基于STM32F103 單片機的放大器非線性失真研究裝置設計與實現

張 超，錢 韻，喬友田

（揚州市職業大學，江蘇 揚州 225200）

放大器的非線性失真主要是由于晶體管工作在特性曲線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。當晶體管的偏置點設置的偏低，會引起底部失真；設置偏高會引起頂部失真。雙向失真是由于輸入信號過大造成的。交越失真常見于推挽電路中，通常出現在通過零值處。由于電路非線性會產生諧波與實際輸入信號疊加，在輸出端輸出的信號除了與輸入信號完全相同的成分，還包括諧波成分的信號，總諧波失真就是用于衡量所有諧波引起波形失真的程度，是信號的一個重要的指標。本次設計通過事先設置好能實現4 種失真現象的電路，通過STM32 單片機控制模擬開關進行選路，顯示4 種失真的波形，并計算總諧波失真，實現對信號的放大作用和參數測量的分析[1-2]。

1 系統硬件設計

如圖1 所示，整個系統以STM32F103 單片機為核心，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體（ST）公司出品，其內核是Cortex-M3。STM32F103 含有2 個12 位A/D 轉換器，支持DMA 通道。

圖1 系統的組成

系統的工作過程是單片機根據用戶的輸入，打開對應的模擬開關接口，外部信號經前置放大電路放大后送入后面的4 種狀態的晶體管放大電路的一路處理后送至信號的輸出端，同時送入STM32F103 的A/D 采樣口，STM32F103 以10.24 K 的采樣速率采樣1 024 個點后進行FFT 計算，算出信號的總諧波失真，并通過LCD12864 液晶顯示模塊顯示。

1.1 電源模塊

系統的電源包含3 種電源+12 V、-12 V 和+5 V。+12 V、-12 V 電源由ADDC 的隔離型穩壓電源提供，+5 V 的電源利用DC/DC 轉換器LM2586 將+12 V 轉換成+5 V，其應用電路如圖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，采取的是兩級電壓串聯交流負反饋放大電路，電壓放大倍數約為50，其電路圖如圖3 所示[3-4]。

圖3 電壓串聯交流負反饋放大電路

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計如圖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，通過設置集電極的電阻阻值的大小，設置其偏置點工作在較高（較低），用于實現頂部（底部）失真現象；圖4（c）也采用共射三極管放大電路，其供電電壓為5 V，其靜態工作點在2.5 V 左右，用于實現雙向失真現象；圖4（d）采用的推挽結構的共射三極管放大電路，其供電電壓為+12 V 和-12 V，用于實現交越失真現象。其仿真結果如圖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 模擬開關電路

模擬開關電路分前級和后級2 個部分，前級實現1—4 的選擇，后級實現4—1 的選擇，模擬開關均采用單端8 通道多路開關CD4051 芯片，CD4051 相當于一個單刀八擲開關，由輸入的3 位地址碼ABC 來決定開關接通哪一通道。此外，CD4051 還設有電源負端VEE，以作為電平位移時使用，使這種多路開關可傳輸峰峰值達15 V 的交流信號。其實現電路如圖6 所示。

圖6 模擬開關電路

2 系統軟件設計

2.1 系統軟件設計總流程

系統軟件設計主要思路是單片機系統做一些初始化工作后（內存的初始化，IO 口的初始化，A/D 轉化器的初始化，DMA 通道的初始化以及中斷的初始化等），等待用戶按下啟動鍵，然后根據選擇的失真類型接通相應的通路，同時啟動A/D 轉換，打開DMA 通道，當單片機系統采樣1 024 個點后，觸發一次中斷，中斷觸發后，系統停止采樣，關閉DMA 通道，根據采樣的1 024 個數據計算1 024 點DFT，計算并顯示THD，最后等待下一次用戶的啟動，其主程序流程圖如圖7 所示[6]。

圖7 系統主程序流程圖

2.2 總諧波失真（THD）的計算

2.2.1 總諧波失真（THD）的定義

線性放大器輸入為正弦信號時，其非線性失真表現為輸出信號中出現諧波分量，非線性失真程度常用總諧波失真（THD）衡量。

若信號輸入電壓ui=Uicosωt，其含有非線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 計算連續信號的頻譜[7-8]

若單片機采集到離散信號的點數為N（N 滿足N＝2M，M 為自然數）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。

本設計采樣頻率fs=10 240 Hz，采樣的數據點數為1 024 個，則頻率分辨率為10 Hz，因此1 kHz，2 kHz，3 kHz，4 kHz，5 kHz 對應的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 實驗

3.1 實驗結果波形

信號發生器輸出信號頻率為1 kHz、峰峰值為20 mV的正弦信號，輸出接示波器，觀察4 種失真信號波形與幅值，輸出波形如圖8 所示。

圖8 4 種失真的波形

3.2 測量結果分析

THD 的測量通過2 種方法：一是通過示波器MATH檔中的FFT 功能測出各次諧波的電壓值再通過THD 的計算公式手動計算出THD 的值；二是用本系統進行測量，計算兩者之間的誤差值。其測量結果見表1。

表1 THD 測量結果

表1 給出了4 種波形的示波器測量THD 結果和單片機系統測量THD 結果，經過對比測算表明單片機系統的計算結果較準確準確。示波器測量結果與單片機測量數值近似相等，誤差在5%以內，測試效果良好。

4 結論

文中在詳細介紹了非線性失真放大器的研究設計。首先，介紹了電路的工作點對放大電路的影響，接著從這些影響因素出發，進行LTspice 仿真，觀察得到輸入信號通過放大電路之后，不同的工作點對應不同的輸出波形，最終制作出實物作品。

本文設計的放大器非線性失真裝置，測量方法測試過程簡單，測試結果準確度較高，在電子技術類課程的教學中具有較好的推廣應用價值。