放大器非线性失真测量装置的设计与实现

2022-06-16刘丽丽左继红

工业仪表与自动化装置 2022年3期

刘丽丽，左继红

(湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 412003)

0 引言

非线性失真是影响模拟电路性能的其中一个重要因素,研究它对改善电路性能有重要意义。总谐波失真(Total Harmonic Distortion,简称THD)是度量信号非线性失真的重要参数之一,它反映了信号偏离正弦波的程度，是衡量运算放大器、功率放大器等器件和函数信号发生器等仪器的重要指标，在信号分析、频谱仪等诸多领域THD的测量有着重要意义与广泛应用[1-3]。现有的测量信号THD的方法或仪器，对于较低频率(如1 Hz以下)的信号无法测量。该文基于STM32F103RET6设计的放大器非线性失真测量装置，可测量频率0.1 Hz～10.0 kHz信号的THD，为信号失真度的测量提供了较好的解决方案。

该装置以晶体管放大电路、电平转换电路和模拟开关作为基本电路，通过液晶触摸屏控制电路输出无明显失真、顶部失真、底部失真、双向失真和交越失真波形。控制器采集输出数据进行快速傅里叶变换，将信号从时域转换成频域，得到信号的频谱、失真度等参数。该系统硬件结构简单、稳定可靠、测量精度高，可广泛应用于信号分析、频谱仪等领域[4-5]。

1 系统原理及设计方案

1.1 系统原理

该装置以晶体管放大电路、电平转换电路和模拟集成开关作为基本电路，控制器通过控制模拟开关来调整放大电路中电阻的阻值以改变静态工作点。静态工作点工作在放大区，放大器输出无明显失真波形；静态工作点工作在截止区，放大器会输出顶部失真波形；静态工作点工作在饱和区，放大器会输出底部失真波形；调整放大电路中电阻的阻值提高放大倍数，则会输出双向失真波形；放大电路输出级采用OTL电路，将2只二极管用开关短路，电路会输出交越失真波形。控制器可通过液晶触摸屏实现5种波形的切换，并采集这5种输出信号；也可以采集其他被测信号数据进行快速傅立叶(FFT)[6-7]，得到基波和各谐波的幅值(分别为U01，U02,U03,U04,U05)，代入式(1)可得失真度，并通过液晶屏显示被测信号波形、频谱及THD等信息。

(1)

1.2 总体设计方案

该文设计的放大器非线性失真测量装置，具有输出各种非线性失真波形、数据采集、信号分析处理和显示等功能，系统总体框图如图1所示。STM32控制系统输出电平给电压转换电路，控制模拟开关调整晶体管放大电路的静态工作点，实现不同失真波形的输出。控制器可采集被测信号数据进行快速傅里叶变换，计算得到频谱、失真度等参数并显示。

图1 系统总体框图

2 硬件电路设计

2.1 晶体管放大电路

晶体管放大电路采用两级分压式共射放大电路和OTL电路。各级电路采用阻容耦合方式，各级静态互不影响。控制器控制放大电路中的模拟开关以调整两级分压式共射放大电路的静态工作点，电路将会输出无明显失真、顶部失真、底部失真和双向失真波形；将OTL电路中2只二极管短路，电路输出交越失真波形。晶体管放大电路如图2所示，图中TP1用于接输入信号，TP2用于接示波器，TP3用于接控制器采集端。

2.2 模拟开关模块

将CD4053和CD4052模拟开关芯片用于放大电路中的开关，实现STM32自动控制5种波形电路的切换，如图3所示。图中A,B,C,D,E引脚用于连接电平转换电路。CD4053的4脚、14脚和15脚用于开关一端，2脚、3脚和13脚用于开关另一端；CD4052的3脚和13脚用于开关一端，2脚和15脚用于开关另一端，VCC接10 V电源。

图3 模拟开关模块

2.3 电压转换电路

电压转换电路可将STM32输出的3.3 V高电平转换为10 V高电平，电路如图4所示。因为放大电路采用10 V直流电源供电，模拟开关在放大电路中作为开关使用，输入控制端的应为10 V高电平，则需将单片机输出的高电平3.3 V变换为10 V高电平，作为模拟开关的控制端。图中A,B,C,D,E引脚接模拟开关，P1.0,P1.1,P1.2,P1.3和P1.4接STM32输出口。

图4 电压转换电路

3 软件设计

该装置的系统函数主要包括初始化函数、ADC信号采集函数、FFT运算函数和数据处理等，图5为系统主程序流程图。系统初始化后，首先校准触摸屏，判断是否有触摸按键输入，有则输出电平信号，控制模拟开关；然后进行A/D采样，通过FFT算法，计算并显示频谱图、THD值等[8-9]。通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号。按照蝶形运算原理，FFT算法流程如图6所示。