基于單片機(jī)的放大器非線性失真研究裝置設(shè)計(jì)

賀濤 劉俊豪

摘要：

放大電路是模擬電子電路的核心，本電路設(shè)計(jì)是基于晶體管放大器組成的非線性失真研究裝置，本裝置可以產(chǎn)生和顯示無(wú)明顯失真、頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真波形并顯示波形的頻率、峰峰值和THD。電路由電源模塊，晶體管放大電路可控失真波形模塊，OTL功率放大器做成的交越失真模塊、STM32單片機(jī)、OLED顯示模塊組成。通過(guò)對(duì)兩級(jí)放大電路參數(shù)的合理設(shè)置設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的非線性失真研究裝置。

關(guān)鍵詞：

單片機(jī);放大器;非線性失真

中圖分類(lèi)號(hào)：

TN722

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

A

文章編號(hào)：

1672-9129（2020）15-0059-02

1系統(tǒng)方案

電路采用LM7805制作電源電路，采用三極管分壓式偏置放大電路作為電壓放大電路，以ARMCortex-M3為內(nèi)核的STM32F1系列控制芯片，通過(guò)OLED屏幕顯示波形及參數(shù)。

1.1單片機(jī)的論證與選擇。

方案一：根據(jù)要求采用STC89C51單片機(jī)芯片作為控制核心。C51單片機(jī)價(jià)格低廉，使用簡(jiǎn)單，但其運(yùn)算速度較低，功能單一，不適用。

方案二：采用以ARMCortex-M3為內(nèi)核的STM32F1系列控制芯片，抗干擾能力強(qiáng)，且為32位，具有極強(qiáng)的處理計(jì)算能力。綜合以上兩種方案，選擇方案二。

1.2電源模塊的論證與選擇。

方案一：采用LM2596做一個(gè)可調(diào)電源，可調(diào)范圍高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，但噪聲太大，對(duì)后面的電路可能造成影響。

方案二：采用LM7805/7905/7812/7912做一個(gè)電源，78XX系列是正電壓穩(wěn)壓器，79XX系列是負(fù)電壓穩(wěn)壓器。使用簡(jiǎn)單，線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率較好，使用起來(lái)可靠、方便、價(jià)格便宜，綜合以上兩種方案，由方案二穩(wěn)壓性能好，因此考慮用方案二。

1.3放大電路的論證與選擇。

方案一：采用LM324做四級(jí)運(yùn)放，但失真不好控制。

方案二：采用三極管放大電路，它具有信號(hào)放大作用，且有截止和飽和功能，容易實(shí)現(xiàn)失真研究。綜合以上兩種方案，因此選擇方案二。

2電路設(shè)計(jì)

2.1雙5V電源設(shè)計(jì)。采用7805三端穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)雙5V電源，一路5V為放大電路供電，一路5V為STM32系統(tǒng)板供電，其電路圖如如1所示：

2.2非線性失真放大電路設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)兩級(jí)放大電路，前級(jí)為分壓式三極管放大電路，后級(jí)為一個(gè)OTL功率放大電路，兩級(jí)電路采用阻容耦合，前級(jí)的R3與后級(jí)的R9共同決定放大倍數(shù)。后級(jí)OTL的C4，R10組成自舉電路，克服電壓平頂失真的問(wèn)題，RV2調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)，RV1調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位，可以消除交越失真。

底部失真與頂部失真：三極管放大電路出現(xiàn)非線性失真與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)，如果靜態(tài)工作點(diǎn)很低，就容易出現(xiàn)底部失真;如果過(guò)高就會(huì)出現(xiàn)頂部失真。當(dāng)工作頻率低于或者高于這個(gè)通頻帶時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。

交越失真：又稱(chēng)小信號(hào)失真，由于三極管PN結(jié)的壓降，互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放電路并不能使輸出波形很好地反映輸入的變化。由于沒(méi)有直流偏置，管子的基極電流Ib必須在Vbe大于某一數(shù)值（即門(mén)坎電壓，硅管約為0.6v，鍺管約為0.2v，）時(shí)才有顯著變化。當(dāng)Vt低于這個(gè)數(shù)值時(shí)ic1和ic2都基本為零，負(fù)載RL上無(wú)電流流過(guò)，出現(xiàn)一段死區(qū)，這就是交越失真。

雙向失真：三極管輸出特性曲線同時(shí)出現(xiàn)頂部和底部失真，三極管有飽和狀態(tài)又有截止?fàn)顟B(tài)，信號(hào)源輸入信號(hào)過(guò)大導(dǎo)致三極管在放大時(shí)出現(xiàn)了雙向失真。

3程序的設(shè)計(jì)

3.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路。

通過(guò)STM32利用FFT對(duì)要波形采集與顯示。顯示電壓值、信號(hào)類(lèi)型、頻率、THD。通過(guò)KEY按鍵控制波形的失真種類(lèi)。控制順序：無(wú)明顯失真波形、頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真。

3.2程序流程圖。

4測(cè)試分析與結(jié)論

通過(guò)測(cè)試測(cè)試失真波形數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：

4.1輸入正弦信號(hào)頻率和電壓為1kHz，20mv時(shí)，輸出頻率為1kHz，電壓幅度為2V以上，并可以正常輸出無(wú)失真波形、平頂失真波形、底部失真波形、雙向失真波形和交越失真波形。

4.2按下STM32單片機(jī)的k1或k2按鍵，能夠控制四種失真波形及正常波形的切換和顯示實(shí)際輸出波形，測(cè)量諧波，并自適應(yīng)測(cè)量20Hz到2000Hz的波形。

（1）無(wú)明顯失真uo及總諧波。

（2）uo頂部失真波形和總諧波失真。

（3）uo底部失真波形和總諧波失真。

（4）uo雙向失真波形和總諧波失真。

（5）uo交越失真波形和總諧波失真。

通過(guò)對(duì)三極管放大電路的控制和FFT運(yùn)算完成了放大器非線性失真研究裝置設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.1

[2]黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電路設(shè)計(jì)（第二版）[M].北京航空航天大學(xué)出版，2011