放大器非線性失真研究裝置

（西華大學(xué)，四川 成都 610039）

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 理論分析及芯片選用依據(jù)

本系統(tǒng)需要以下幾種功能芯片：運(yùn)算放大器、微型單片機(jī)、A/D 轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓芯片。

其中選擇OPA2227 是因?yàn)樗且豢罴婢叩驮肼?、寬帶寬和高精度等特性的運(yùn)算放大器，因此是同時(shí)需要交流和精密直流性能應(yīng)用的理想選擇。OPA2227 具有穩(wěn)定的單位增益并具有高壓擺率(2.3V/μs)和寬帶寬(8MHz)。它針對5倍或更大的閉環(huán)增益進(jìn)行了優(yōu)化，并提供更高的速度以及10V/μs 壓擺率和33MHz 帶寬。

LM7812 與LM7912 是三端穩(wěn)壓集成電路IC 芯片元器件，適用于各種電源穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定性好、使用方便、輸出過流、過熱自動保護(hù)。LM7812 是正電壓輸出而LM7912是負(fù)電壓輸出。三端穩(wěn)壓管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí)，在一定的電流范圍內(nèi)(或者說在一定功率損耗范圍內(nèi))，端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性，因而廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中。LM7812 這樣的三端穩(wěn)壓器都有一個(gè)所謂“壓損”的問題，也就是穩(wěn)壓時(shí)所導(dǎo)致的輸入電壓與輸出電壓的落差值(穩(wěn)壓損耗)，一般的壓損是2.5V，如果要想得到12V 穩(wěn)壓值，必須使輸入電壓高于12+壓損，至少得有14.5V 以上才行，輸入電壓范圍是14.5-35V。低于12V 的不能用LM7812 達(dá)到12V。

LM317 與LM337 用于穩(wěn)壓電路。是應(yīng)用最為廣泛的電源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩(wěn)壓電路的最簡單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點(diǎn)。此外，還具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點(diǎn)。LM317 是可調(diào)節(jié)三端正電壓穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍1.2V 到37V 時(shí)能夠提供超過1.5A 的電流，此穩(wěn)壓器非常易于使用。

微型單片機(jī)[1]使用的是C51 單片機(jī)。MSC-51 單片機(jī)指以8051 為核心的單片機(jī)，由美國的Intel 公司在1980 年推出，80C51 是MCS-51 系列中的一個(gè)典型品種；其它廠商以8051為基核開發(fā)出的CMOS 工藝單片機(jī)產(chǎn)品統(tǒng)稱為80C51 系列。

1.2 設(shè)計(jì)方案論證

分析可知，放大器非線性失真研究裝置系統(tǒng)主要包括：電源電路、穩(wěn)壓電路、控制電路、幾種放大失真電路、衰減電路、采樣電路。設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要在幾種放大失真電路，方案論證主要圍繞這個(gè)部分展開。

1.2.1 放大失真電路

幾種放大失真電路是我們研究的主題。它決定了輸出波形是否能達(dá)到要求。不同的失真電路都有所不同，參數(shù)的選擇決定了輸出波形是何種失真。

方案一：先用三極管進(jìn)行放大后再使用晶體管中的二極管做一個(gè)限幅電路。此方案簡單但不能達(dá)到我們的研究要求。我們要研究放大器的非線性失真，就要通過調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)來調(diào)節(jié)其失真。

方案二：便是通過三級放大器級聯(lián)，通過短接帽調(diào)節(jié)基極電阻來調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)。電路簡單，布線少，在電路中的損失和噪聲就少。但參數(shù)調(diào)節(jié)只能手動調(diào)節(jié)。

方案三：是選擇分別畫出每個(gè)失真電路，通過單片機(jī)控制開關(guān)切換電路來顯示不同的失真波形。電路板雖多，但其互不干擾，能夠直觀看到其結(jié)果。且多數(shù)電路直接使用單級放大器便能達(dá)到其失真要求。但連線多會造成一些噪聲，讓輸出波形沒有那么平滑。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)框圖（如圖1 所示）

2.2 主要單元電路設(shè)計(jì)

2.2.1 放大電路

本電路采用共射級放大電路，電路如圖2 所示。

集電極電源VCC為輸出信號提供能源，并使發(fā)射結(jié)處于正偏、集電結(jié)反偏。而集電極電阻RL將電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化實(shí)現(xiàn)電壓放大的作用。基極電阻Rb1、Rb2改變靜態(tài)工作點(diǎn)，耦合電容C1、C2起隔直通交的作用。

圖1

圖2 共射級放大電路

當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)Q 合適時(shí)，輸出無明顯失真。如果靜態(tài)工作點(diǎn)的位置選得較低，容易造成實(shí)際工作點(diǎn)進(jìn)入三極管的截止區(qū)，即底部失真。而當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)的位置選得較高時(shí)，很容易造成實(shí)際工作點(diǎn)進(jìn)入三極管的飽和區(qū)，即頂部失真。

而雙向失真，是在靜態(tài)工作點(diǎn)合適時(shí)，輸入信號幅值較大時(shí)形成的。因此需要將兩個(gè)共射級放大電路級聯(lián)，增大輸入信號。而電壓增益為AV=AV1·AV2。靜態(tài)工作點(diǎn)Q 通過調(diào)節(jié)基極電阻Rb1與Rb2的比值來調(diào)節(jié)基極電流iB的。

交越失真電路分析[2]：分析電路時(shí)把三極管的導(dǎo)通電壓看作零，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，因三極管截止而產(chǎn)生的失真就是交越失真。晶體管的門限電壓不為零，比如NPN 型的硅三極管在0.7V 以上才導(dǎo)通。輸入交流的正弦波時(shí)，在-0.7～0.7V 之間兩個(gè)管子都不能導(dǎo)通，輸出波形即造成交越失真。

2.2.2 衰減電路

由于前面的輸出電壓較大，A/D 采樣的峰值為5V，必須將輸出電壓衰減后進(jìn)行采樣。用OPA2227 運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)-20dB 的衰減電路。只有在此條件下，才能將輸出電壓進(jìn)行有效的采樣。

2.2.3 電源供給電路

本測試儀供給電路采用變壓器降壓，在采用濾波降直在采用穩(wěn)壓芯片LM317、LM337、LM7812、LM7912 進(jìn)行穩(wěn)壓，再來給單片機(jī)和其他放大器電路供電。

2.3 主回路器件的選擇及其參數(shù)計(jì)算

2.3.1 三極管的選擇

由題可知，要將峰峰值為20 mV 的正弦波輸出，輸出后的UO峰峰值要大于2V，因此增益AV要達(dá)到100。

要求電路增益較高因此要利用共射級放大電路，并且要在Re 并入電容由此盡量擴(kuò)大增益，由公式AV=-βR'L/rbe可知，要采用單級放大電路，就要盡量選擇β 大的三極管[3]，因此放大電路的三極管選擇了2N3904。2N3904 的β 大約在350 左右，可達(dá)到題目的放大效果。

2.3.2 電阻的參數(shù)計(jì)算

在不同的放大失真電路中，電阻的大小決定了電路的Q點(diǎn)即決定是何種失真和失真電路的電壓增益AV。

共射級的動態(tài)參數(shù)計(jì)算如下：

而靜態(tài)工作點(diǎn)Q 的計(jì)算如下：

第二級的輸入電阻等于第一級放大電路的輸入電阻。下表1-表5 是各個(gè)放大電路的電阻參數(shù)。

表1 無明顯失真電路電阻參數(shù)

表2 頂部失真電路電阻參數(shù)

表3 底部失真電路電阻參數(shù)

表4 雙向失真電路電阻參數(shù)

表5 交越失真電路電阻參數(shù)

3 軟件設(shè)計(jì)

繼電器與單片機(jī)相連，通過單片機(jī)控制繼電器開關(guān)。使用串口屏向單片機(jī)發(fā)送指令，來控制電路的選擇。

通過串口屏控制單片機(jī)進(jìn)行A/D 采樣。采樣的頻率至少為輸入波形頻率的2 倍，即為f_s=2kHz。將采樣的頻率存在單片機(jī)中，運(yùn)用歐拉公式把復(fù)數(shù)拆分成實(shí)部和虛部。對每一個(gè)點(diǎn)的實(shí)部和虛部分別求和，進(jìn)行DFT 計(jì)算。通過變換得到前五級的諧波振幅，將計(jì)算出的THD 顯示在串口屏上。

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試儀器

4.2 測試方案及數(shù)據(jù)

4.2.1 放大電路測試

使用單片機(jī)控制繼電器切換電路，輸入頻率為1kHz，峰峰值為20 mV 的正弦波。通過雙蹤示波器觀察其波形和幅值，在計(jì)算出電壓增益A_v，記錄在表6 中。

表6 放大器電壓增益

4.2.2 衰減電路測試

將上級放大電路的信號輸入衰減電路中，通過雙蹤示波器觀察其波形和幅值，在計(jì)算出電壓衰減的倍數(shù)，記錄在表7 中。

表7 衰減電路測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)果及性能分析

5.1 結(jié)果分析

由上面測試可得，電路基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，經(jīng)過電源供電穩(wěn)壓后，輸出波形放大倍數(shù)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)200 倍且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過。衰減后的最大電壓小于5V，最小電壓大于0V，能夠被A/D 采樣器采集，并且能被單片機(jī)進(jìn)行采集運(yùn)算。

5.2 方案的優(yōu)化及改進(jìn)

電路的搭建存在一些問題，將多塊電路板搭在一起時(shí)會存在一定的噪聲，以至最后的調(diào)試花費(fèi)了太多的時(shí)間。后期可以將多個(gè)電路合成一個(gè)電路進(jìn)行制板，DFT 運(yùn)算可以使用內(nèi)存更大的STM32 單片機(jī)[4]，其內(nèi)部的A/D 采樣頻率更快更精準(zhǔn)，其運(yùn)算結(jié)果也更精確。

6 總結(jié)

從搭建仿真電路，到搭建實(shí)物電路、軟件程序調(diào)試，再到最后的組裝，中途遇到了很多的困難。實(shí)踐是對理論的運(yùn)用。當(dāng)實(shí)際動手操作時(shí)，才明白簡單的理論知識都是那么不簡單。

本次設(shè)計(jì)中，我們基本達(dá)到了對放大器非線性失真的研究，也加深了對三極管放大器的研究與理解。與此同時(shí)，也提高了我們解決問題的能力，提高了團(tuán)隊(duì)合作的能力。當(dāng)然我們也存在很多不足的地方，希望在今后的實(shí)踐過程中做得更好。