基于STM32F103 單片機(jī)的放大器非線(xiàn)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(xiàn)性失真主要是由于晶體管工作在特性曲線(xiàn)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(xiàn)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(hù)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(hù)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(hù)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(xiàn)性放大器輸入為正弦信號(hào)時(shí)，其非線(xiàn)性失真表現(xiàn)為輸出信號(hào)中出現(xiàn)諧波分量，非線(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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?xún)?nèi)，測(cè)試效果良好。

4 結(jié)論

文中在詳細(xì)介紹了非線(xiàn)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(xiàn)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。