基于STM32F103 單片機(jī)的放大器非線性失真研究裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 超，錢(qián) 韻，喬友田

（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225200）

放大器的非線性失真主要是由于晶體管工作在特性曲線的彎曲部分而引起的。這里又分底部失真、頂部失真、雙向失真和交越失真4 種情況。當(dāng)晶體管的偏置點(diǎn)設(shè)置的偏低，會(huì)引起底部失真；設(shè)置偏高會(huì)引起頂部失真。雙向失真是由于輸入信號(hào)過(guò)大造成的。交越失真常見(jiàn)于推挽電路中，通常出現(xiàn)在通過(guò)零值處。由于電路非線性會(huì)產(chǎn)生諧波與實(shí)際輸入信號(hào)疊加，在輸出端輸出的信號(hào)除了與輸入信號(hào)完全相同的成分，還包括諧波成分的信號(hào)，總諧波失真就是用于衡量所有諧波引起波形失真的程度，是信號(hào)的一個(gè)重要的指標(biāo)。本次設(shè)計(jì)通過(guò)事先設(shè)置好能實(shí)現(xiàn)4 種失真現(xiàn)象的電路，通過(guò)STM32 單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行選路，顯示4 種失真的波形，并計(jì)算總諧波失真，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大作用和參數(shù)測(cè)量的分析[1-2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖1 所示，整個(gè)系統(tǒng)以STM32F103 單片機(jī)為核心，STM32F 系列屬于中低端的32 位ARM 微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3。STM32F103 含有2 個(gè)12 位A/D 轉(zhuǎn)換器，支持DMA 通道。

圖1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)的工作過(guò)程是單片機(jī)根據(jù)用戶的輸入，打開(kāi)對(duì)應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)接口，外部信號(hào)經(jīng)前置放大電路放大后送入后面的4 種狀態(tài)的晶體管放大電路的一路處理后送至信號(hào)的輸出端，同時(shí)送入STM32F103 的A/D 采樣口，STM32F103 以10.24 K 的采樣速率采樣1 024 個(gè)點(diǎn)后進(jìn)行FFT 計(jì)算，算出信號(hào)的總諧波失真，并通過(guò)LCD12864 液晶顯示模塊顯示。

1.1 電源模塊

系統(tǒng)的電源包含3 種電源+12 V、-12 V 和+5 V。+12 V、-12 V 電源由ADDC 的隔離型穩(wěn)壓電源提供，+5 V 的電源利用DC/DC 轉(zhuǎn)換器LM2586 將+12 V 轉(zhuǎn)換成+5 V，其應(yīng)用電路如圖2 所示。

圖2 LM2586 的5 V 電源電路

1.2 前置放大電路

前置放大電路將峰峰值為20 mV 的正弦交流電放大到峰峰值約為1 V 左右，采取的是兩級(jí)電壓串聯(lián)交流負(fù)反饋放大電路，電壓放大倍數(shù)約為50，其電路圖如圖3 所示[3-4]。

圖3 電壓串聯(lián)交流負(fù)反饋放大電路

1.3 4 種組合的晶體管放大電路

4 種組合的放大電路的設(shè)計(jì)如圖4 所示，其中圖4（a）、4（b）均采用的共射三極管放大電路，供電電壓為12 V，通過(guò)設(shè)置集電極的電阻阻值的大小，設(shè)置其偏置點(diǎn)工作在較高（較低），用于實(shí)現(xiàn)頂部（底部）失真現(xiàn)象；圖4（c）也采用共射三極管放大電路，其供電電壓為5 V，其靜態(tài)工作點(diǎn)在2.5 V 左右，用于實(shí)現(xiàn)雙向失真現(xiàn)象；圖4（d）采用的推挽結(jié)構(gòu)的共射三極管放大電路，其供電電壓為+12 V 和-12 V，用于實(shí)現(xiàn)交越失真現(xiàn)象。其仿真結(jié)果如圖5 所示[3，5]。

圖4 4 種組合的放大電路

圖5 4 種失真波形圖

1.4 模擬開(kāi)關(guān)電路

模擬開(kāi)關(guān)電路分前級(jí)和后級(jí)2 個(gè)部分，前級(jí)實(shí)現(xiàn)1—4 的選擇，后級(jí)實(shí)現(xiàn)4—1 的選擇，模擬開(kāi)關(guān)均采用單端8 通道多路開(kāi)關(guān)CD4051 芯片，CD4051 相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開(kāi)關(guān)，由輸入的3 位地址碼ABC 來(lái)決定開(kāi)關(guān)接通哪一通道。此外，CD4051 還設(shè)有電源負(fù)端VEE，以作為電平位移時(shí)使用，使這種多路開(kāi)關(guān)可傳輸峰峰值達(dá)15 V 的交流信號(hào)。其實(shí)現(xiàn)電路如圖6 所示。

圖6 模擬開(kāi)關(guān)電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要思路是單片機(jī)系統(tǒng)做一些初始化工作后（內(nèi)存的初始化，IO 口的初始化，A/D 轉(zhuǎn)化器的初始化，DMA 通道的初始化以及中斷的初始化等），等待用戶按下啟動(dòng)鍵，然后根據(jù)選擇的失真類(lèi)型接通相應(yīng)的通路，同時(shí)啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換，打開(kāi)DMA 通道，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)采樣1 024 個(gè)點(diǎn)后，觸發(fā)一次中斷，中斷觸發(fā)后，系統(tǒng)停止采樣，關(guān)閉DMA 通道，根據(jù)采樣的1 024 個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算1 024 點(diǎn)DFT，計(jì)算并顯示THD，最后等待下一次用戶的啟動(dòng)，其主程序流程圖如圖7 所示[6]。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖

2.2 總諧波失真（THD）的計(jì)算

2.2.1 總諧波失真（THD）的定義

線性放大器輸入為正弦信號(hào)時(shí)，其非線性失真表現(xiàn)為輸出信號(hào)中出現(xiàn)諧波分量，非線性失真程度常用總諧波失真（THD）衡量。

若信號(hào)輸入電壓ui=Uicosωt，其含有非線性失真的輸出交流電壓為

則總諧波失真（THD）定義為

2.2.2 FFT 計(jì)算連續(xù)信號(hào)的頻譜[7-8]

若單片機(jī)采集到離散信號(hào)的點(diǎn)數(shù)為N（N 滿足N＝2M，M 為自然數(shù)）的波形離散序列x（n），n＝0，1，…，N－1。則x（n）的離散傅里葉變換為

式中：k=0，1，2，…，N-1。

本設(shè)計(jì)采樣頻率fs=10 240 Hz，采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為1 024 個(gè)，則頻率分辨率為10 Hz，因此1 kHz，2 kHz，3 kHz，4 kHz，5 kHz 對(duì)應(yīng)的k 為200，400，600，800 和1 000，即有UO1=X（100），UO2=X（200），UO3=X（300），UO4=X（400），UO5=X（500）。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形

信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)頻率為1 kHz、峰峰值為20 mV的正弦信號(hào)，輸出接示波器，觀察4 種失真信號(hào)波形與幅值，輸出波形如圖8 所示。

圖8 4 種失真的波形

3.2 測(cè)量結(jié)果分析

THD 的測(cè)量通過(guò)2 種方法：一是通過(guò)示波器MATH檔中的FFT 功能測(cè)出各次諧波的電壓值再通過(guò)THD 的計(jì)算公式手動(dòng)計(jì)算出THD 的值；二是用本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算兩者之間的誤差值。其測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 THD 測(cè)量結(jié)果

表1 給出了4 種波形的示波器測(cè)量THD 結(jié)果和單片機(jī)系統(tǒng)測(cè)量THD 結(jié)果，經(jīng)過(guò)對(duì)比測(cè)算表明單片機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確準(zhǔn)確。示波器測(cè)量結(jié)果與單片機(jī)測(cè)量數(shù)值近似相等，誤差在5%以內(nèi)，測(cè)試效果良好。

4 結(jié)論

文中在詳細(xì)介紹了非線性失真放大器的研究設(shè)計(jì)。首先，介紹了電路的工作點(diǎn)對(duì)放大電路的影響，接著從這些影響因素出發(fā)，進(jìn)行LTspice 仿真，觀察得到輸入信號(hào)通過(guò)放大電路之后，不同的工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的輸出波形，最終制作出實(shí)物作品。

本文設(shè)計(jì)的放大器非線性失真裝置，測(cè)量方法測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度較高，在電子技術(shù)類(lèi)課程的教學(xué)中具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。