一種放大器非線性失真測量裝置的設計與實現

李彬彬 姬豐欣 孔瑞文 崔 淵 張 芬 陳祝洋

（江蘇理工學院電氣信息工程學院 江蘇·常州 213001）

0 引言

日益復雜的放大器電路需要對電壓增益、失真程度進行實時的檢測，因此對于非線性失真的檢測不能停留于表面，而需要較為精確的檢測并顯示出失真類型、總諧波的失真度等參數。此外，在保證儀器測量精度的前提下，提高儀器的便攜性和遠程操作性更是發展的重要方向，因此制作一個放大器非線性失真的檢測系統是十分有必要的，并且具有很高的實用價值[1]。

1 系統方案設計

本裝置通過三極管放大器的級聯、隔離模塊、帶通濾波器及其STM32實現研究放大器非線性失真。通過放大電路模塊實現電壓放大，并通過繼電器選擇五種不同的非線性失真的顯示，其中通過帶通濾波器可以過濾出特定頻段的波，實現基波、諧波分離，通過AD637采集電壓有效值，并傳遞給STM32，STM32完成對整個測量電路的功能控制和數據處理，通過公式1計算得到總諧波失真值。

放大器非線性失真測量裝置的系統方案設計框圖如圖1所示。

圖1：系統方案設計框圖

2 核心電路設計

2.1 放大電路模塊

本設計放大電路模塊采用多級放大電路，其中第一級設計為共射極放大電路，采用400和700作為負載電壓分別產生放大系數為7倍和10倍的共射極電路，第二級電路采用共集放大電路，完成信號的隔離。第三級使用單刀三擲開關分別完成對不同電阻的電路切換，用以完成對共射極電路Rc的變化，分別接入15K/27k/12k實現對波形的不同程度的放大。

2.2 隔離模塊

本設計中隔離模塊采用電壓跟隨器的方式。輸入電壓與輸出電壓同相，且電壓放大倍數恒小于且接近1。電壓跟隨器具有高輸入電阻、低輸出電阻的特點。當輸入阻抗很高時，就相當于對前級電路開路，當輸出阻抗很低時，對后級電路就相當于一個恒壓源，即輸出電壓不受后級電路阻抗影響，將負載對輸入端的影響隔離掉，減小失真度[2]。

2.3 檢波模塊

本設計采用AD637芯片實現均方根值檢波。AD637內部集成了絕對值電路、平方電路、開方電路和積分器電路，幾乎不需要任何外圍元件。有效值檢波電路輸出結果等于被測信號有效值，始終在周期內對被測信號進行方均根運算，測量精度較高，適用于任意信號的測量。

2.4 濾波器模塊

帶通濾波器是一種通過同時屏蔽其他頻段的設備。此處要通過五個中心頻率精準的帶通濾波器分別過濾出1k,2k,3k,4k,5k赫茲的諧波，這就要求每個濾波器的過濾帶要盡可能的?。ú挥绊懫渌C波的過濾）。在此處采用Filter-Pro軟件，選取理想參數，可直接生成該濾波器的設計圖。

3 控制軟件設計

本設計軟件控制部分由STM32單片機完成，如圖2，首先單片機STM32對液晶和串口進行初始化設置，并在主界面上進行顯示，接著設置AD采樣間隔，然后判斷是否有按鍵按下，按鍵0、1、2、3、4、5分別對應顯示無明顯失真電壓、“頂部失真”電壓、“底部失真”電壓、“雙向失真”電壓、“交越失真”電壓和“總諧波失真”近似值[3]。

圖2：軟件總體設計流程圖

4 數據結果與分析

在外界信號源輸出頻率1kHz、峰峰值20mV的正弦電壓的情況下，通過單片機控制放大電路，使其分別測量無明顯失真的正弦電壓波形的總諧波失真度、頂部失真電壓波形的總諧波失真度、底部失真的電壓波形總諧波失真度、雙向失真的電壓波形總諧波失真度和交越失真的電壓波形總諧波失真度，并與仿真得到的理論結果進行比較，結果如表1所示。

表1：總諧波失真度測試結果

5 結語

本文主要說明了放大器非線性失真裝置的設計過程及原理，包括三極管放大器的級聯電路、隔離模塊、帶通濾波器及其STM32單片機采集信號并完成對電壓信號幅值測量部分的軟件編寫，由此構成放大器非線性失真檢測裝置。該裝置在精確檢測電子系統中信號的失真類型、總諧波的失真度等參數有重要的實用價值。