放大器非線性失真檢測系統(tǒng)

龍海珠，梁娟玲，鐘昊廷，梁海燕，黃筱惠

（玉林師范學院物理與電信工程學院，廣西玉林，537000）

0 引言

隨著現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)與模擬電子技術(shù)的發(fā)展，放大器廣泛應用于世界的各個科研領(lǐng)域中。放大器的性能往往決定了整個系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性，所以怎樣設(shè)計制作一款具有良好性能的放大器已經(jīng)成為了當前的一個熱門研究課題，與此同時各個行業(yè)對其性能指標的要求也日漸嚴格。如要求放大器能夠達到較高頻率、信號穩(wěn)定性強、轉(zhuǎn)換速度快，無非線性失真、功率和頻譜利用率高等目標。當放大器處在理想工作情況下，其輸入信號的波形應與輸出信號的波形一致。但是在實際的電路中工作時，放大器的輸入信號與輸出信號的波形總是會存在著一定的差別甚至產(chǎn)生畸變，產(chǎn)生這些現(xiàn)象叫做失真。放大器的非線性失真的原因主要有兩個：①晶體管等特性的非線性;②靜態(tài)工作等位置設(shè)置的不合適或輸入信號過大，放大器件工作在非線性區(qū)而產(chǎn)生的非線性失真[1]。

在現(xiàn)實生活中調(diào)試放大器時往往是在時域上觀察波形的失真程度，然而用肉眼看時域上的波形是很難看出波形的非線性失真程度的，因此我們設(shè)計使用了FFT算法，將一個信號的時域波形變換到頻域來計算波形的總諧波失真度，進而清晰地了解到正弦波的非線性失真程度，有針對性地對放大器性能的進行改善。此系統(tǒng)的設(shè)計可以廣泛應用于各種需要進行調(diào)試放大器模塊的場合，更加方便人們進行電路調(diào)試。

1 整體方案設(shè)計

本設(shè)計采用STM32F407為主控器件，輸入信號經(jīng)過三極管兩級放大電路輸出，經(jīng)單片機控制的74HC4051模擬開關(guān)自動控制輸出，經(jīng)過電位抬升電路，進入STM32F407單片機，在單片機內(nèi)部進行AD采樣并運行FFT算法，測量由信號源產(chǎn)生的正弦波、三角波、方波的總諧波失真度，并對輸入的正弦信號進行頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真的失真類型判斷，總諧波失真度數(shù)值和判斷結(jié)果最終通過液晶顯示。系統(tǒng)組成框圖及電路實物圖如圖1、圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

圖2 電路實物圖

2 FFT和總諧波失真度原理

FFT實質(zhì)是通過唯一線性組合的方式，將一個周期函數(shù)變成若干個三角函數(shù)，就稱該方式為原函數(shù)的FFT變換[2]。FFT的算法可以分為按時間抽取算法和按頻率抽取算法兩種，可從DFT運算來簡要介紹FFT的基本原理[3]。N個樣本的DFT的運算為[4]：

基4算法能夠計算的離散數(shù)列的點數(shù)需為4的整數(shù)次冪，分解的次數(shù)較少，但蝶形運算相對復雜，數(shù)據(jù)訪問次數(shù)少，計算量也少，完成一定點數(shù)的DFT計算需要時間較少【5】。

假設(shè)采樣頻率為Fs，信號頻率為F，采樣點數(shù)為N[6]。那么FFT之后的結(jié)果就是一個為N點的復數(shù)。每一個點就相對應著一個頻率點。這個點對應下的模值，就是該頻率點下的幅度特性。基于此思路，再利用STM32F4自帶的FFT封裝程序完成程序設(shè)計。總諧波失真度（THD）定義：若線性放大器輸入電壓[7]：

其含有非線性失真的輸出交流電壓為：

則有：

3 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要由STM32單片機模塊、兩級晶體管放大電路模塊、電位抬升模塊組成。STM32單片機模塊主要用于控制模擬開關(guān)及運行FFT算法進行總諧波失真度的測量，兩級晶體管放大電路模塊用于將信號放大和正弦波失真波形的輸出，電位抬升模塊將交流信號混入直流信號，使信號輸入AD前電位抬升到AD采樣對電位需求的范圍。

系統(tǒng)主要控制模塊采用STM32F407單片機模塊，STM32F407有256KRAM，1MROM，主頻也很高，達168M，因此運算能力十分強大。芯片上外設(shè)豐富，定時器多達14個或17個，PWM功能強大，其ADC精度也達到12位，還有DA模塊、實時時鐘和浮點運算單元，能夠達到實現(xiàn)本系統(tǒng)所需功能的要求。

兩級晶體管放大電路模塊采用9013型號三極管作為放大器件，用兩級分壓式靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路級聯(lián)實現(xiàn)信號幅值放大100倍以上。兩級晶體管放大電路模塊輸入輸出連接撥碼開關(guān)，實現(xiàn)當信號源輸入時，其中一條通道是沒有經(jīng)過兩級晶體管放大電路的導線，直接和STM32單片機的輸入端口連接，信號源信號直接輸入到STM32單片機；另一條通道是一條經(jīng)過兩級晶體管放大電路的通道，使用此通道時，信號源輸入，將信號放大處理或失真處理后進入到下一級電路的輸入端口。當輸入頻率為1kHz、峰峰值為20mV的正弦波時，四個模擬開關(guān)74HC4051控制晶體管放大電路五種靜態(tài)工作點，其中一路波形接上OTL乙類功率放大電路，產(chǎn)生交越失真，從而實現(xiàn)正弦波的正常波形、頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真的五種波形放大輸出到下一級電路。兩級晶體管放大電路模塊原理圖如圖3所示。

圖3 兩級晶體管放大電路原理圖

電位抬升模塊用于交流信號加直流信號輸入，輸出為交直流混合信號，又叫脈動直流。這里所謂電平抬高指直流成分，加入直流等于抬高交流信號零基線。AD的輸入阻抗較低或者速度較快，因此需要增加一個電位抬升模塊。本系統(tǒng)采用LM358和AMS1117來設(shè)計電位抬升電路，由AMS1117提供一個直流電壓，與交流輸入信號混合，形成一個交直流混合信號，再通過LM358緩沖輸出。電位抬升模塊原理圖如圖4所示。

圖4 電位抬升模塊原理圖

4 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)通過keil5軟件進行程序的編譯調(diào)試及設(shè)計,測試階段使用串口與上位機通信傳輸ADC接收數(shù)據(jù)，再在excel表格進行數(shù)據(jù)分析與波形繪制。本系統(tǒng)使用的主控單片機為STM32F407，由單片機內(nèi)部ADC采集信號，當采集足夠數(shù)據(jù)時，主控模塊采用FFT算法函數(shù)來分析、計算出一次、二次···n次諧波失真度，并取其中前5次諧波失真來計算總諧波失真度的近似值。各種失真波形的變換控制，使用了74HC4051模擬開關(guān)芯片，通過單片機的引腳置I/O口來更換。最后，將所有處理完的數(shù)據(jù)通過spi通信發(fā)送給顯示模塊。

圖5 軟件流程圖

5 測試結(jié)果與分析

將放大器非線性失真檢測系統(tǒng)上電測試，圖6是輸入頻率為1kHz，峰峰值為2mV的正弦波經(jīng)過晶體管兩級放大電路通道選擇輸出的五種波形在示波器上的顯示情況，依次為正弦波、頂部失真、底部失真、雙向失真和交越失真的波形圖。

圖6 晶體管放大電路波形輸出

本系統(tǒng)成功實現(xiàn)了失真類型判斷功能，其中圖7為頂部失真的失真類型判斷結(jié)果。

圖7 屏幕顯示界面

表1為本系統(tǒng)五種波形所對應的總諧波失真度，可以觀察出正弦波的總諧波失真度很小，交越失真的總諧波失真度的值最大。

表1 失真度測量的實驗結(jié)果

表2是測量由信號源產(chǎn)生的1kHz，2V的正弦波、三角波和方波的三種波形的總諧波失真度，可以清晰觀察一次到五次諧波分量的數(shù)值。其中，方波的總諧波失真度是最大的，為38.764957。

表2 五種諧波分量和總諧波失真度

根據(jù)實物制作的完成，由實驗成果現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析，結(jié)合快速傅里葉（FFT）理論算法和總諧波失真度（THD）理論驗證，驗證了本系統(tǒng)研究的可行性和準確性。但是由于硬件和軟件的聯(lián)合，以及電路布局的影響，會讓本系統(tǒng)存在一定的誤差。

6 結(jié)束語

本設(shè)計經(jīng)過大量的實驗分析與驗證，最終證明通過STM32單片機的控制、利用FFT算法，可以很好地實現(xiàn)在一定的誤差范圍內(nèi)，較為準確地測量正弦波經(jīng)晶體管放大電路輸出的非線性失真波形的總諧波失真度及由信號源產(chǎn)生的正弦波、三角波、方波的總諧波失真度，并且能夠?qū)斎氲恼倚盘栠M行非線性失真類型判斷。該設(shè)計的成果可以廣泛應用于實際調(diào)試放大器的過程中，實現(xiàn)較為清楚判斷正弦波形非線性失真的失真程度，進而有針對性地對放大器模塊的電路性能進行完善，具有廣闊的實際應用前景。