ZYNQ控制的放大器非線性失真研究

大連理工大學(xué)城市學(xué)院 邢曉鵬 劉搏飛 劉春池 隋盛譽(yù) 孫嘉成 謝印慶

制作一個(gè)純?nèi)龢O管放大器，可切換輸出五種不同波形，實(shí)現(xiàn)“正常波形”、“交越失真”、“頂部失真”、“雙向失真”、“底部失真”五種輸出波形，輸出幅值大于2V。通過(guò)顯示器觀察ADC采集到的波形與計(jì)算出的THD值。同時(shí)使用ZYNQ與AD9226采集并測(cè)量出總諧波失真。

放大器處在理想工作狀態(tài)時(shí)，其輸入信號(hào)應(yīng)與輸出信號(hào)波形一致。而在實(shí)際電路工作時(shí)，放大器的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的波形總會(huì)存在一定的差別，這種現(xiàn)象叫失真。每一種失真都有不同的原因：

（1）正常波形：三極管靜態(tài)工作點(diǎn)位于正常區(qū)間；

（2）頂部失真：對(duì)于NPN型三極管，靜態(tài)工作點(diǎn)靠下，產(chǎn)生截止失真；對(duì)于PNP型三極管，靜態(tài)工作點(diǎn)靠上，產(chǎn)生飽和失真；

（3）底部失真：對(duì)于NPN型三極管，靜態(tài)工作點(diǎn)靠上，產(chǎn)生飽和失真；對(duì)于PNP型三極管，靜態(tài)工作點(diǎn)靠下，產(chǎn)生截止失真；

（4）交越失真：三極管推挽電路會(huì)產(chǎn)生交越失真。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

晶體管放大電路前、中級(jí)采用無(wú)反饋帶輸入和偏置電阻，后級(jí)仍然采用三極管差分推挽電路。該電路不僅可以實(shí)現(xiàn)輸出大于2V的正常、頂部、底部、雙向、交越失真，而且電路非常簡(jiǎn)易。它的前級(jí)由于沒(méi)有了反饋電阻，當(dāng)把三級(jí)管的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置到最佳區(qū)域時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)50倍的放大作用。而中級(jí)放大電路沒(méi)有反饋后，可以直接調(diào)節(jié)偏置電阻實(shí)現(xiàn)頂部和底部失真，并且不會(huì)影響放大倍數(shù)。尤其是整個(gè)電路沒(méi)有了反饋后，信號(hào)輸出電壓可最大無(wú)限接近電源電壓。

2 硬件設(shè)計(jì)

本裝置由STM32F103C8T6核心控制板、S9013三極管、碳膜電阻、電解電容組成，通過(guò)改變五個(gè)通道的放大器三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“無(wú)明顯失真”、“頂部失真”、“底部失真”、“雙向失真”、“交越失真”五種輸出波形。

控制部分：

使用STM32F103C8T6控制達(dá)林頓管輸出控制繼電器，繼電器控制晶體管放大電路的電阻器實(shí)現(xiàn)切換波形。本次方案選擇ZYNQ作為ADC的控制器，使用PL部分采集ADC的數(shù)據(jù)，使用PS部分的一個(gè)ARM cortex-A9進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。控制電路圖如圖1所示。

圖1 控制電路圖

3 數(shù)字部分

3.1 ZYNQ方案論證

在ZYNQ芯片內(nèi)的PL部分使用FIFO緩沖ADC采集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并在PL內(nèi)添加Axi4-lite從機(jī)IP，使用Aix4-lite接口將FIFO映射到ARM的內(nèi)存地址上，當(dāng)FIFO存滿數(shù)據(jù)后，使用ARM讀取相應(yīng)內(nèi)存獲取ADC數(shù)據(jù)，再在ARM中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，求出THD。

3.2 ZYNQ理論分析

PL部分使用verilog設(shè)計(jì)，包含HDMI輸出、ADC采集與存儲(chǔ)、Axi4-lite從機(jī)控制。其中HDMI輸出使用的是digilent的參考IP，其余的采集與控制部分，全部為自主設(shè)計(jì)并仿真實(shí)現(xiàn)。

Axi4-lite采集控制：

本IP使用verilog書(shū)寫(xiě)，使用systemverilog進(jìn)行仿真。實(shí)現(xiàn)了通過(guò)寄存器控制ADC采集的開(kāi)關(guān)以及ADC采樣時(shí)鐘的分頻系數(shù)，并將FIFO的數(shù)據(jù)輸出端口映射為寄存器，可以通過(guò)ARM讀取寄存器實(shí)現(xiàn)使FIFO輸出數(shù)據(jù)。Lite2fifo為Axi4-lite接口的控制器，控制ADC數(shù)據(jù)采集，完整的ADC采集流程如下：

（1）通過(guò)寄存器3設(shè)置用戶(hù)CLK分頻系數(shù)；

（2）先通過(guò)寄存器1讀取數(shù)據(jù)，清空FIFO；

（3）寄存器2寫(xiě)1使能FIFO從外部寫(xiě)入數(shù)據(jù)；

（4）寄存器2寫(xiě)0關(guān)閉FIFO寫(xiě)入；

（5）從過(guò)寄存器1讀取數(shù)據(jù)。

4 程序設(shè)計(jì)

使用SDK進(jìn)行ADC采集得到程序設(shè)計(jì)。

ADC采集的完整流程如圖2所示。

圖2 ADC采集的完整流程

本文研究了基于晶體管放大器的非線性失真。通過(guò)改變?nèi)龢O管的靜態(tài)工作點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)四種不同的失真波形圖，使用ADC采集晶體管放大器的輸出電壓，進(jìn)行快速傅里葉變換之后，計(jì)算總諧波失真并顯示出來(lái)。