一种放大器非线性失真测量装置的设计与实现

2021-11-29李彬彬姬丰欣孔瑞文陈祝洋

科教导刊·电子版 2021年26期

李彬彬姬丰欣孔瑞文崔渊张芬陈祝洋

（江苏理工学院电气信息工程学院江苏·常州 213001）

0 引言

日益复杂的放大器电路需要对电压增益、失真程度进行实时的检测，因此对于非线性失真的检测不能停留于表面，而需要较为精确的检测并显示出失真类型、总谐波的失真度等参数。此外，在保证仪器测量精度的前提下，提高仪器的便携性和远程操作性更是发展的重要方向，因此制作一个放大器非线性失真的检测系统是十分有必要的，并且具有很高的实用价值[1]。

1 系统方案设计

本装置通过三极管放大器的级联、隔离模块、带通滤波器及其STM32实现研究放大器非线性失真。通过放大电路模块实现电压放大，并通过继电器选择五种不同的非线性失真的显示，其中通过带通滤波器可以过滤出特定频段的波，实现基波、谐波分离，通过AD637采集电压有效值，并传递给STM32，STM32完成对整个测量电路的功能控制和数据处理，通过公式1计算得到总谐波失真值。

放大器非线性失真测量装置的系统方案设计框图如图1所示。

图1：系统方案设计框图

2 核心电路设计

2.1 放大电路模块

本设计放大电路模块采用多级放大电路，其中第一级设计为共射极放大电路，采用400和700作为负载电压分别产生放大系数为7倍和10倍的共射极电路，第二级电路采用共集放大电路，完成信号的隔离。第三级使用单刀三掷开关分别完成对不同电阻的电路切换，用以完成对共射极电路Rc的变化，分别接入15K/27k/12k实现对波形的不同程度的放大。

2.2 隔离模块

本设计中隔离模块采用电压跟随器的方式。输入电压与输出电压同相，且电压放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器具有高输入电阻、低输出电阻的特点。当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路，当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响，将负载对输入端的影响隔离掉，减小失真度[2]。

2.3 检波模块

本设计采用AD637芯片实现均方根值检波。AD637内部集成了绝对值电路、平方电路、开方电路和积分器电路，几乎不需要任何外围元件。有效值检波电路输出结果等于被测信号有效值，始终在周期内对被测信号进行方均根运算，测量精度较高，适用于任意信号的测量。

2.4 滤波器模块

带通滤波器是一种通过同时屏蔽其他频段的设备。此处要通过五个中心频率精准的带通滤波器分别过滤出1k,2k,3k,4k,5k赫兹的谐波，这就要求每个滤波器的过滤带要尽可能的小（不影响其他谐波的过滤）。在此处采用Filter-Pro软件，选取理想参数，可直接生成该滤波器的设计图。

3 控制软件设计

本设计软件控制部分由STM32单片机完成，如图2，首先单片机STM32对液晶和串口进行初始化设置，并在主界面上进行显示，接着设置AD采样间隔，然后判断是否有按键按下，按键0、1、2、3、4、5分别对应显示无明显失真电压、“顶部失真”电压、“底部失真”电压、“双向失真”电压、“交越失真”电压和“总谐波失真”近似值[3]。

图2：软件总体设计流程图

4 数据结果与分析

在外界信号源输出频率1kHz、峰峰值20mV的正弦电压的情况下，通过单片机控制放大电路，使其分别测量无明显失真的正弦电压波形的总谐波失真度、顶部失真电压波形的总谐波失真度、底部失真的电压波形总谐波失真度、双向失真的电压波形总谐波失真度和交越失真的电压波形总谐波失真度，并与仿真得到的理论结果进行比较，结果如表1所示。