模块。
  首先介绍第一类模块：该模块主要利用两个NPN型三极管构成阻容耦合的两级放大电路，由于2N3904三极管的放大倍数为100倍左右，两级放大电路会将交流信号放大一万倍左右，所以要求我们第一级输出电流为nA级别的。但是VEE的数值还不能太小，因为它要给整个系统供电，不能只考虑第一级放大系统。对于第一级放大电路，我们选择R6=100KΩ的滑动变阻器与R1=10KΩ的定值电阻串联来控制UB的数值，经计算IBQ=680uA，ICQ=64μA。之后通过一个C1=47μF的电容器来使得两个放大器的直流电流不会产生相互干扰。对于第二级放大电路，我们首先设置R9=15KΩ，R13=5KΩ，R14=15KΩ，R10=10KΩ四个定值电阻串联，通过此控制第二级放大电路的UB，我们还设置了S3、S4两个开关，分别控制R13、R14是否接入电路，目的是为了抬升和降低静态工作点，通过此开关的开启与闭合，可以控制输出标准信号、顶部失真信号、底部失真信号、双向失真信号四类信号。经过计算得，IBQ6.5μA，ICQ=878μA。我们再次利用电容器C6=47μA来起到隔直的作用。
  第二类模块分析:上图右侧为交越失真模块，也是乙类功率放大器，Q3和Q4分别为NPN和PNP型管，当信号处于正半周期时，Q3承担放大任务，Q4截止，有电流通过负载﹔而当信号处于负半周期时，则刚好相反，Q4承担放大任务，Q3截止，仍然有电流通过负载﹔这样，图示基本互补对称电路实现了在静态时管子不取电流，而在有信号时，Q3和Q4轮流导通。我们采用将-VEE直接串联在Q4上，在Q3与Q4之间我们仍然采用一个C6=47μF的电容器起到隔离直流电流的作用
  对于电源而言，直流电源选择+5V 与-5V的直流电源，这是出于对静态工作点的考虑；交流电源则是按照题目要求外接输出频率 1kHz、峰峰值 20mV 的正弦波激励。


三、基于电路与程序设计的分析
一、系统组成
放大非线性失真研究装置由硬件设计与软件设计两部分组成。
硬件设计：硬件部分采用+5V与-5V的直流稳压电源供电，交流信号源采用频率 1kHz、峰峰值 20mV 的正弦波激励。
整体硬件系统可分为阻容耦合两级放大电路、交越失真电路、单片机控制系统三部分。本部分由单片机控制两级放大电路与交越失真电路静态工作点的抬升与降低。
软件设计：首先使用NI Multisim 设计并仿真电路图，调试元件的参数。




单片机编程找到P1 I/O口，对I/O口进行位定义之后控制矩阵键盘上的按键，当按下按键时I/O口输出高电平，实现对模拟开关cd4066控制端的控制，实现对开关的控制端。