[E-放大器非线性失真研究装置] E题_山东赛区_青岛科技大学_放大器非线性失真装置研究_大力发展生产力小队

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二氧化硅

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放大器非线性失真研究装置(E
摘要
该装置用于研究放大器的非线性失真,且实现了输出无明显失真的正弦信号以及有“顶部失真”、“底部失真”、“双向失真”、“交越失真”的信号(灵活运用了负反馈电路的特性以及二极管的单向导电性)。
本装置的主要构成部分有:限用晶体管、阻容原件、模拟开关等元器件构成的受控晶体管放大器、模拟开关、STM32单片机和LCD液晶显示屏等模块。其中,晶体管放大器采用多级放大电路结构(包括差分放大电路、恒流源电路、UBE倍增电路以及互补输出电路);此外,STM32作为微控制器,在ADC+DMA+定时器模式下采集输出电压,在系统内部由FFT实现数据处理,得到上述五种输出电压的“总谐波失真”近似值,并由LCD显示测量结果。
关键词: 晶体管放大器、模拟开关、非线性失真、信号采集、FFT
一、方案论证
本装置的几个关键设计环节的比较与选择:
1. 技术方案的分析与比较
方案一:单级双极性三极管放大电路。优点:设计思路简单清晰,搭建方便,易确定最佳静态工作点。缺点:无法实现很高的电压放大倍数,满足不了对放大器的复杂要求。
方案二:多级晶体管放大电路。优点:可以实现很高的电压放大倍数,各级电路分工明确,彼此互联使电路性能更优,有利于解决温漂、噪声、电路自激等问题。
综合分析:本次设计要求放大倍数达到几百倍,且要输出理想的信号波形,对晶体管放大电路功能要求高,因此选用方案二。
2. 晶体管的分析与比较
方案一:采用9013
耐压值20V,集电极最大耗散功率Pcm=625mW,集电极最大电流Icm=500mA。
方案二:采用9014
耐压值40V,集电极最大耗散功率Pcm=400mW,集电极最大电流Icm=100mA。
综合分析,9013耐压性能和抗噪声性能没有9014好,本次设计以峰峰值为20mV的正弦波作为输入电压,对抗噪声性能有一定的要求,因此选用方案二。
3. 电路搭建平台的分析与比较
方案一:PCB印制电路板。优点:减少了传统方式下的接线工作量,简化了电子产品的装配、焊接、调试工作。电路板体积小,电子设备质量好,可靠性高。缺点:从设计原理图、绘制PCB到实物加工需要较长时间。
方案二:直接在洞洞板上进行元器件的布局与焊接。优点:工艺简单,耗费时间少,可以实现对电路某环节的实时调整。

综合分析:为实现时间的节省,留出足够时间调制和改善电路,选用方案二。
二、电路设计分析
1. 电路总体分析
①晶体管放大器限用了晶体管、阻容原件、模拟开关、二极管等元器件,输出的无明显失真和四种失真信号都出自该晶体管放大器。且采用的是多级放大电路结构(包括差分放大电路、恒流源电路、Ube倍增电路以及互补输出级电路)。此外,输出端与输入端之间接有反馈电阻,因而获得反馈电压,通过改变反馈电阻的阻值可以实现对放大倍数的控制,进一步调节信号失真情况;
②由模拟开关选择接入不同的线路(对应不同的阻值的反馈电阻),从而控制放大器输出无失真和四种失真信号;
③电压反转模块完成正负电压的转换;
④继电器模块控制放大器是否输出交越失真的电压。
2. 各模块电路分析
1.具有恒流源的差分放大电路
                           

      
目的:提高信号精度,去掉共有的误差干扰,抑制零点漂移。
分析:差模信号输入到差分放大电路,由于电路参数对称,两三极管所产生的电流的变化大小相等而方向相反,因此集电极电位的变化也是大小相等且方向相反的,得到的输出电压为2倍集电极电压,从而实现了电压放大。  此外,采用电流源电路可以提供合适的静态工作电流,从而确定合适的静态工作点(实际电路中的R1为可调电阻)。这样设计可以增大发射极电阻的阻值,有效抑制每一边电路的温漂,提高共模抑制比。

局限性:由于实际电阻的阻值误差各不相同,特别是晶体管特性的分散性,任何分立元件差分放大电路的参数不可能理想对称,也就不可能完全抑制零点漂移。

2.具有恒流源的Ube倍增电路部分

                       
晶体管Q6的集电极和发射极分别接到下一级两晶体管的基极,因此通过调节Rw,可以UBE电压实现的倍增。


3.复合的互补输出级电路部分
                                                                    
目的:增大晶体管的电流放大系数,减小前级驱动电流,减小零漂。
分析:在互补输出级电路中,如果输入电压(正弦波)小于开启电压而使三极管处于截止状态时,在ui过零点附近的输出电压将产生交越失真。如图所示,在复合的互补输出级电路中,电阻R5和R6使得晶体管Q10和Q11的uBE始终大于开启电压,提高放大能力。
4.交越失真产生电路
利用三极管的导通电压大约0.7V左右,因此在波形过零点附近只要电压小于0.7V就会产生交越失真
                                                                                
三、失真原因的理想情况分析(说明:因本装置通过模拟开关控制四种失真信号的输出,因此截取了原理图的模拟开关连接反馈电阻部分来进行解释)
①双向失真的原因:
按照此原理图中C5线路,若R10阻值选为1K欧姆,R17阻值选为1000k欧姆,则按之前的理论计算,电压放大倍数大约为1000倍,得到的输出电压大大超过集电极电压(5V)。实际上这是无法实现的,因为信号电压过大,向上达到饱和状态,向下达到截止状态,所以既有饱和区失真又有截止区失真,即出现双向失真。
②顶部失真的原因:
按照此原理图中C4线路,若R10阻值选为1k欧姆,R14阻值选为1M欧姆,R16阻值选为400k欧姆,则当输出端电压位于正半周时,二极管无法导通,按照①中分析,输出双向失真的信号;当输出端电压处于负半周时,二极管正向导通,R14与R16并联,阻值减小,负半周电压放大倍数减小到合理范围内(大约为),因此消除底部失真,但顶部失真仍然存在。
③底部失真的原因:
按照此原理图中C3线路,当R10阻值选为1k欧姆,R12阻值选为1M欧姆,R13阻值选为400k欧姆,与②中分析类似,唯一区别在于二极管方向的改变,因此消除的是顶部失真,但而底部失真仍然存在。
④交越失真的原因:
    考虑晶体管的实际输入特性,在互补输出级电路中,如果输入电压(正弦波)小于开启电压而使三极管处于截止状态时,在ui过零点附近的输出电压将产生交越失真。

因此我们在多级晶体管放大器后面又加入一个由两个三极管(NPN和PNP)构成的互补输出级电路,并由继电器控制该电路是否与前级放大电路连接,若接通,则正常波形经该互补输出级电路后会输出交越失真信号。
四、电路调试中实际的分析
file:///C:/TEMPD/msohtmlclip1/01/clip_image004.png①遇到的问题:
用示波器观察波形及放大倍数时,发现当理论计算的放大倍数为100时,

实际得到的输出电压为680mV,即放大倍数只有34倍,与预期差距很大。

②解决方案:
经对电路进一步研究,发现反馈电路受到了与接地端电阻串联的电容的影响(即图中C7),该电容可以相当于一个电阻与R10串联,从而认为加大了Rs。在此基础上,我们先通过调节电位器(即恒流源电路中的电阻)找到合适静态工作点,加大反馈电阻Rf阻值,并发现当Rf约为470k欧姆的时候,可以得到峰峰值为2.26V的输出电压,即放大约113倍,属于合理放大范围,且获得无明显失真波形。

五、软件设计分析
1.软件设计流程图如下
                                                                                                
①STM32F407芯片主频168MHz,内置12位ADC,对于输入2Vpp的信号,采样信号可以精确到0.488mv。
②参数初始化,初始化LCD显示,定时器触发ADC采集信号,由于信号频率为1KHz,由shannon采样定理,采样频率应该大于2KHz。为了将频谱拉开,提高频率分辨率,我们设置采样率为20KHz,采样点数为1024个,频率分辨率约为19.5Hz。

③通过FFT分析,求出采样信号的离散频率特性的的值,根据时域与频域的对应关系得到时域下信号幅值计算公式:
其中Un 为第n个频率点时域下的幅值,An为幅频特性第n点的模值。 由于信号频率已知,可以确定信号谐波的频率点,便可求得各次谐波的幅值file:///C:/TEMPD/msohtmlclip1/01/clip_image009.png。通过上述分析便可以计算出1~5次谐波的幅值,最终计算出总谐波失真度,其中总谐波失真计算公式如下:

五、测试方案与测试结果
1.   测试方案
晶体管放大器输出端同时接示波器和STM32核心板的ADC通道输入端,通过示波器观察无明显失真波形以及四种失真波形,波形的切换由模拟开关控制,模拟开关的高低电平的切换由STM32实现。ADC不断采集输出信号电压,采集到的数据经STM32系统处理,得到的THD(“总谐波失真”近似值)由LCD屏显示。
2.    测试波形
1.无失真波形
2.双向失真波形
3.顶部失真波形
4.底部失真波形(有点不清楚,但还是有失真的)
5交越失真波形
3.    THD测试结果
THD测量结果(近似值)
  

无明显失真信号
  
底部失真信号
顶部失真信号
双向失真信号
交越失真信号
0.0%
14.5%
18.5%
74.6%
19.2%



六、总结
之前学习模电的时候知道,非线性失真产生于电路内部,引入负反馈后才被抑制。基于这点,我们通过对负反馈电路部分的控制来改变放大器的放大倍数,最终目的是实现对输出电压无失真和非线性失真的控制,尽可能得到外观条件符合的波形。
本次设计的装置实现了由放大器输出无明显失真及四种失真波形的要求,电路搭建上的优势在于采用了多级晶体管电压放大电路(包含了差分放大电路、恒流源电路、Ube倍增电路以及推挽互补输出电路)。除此之外,电路中的某些元器件起到了关键作用,例如二极管(单向导电性)、电容(滤波)、电位器(调节静态工作点)等。
通过STM32系统完成了采集测量的环节,得到了“总谐波失真”近似值,用以衡量线性放大器的非线性失真程度。
综上所述,本装置达到基本设计要求。但我们仍在设计过程中发现了一些缺陷,还有需要解决和改善的地方。例如,焊接过程中的技术操作、焊接后对电路每个连接点的检查;由于输入信号电压值很小而对电路抗噪能力有一定要求,若噪声过大,将直接影响输出电压波形效果。


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大力发展生产力 发表于 2020-11-20 17:23
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