E题_辽宁赛区_大连理工大学——放大器非线性失真研究装置

战东阳201988009

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】









学校：大连理工大学
参赛队员：战东阳、蹇宏斌、黄福照



摘    要
在日常的学习生活和生产实践中，经常会发生放大电路失真的情况。模拟输出放大后的失真信号可以帮助我们更加深入了解放大器原理。本题软件方面重复单通道模式进行AD采集，通过观察LED灯的亮灭观察是否正常工作。算法部分通过找到一个周期的最小值，截取波形，再用FFT算法进行波形的计算和主从机的通讯。根据从机发送数值改变模式，并输出顶部失真，底部失真，交越失真，双向失真的从机信号。最后通过液晶屏幕显示失真波形。
硬件方面采用独立电源和降压模块LM317供电，核心控制器采用MSP430f5529，外围采用按键控制改变失真模式。硬件与软件可以较好结合，从而输出正确的失真信号。






















放大器非线性失真研究装置（E题）
【本科组】
1系统方案
本系统主要由单片机模块、晶体管放大器模块、液晶显示模块组成，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STC15作为主控芯片，宽电压范围2.4V-5.5V，超低功耗，待机模式1.8mA,功率较高。
方案二：选择MSP430G2553作为主控芯片，超低功耗，待机模式0.5uA，低电压范围1.8V-3.6V，带有内部基准、采样与保持以及自动扫描功能的10位模数（A/D）转换器。
方案三：选择MSP430F5529作为主控芯片，超低功耗，低电压范围1.8V-3.6V，待机模式0.8uA，具有内部基准电压，采样和保持及自动扫描功能的12位模数（A/D）转换器，可以实现更精准转换。
综合以上三种方案，选择方案三。

1.2 电源模块的论证与选择
方案：LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块，因其具有输出短路保护，过流、过热保护，调整管安全工作区保护，最终决定使用了LM317芯片稳压到5V给AD和芯片供电。

1.3 液晶显示模块论证与选择
方案：2.8寸的TFT液晶屏为每个像素都设有一个半导体开关，每个节点都相对独立，并可进行连续控制，每个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，显示质量高，且可视面积大。   
2电路与程序设计
2.1系统总体框图

       

2.2电路原理图

2.2.1 单片机及外围电路电路原理图


单片机及其外围电路，主要包括MSP430F5529最小系统板、电源模块、液晶显示模块、晶体管放大模块。


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
        可以实现放大器输出无明显失真的正弦电压
        可以实现放大器输出有“顶部失真”的电压
        可以实现放大器输出有“底部失真”的电压
        可以实现放大器输出有“双向失真”的电压
        可以实现放大器输出有“交越失真”的电压

2、程序设计思路
重复单通道模式进行AD采集，通过观察LED灯的亮灭观察是否正常工作。算法部分通过找到一个周期的最小值，截取波形，再用FFT算法进行波形的计算和主从机的通讯。根据从机发送数值改变模式，并输出顶部失真，底部失真，交越失真，双向失真的从机信号。最后通过液晶屏幕显示失真波形。
   
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图


4理论分析与计算

原因之一是：放大电路中的三极管是非线性元件，当其工作电流变化时，其放大倍数、输入电阻等都会发生变化，对同频率的正弦信号，当输入信号幅度不同时，放大倍数会不同；
原因之二是：放大电路中的电感元件（包括变压器）、电容元件对不同频率的信号会产生不同的阻抗和相移，当输入信号是非正弦波时，该输入信号可以分解成若干个不同频率的正弦信号，而这些信号通过含有电感、电容的电路时，电路对分解出的这些频率的反映是不同的，通过放大电路后，它们再合成起来后，与原来信号的波形会产生很大的变化。
输出交流电压：



4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、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、单片机模块、液晶显示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
示波器
信号源
万用表
4.3 测试结果及分析

     静态工作等位置设置的不合适或输入信号过大.由于放大器件工作在非线性区而产生的非线性失真有4种：饱和失真、截止失真、交越失真和不对称失真。
交越失真是乙类推挽放大器所特有的失真。在推挽放大器中，由2只晶体管分别在输入信号的正、负半周内导通，对正、负半周信号进行放大。而乙类放大器的特点是不给晶体管建立静态直流偏置，使其导通的时间恰好为信号的半个周期。但是，由于晶体管的输入特性曲线在VBE较小时是弯曲的，晶体管基本上不导通，即存在死区电压Vr=0.7V。当输入信号电压小于死区电压Vr时，两只晶体管基本上都不导通。这样，当输入信号为正弦波时，输出信号将不再是正弦波，即产生了交越失真.这种失真是由于2只晶体管在交替工作时“交接”不好而产生的,称为交越失真.消除交越失真的办法是给晶体管建立起始静态偏置，使它的基极电压始终不小于死区电压。为了不使电路的效率明显降低,起始静态偏置电流不应太大。这样就把乙类推挽放大器变成了经常使用的甲乙类推挽放大器。不对称失真也是推挽放大器所特有的失真，它是由于推挽管特性不对称，而使输入信号的正、负半周不对称，这种失真称为不对称失真。消除办法是选用特性对称的推挽管。尤其是在OTL与OCL电路中，互补管应选用同一种材料的，就是说都选用锗管，或者都选用硅管，以保证其输入特性的对称。