放大器非线性失真研究装置

2021-06-30王楚楚林权沈镐哲金浥金宝根卢新祥

电子测试 2021年5期

王楚楚，林权，沈镐哲，金浥，金宝根，卢新祥

（绍兴文理学院数理信息学院，浙江绍兴，312000）

关键字：非线性失真；STM32F407；FFT；THD；晶体管放大器

0 引言

放大器处在理想工作状态时，其输入信号应与输出信号波形一致。而在实际电路工作时，放大器的输入信号与输出信号的波形总会存在一定的差别，这种现象叫失真。造成非线性失真的原因主要有两个：(1)晶体管等特性的非线性；(2)各部分电路静态工作点不同，导致模块的工作电平超出了其内部晶体管的线性工作范围。本次设计通过改变偏置电路来改变静态工作点，从而实现四种失真现象。

1 系统构成

此设计的系统框图如图1所示。

图1 系统框图

本设计将交流220V经过变压、整流与稳压滤波后产生12V、-12V、5V、-5V电压，以此作为电源模块。输入端输入正弦波信号后，通过按键控制通道选择输出原始信号还是放大电路模块的输出信号，并将波形在示波器上显示。其中，放大电路模块使用4051模拟开关，实现对顶部失真、双向失真、底部失真、正常放大、交越失真等5类放大电路通道的自动轮询或人工切换，同时对所选通道的放大电路输出信号进行AD采集，通过STM32F4核心板处理采集的AD信号并进行FFT运算，最后求得输出信号的THD值并显示在TFTLCD液晶屏上。

2 硬件设计

本装置由STM32F407核心控制板、晶体管及偏置电路组成，通过改变五个通道的放大器偏置电路调节静态工作点，实现“无明显失真”、“顶部失真”、“底部失真”、“双向失真”、“交越失真”五种波形。

2.1 控制部分

STM32F407单片机基于高性能32位RISC内核，拥有168MHz主频、1MFLASH、64KRAM、18路12位ADC等外设，尤其适用于浮点运算及DSP处理的应用。此外，STM32F4具有更快的模数转换速度。

2.2 检测部分

由信号发生器输出的20mV、1kHz正弦信号作为整个电路的输入信号，通过单刀双掷开关选择输出测试电路。测试电路一，输入正弦信号直接经MCP6002放大电路得到输出电压，测试MCP6002放大电路效果。测试电路二，输入正弦信号经4051选择晶体管放大电路，再由4051输出波形，用示波器可以观察测得。测试电路三，单片机通过AD采集MCP6002输出信号，经FFT计算得各次谐波分量。

2.3 电路部分

放大电路选择了基极分压式共射极放大电路，该电路的直流静态工作点和负反馈易于计算，能够仅调整各个元器件参数获得各个失真波形。电路中的三极管选择2N3904型NPN三极管，该三极管具有较低的漏电流，直流电流增益线性度好，集电极-发射极饱和压降小，理论值与实际值的差距会比较小。另外在交越失真电路中，选择2N3904和2N3906组成乙类互补对称功率放大电路。在发生失真后，部分电路的峰峰值会小于2V，因此需要在其后再连接一个无失真的放大电路组成多级放大电路，提高电压放大倍数。有了5个独立的能够产生不同失真情况的放大电路后，我们要让信号源的信号能够正确地输入到需要的放大电路中。我们使用了两片具有低导通阻抗和很低的截止漏电流的 CD4051单端8通道电子开关，它有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入。以下为四种失真及无明显失真的电路原理图：

图2 电路原理图

其中：a为“双向失真”，b为“无明显失真”，c为“顶部失真”，d为“底部失真”，e为“交越失真”。

2.4 显示部分

因为TFT-LCD液晶显示屏低功耗，固体化使用安全性、可靠性高、平板化、轻薄，节约了大量空间，此外其亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳、无闪烁便于更好的观察波形图。本系统采用TFT-LCD液晶显示屏，以显示THD值和波形图。

2.5 电源部分

本设计使用交流220V经过变压整流与稳压滤波后产生12V、-12V、5V、-5V电压，以此作为不同通道的馈电直流电压。

3 理论模型分析

3.1 理论定义

线性放大器输入为正弦信号的时候，其非线性失真表现为输出信号中出现谐波分量，常用总谐波失真（THD）来衡量线性放大器的非线性失真程度。而快速傅里叶变换（FFT）就是一种时间复杂度为的算法，它能将一个多项式转换成它的点值表示。因此，我们采用快速傅里叶变换来计算THD值。

3.2 FFT计算原理

FFT是用于计算DFT的快速算法，它是基于复数的，因此在计算实数DFT时需先转换为复数的格式。实数DFT将时域中N点信号转换为2个（N/2+1）的频域信号，其中一个信号为实部，另一个信号为虚部，而实部和虚部分别是正弦和余弦信号的幅度。在这次设计中，我们使用了STM32F4的浮点运算库中的cfft函数，可以通过采集的数据，直接计算出基波及各次谐波的幅度值，并存于数组中。当对1024个点采样完毕后，通过已有的DSP库中的现成算法函数FFT进行变换计算。首先利用arm_cfft_radix4_init_f32(&scfft,FFT_LENGTH,0,1)函数对FFT进行初始化设置，随后调用arm_cfft_radix4_f32(&scfft,fft_inputbf)函数来实现程序中时域变频域的计算。运用arm_cmplx_mag_f32(fft_inputbuf,fft_outputbuf,FFT_LENGTH)函数计算复数模值，执行取模操作，其中fft_inputbuf为复数输入数组，指向FFT变换后的结果；outputbuf为输出数组，存储取模后的值；FFT_LENGTH指的是取模个数。