基于單片機的放大器非線性失真研究裝置設(shè)計

賀濤 劉俊豪

摘要：

放大電路是模擬電子電路的核心，本電路設(shè)計是基于晶體管放大器組成的非線性失真研究裝置，本裝置可以產(chǎn)生和顯示無明顯失真、頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真波形并顯示波形的頻率、峰峰值和THD。電路由電源模塊，晶體管放大電路可控失真波形模塊，OTL功率放大器做成的交越失真模塊、STM32單片機、OLED顯示模塊組成。通過對兩級放大電路參數(shù)的合理設(shè)置設(shè)計出一個完整的非線性失真研究裝置。

關(guān)鍵詞：

單片機;放大器;非線性失真

中圖分類號：

TN722

文獻標識碼：

A

文章編號：

1672-9129（2020）15-0059-02

1系統(tǒng)方案

電路采用LM7805制作電源電路，采用三極管分壓式偏置放大電路作為電壓放大電路，以ARMCortex-M3為內(nèi)核的STM32F1系列控制芯片，通過OLED屏幕顯示波形及參數(shù)。

1.1單片機的論證與選擇。

方案一：根據(jù)要求采用STC89C51單片機芯片作為控制核心。C51單片機價格低廉，使用簡單，但其運算速度較低，功能單一，不適用。

方案二：采用以ARMCortex-M3為內(nèi)核的STM32F1系列控制芯片，抗干擾能力強，且為32位，具有極強的處理計算能力。綜合以上兩種方案，選擇方案二。

1.2電源模塊的論證與選擇。

方案一：采用LM2596做一個可調(diào)電源，可調(diào)范圍高，結(jié)構(gòu)簡單，效率高，但噪聲太大，對后面的電路可能造成影響。

方案二：采用LM7805/7905/7812/7912做一個電源，78XX系列是正電壓穩(wěn)壓器，79XX系列是負電壓穩(wěn)壓器。使用簡單，線性調(diào)整率和負載調(diào)整率較好，使用起來可靠、方便、價格便宜，綜合以上兩種方案，由方案二穩(wěn)壓性能好，因此考慮用方案二。

1.3放大電路的論證與選擇。

方案一：采用LM324做四級運放，但失真不好控制。

方案二：采用三極管放大電路，它具有信號放大作用，且有截止和飽和功能，容易實現(xiàn)失真研究。綜合以上兩種方案，因此選擇方案二。

2電路設(shè)計

2.1雙5V電源設(shè)計。采用7805三端穩(wěn)壓芯片設(shè)計雙5V電源，一路5V為放大電路供電，一路5V為STM32系統(tǒng)板供電，其電路圖如如1所示：

2.2非線性失真放大電路設(shè)計。

設(shè)計兩級放大電路，前級為分壓式三極管放大電路，后級為一個OTL功率放大電路，兩級電路采用阻容耦合，前級的R3與后級的R9共同決定放大倍數(shù)。后級OTL的C4，R10組成自舉電路，克服電壓平頂失真的問題，RV2調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點，RV1調(diào)節(jié)中點電位，可以消除交越失真。

底部失真與頂部失真：三極管放大電路出現(xiàn)非線性失真與靜態(tài)工作點有關(guān)，如果靜態(tài)工作點很低，就容易出現(xiàn)底部失真;如果過高就會出現(xiàn)頂部失真。當(dāng)工作頻率低于或者高于這個通頻帶時，也會出現(xiàn)失真現(xiàn)象。

交越失真：又稱小信號失真，由于三極管PN結(jié)的壓降，互補對稱功放電路并不能使輸出波形很好地反映輸入的變化。由于沒有直流偏置，管子的基極電流Ib必須在Vbe大于某一數(shù)值（即門坎電壓，硅管約為0.6v，鍺管約為0.2v，）時才有顯著變化。當(dāng)Vt低于這個數(shù)值時ic1和ic2都基本為零，負載RL上無電流流過，出現(xiàn)一段死區(qū)，這就是交越失真。

雙向失真：三極管輸出特性曲線同時出現(xiàn)頂部和底部失真，三極管有飽和狀態(tài)又有截止狀態(tài)，信號源輸入信號過大導(dǎo)致三極管在放大時出現(xiàn)了雙向失真。

3程序的設(shè)計

3.1程序功能描述與設(shè)計思路。

通過STM32利用FFT對要波形采集與顯示。顯示電壓值、信號類型、頻率、THD。通過KEY按鍵控制波形的失真種類。控制順序：無明顯失真波形、頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真。

3.2程序流程圖。

4測試分析與結(jié)論

通過測試測試失真波形數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：

4.1輸入正弦信號頻率和電壓為1kHz，20mv時，輸出頻率為1kHz，電壓幅度為2V以上，并可以正常輸出無失真波形、平頂失真波形、底部失真波形、雙向失真波形和交越失真波形。

4.2按下STM32單片機的k1或k2按鍵，能夠控制四種失真波形及正常波形的切換和顯示實際輸出波形，測量諧波，并自適應(yīng)測量20Hz到2000Hz的波形。

（1）無明顯失真uo及總諧波。

（2）uo頂部失真波形和總諧波失真。

（3）uo底部失真波形和總諧波失真。

（4）uo雙向失真波形和總諧波失真。

（5）uo交越失真波形和總諧波失真。

通過對三極管放大電路的控制和FFT運算完成了放大器非線性失真研究裝置設(shè)計。

參考文獻：

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.1

[2]黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電路設(shè)計（第二版）[M].北京航空航天大學(xué)出版，2011