信號放大器非線性失真研究裝置

王循

摘要：本信號放大器裝置是由甲類放大電路與互補推挽電路共同組成的多級晶體管信號放大器，系統(tǒng)采用STM32F103C8T6作為主控，通過控制光耦的斷通來改變電路的參數(shù)，以調(diào)整電路靜態(tài)工作點，從而得到不同的波形;通過AD端口采集放大電路輸出端的信號，經(jīng)THD相關(guān)算法得到各種波形THD值，再通過OLED顯示。最終測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)在不更改接線方式下，能夠輸出放大100倍且無明顯失真的波形以及四種基本失真的波形。

關(guān)鍵詞：信號放大器;非線性失真;總諧波失真;STM32控制;AD采集

中圖分號類：TN722? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）14-0220-02

為使得信號得到充分利用，采用放大電路，放大電路一般是由兩級或者兩級以上的單級基本放大電路組成。單級基本放大電路的電壓放大倍數(shù)一般只有幾十到幾百倍，使得輸入微弱信號放大到推動負載工作的狀態(tài)，通常要經(jīng)過多個單級基本放大電路多次連續(xù)的放大。通常會采用多級放大電路來處理微弱的信號[1]。有源電子器件的固有特性會使功率信號放大器產(chǎn)生非線性失真，使得輸出信號中攜帶干擾信號，影響功率信號放大器輸出側(cè)信息的正確接收[2]。研究信號放大器非線性失真可以更好地解決實際情況中出現(xiàn)的問題。

1 系統(tǒng)方案方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要分為三大部分信號源，晶體管信號放大器和微控制器。信號源由信號發(fā)生器提供。晶體管信號放大器中第一級放大電路為甲類放大電路，光耦作為電路切換開關(guān)，信號放大器級與級之間采用阻容耦合。信號源由信號發(fā)生器產(chǎn)生初始正弦信號并輸入晶體管信號放大器，按鍵輸入信號，通過STM32微控制器控制光耦的通斷改變電路中的參數(shù)，使輸出端出現(xiàn)無明顯失真和4種非線性失真，同時STM32微控制器的AD端口采集信號，采集到信號后調(diào)取庫函數(shù)進行THD的計算，并通過OLED屏顯示結(jié)果。其中按鍵和OLED屏連接STM32微控制器實現(xiàn)了人機之間的交互。晶體信號放大器采用的是阻容耦合的三級放大電路，通過改變電路中的電阻改變各級的靜態(tài)工作點來實現(xiàn)失真。系統(tǒng)工作框圖如圖1所示。

2 理論分析與計算

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路主要包括兩部分，晶體管放大電路和控制開關(guān)電路。該系統(tǒng)是通過靜態(tài)工作點的改變來實現(xiàn)不同失真波形圖。改變各級電路中特定電阻阻值的大小即可改變靜態(tài)工作點。

3.1 晶體管放大電路

晶體管信號放大器電路為本系統(tǒng)主體核心部分，該部分由三級甲類放大電路與互補推挽電路共同組成的。第一級放大電路設(shè)計為甲類放大電路。甲類功放輸出級中兩個（或兩組）晶體管永遠處于導(dǎo)電狀態(tài)，也就是說不管有無訊號輸入它們都保持傳導(dǎo)電流，并使這兩個電流等于交流電的峰值，這時交流在最大訊號情況下流入負載。甲類放大電路無交越失真和開關(guān)失真，而且諧波分量中主要是偶次諧波。電路簡單、頻帶寬、瞬間失真小。任何設(shè)計下的甲類功放電路中，電流負反饋都能完美兼容非線性失真和瞬間互調(diào)失真，有著理想的放大效果。選擇光耦作為開關(guān)。光耦是一種光電轉(zhuǎn)換器，將發(fā)光源與受光器組裝在密閉封殼內(nèi)，導(dǎo)通電阻可忽略不計且體積小方便焊接。采用阻容耦合，信號放大器級與級之間通過電容連接。由于電容的隔直作用，，靜態(tài)工作點互不影響，方便對靜態(tài)工作點進行分析，便于放大電路的調(diào)試。但是其不適合傳送緩慢變化的信號，并且無法傳送直流信號。前三級電路是實現(xiàn)放大部數(shù)和調(diào)節(jié)頂部失真、底部失真、雙向失真的主體部分，最后一個為互補推挽電路是為了實現(xiàn)交越失真。晶體管信號放大器如圖2所示。

3.2 控制開關(guān)電路

矩陣按鍵實現(xiàn)STM32微控制系統(tǒng)的人機交互，通過按鍵的模式選擇給不同的I/O口賦高低電平，使不同的光耦通斷使不同的電阻接入電路（圖2圖3對應(yīng)斷電對應(yīng)接入），改變電路電阻大小實現(xiàn)波形的切換?？刂崎_關(guān)電路如圖3所示。

U1：將1，2端口接入電路，降低第二級反饋電阻大小，產(chǎn)生頂部失真;

U2：將3，4端口接入電路，降低第二級直流電阻大小，產(chǎn)生底部失真;

U3：將5，6端口接入電路，降低第三級輸入電阻大小，產(chǎn)生雙向失真;

U4：將7，8端口接入電路，短路第三級穩(wěn)壓管降低直流電阻大小，產(chǎn)生交越失真。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)是STM32微控制器為主控制器，矩陣按鍵切換模式通過STM32控制I/O口高低電平來控制不同光耦的通斷，改變不同的電阻值實現(xiàn)不同的失真，完成人機交互部分。STM32微控制器需通過數(shù)據(jù)采集進行THD計算并在OLED上顯示。

4.1 STM32主程序工作流程

STM32先進行系統(tǒng)初始化，信號源接入輸入端，沒有按鍵按下時示波器顯示為放大100倍且無明顯失真波形，檢測按鍵是否被按下及按鍵號，K1、K2、K3、K4分別對應(yīng)頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真模式， OLED顯示計算出的THD值。本系統(tǒng)是由STM32f103c8t6作為主控制器，表1為主控I/O口引腳分配，圖4為本系統(tǒng)的主程序工作流程圖。

4.2 THD算法流程

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的信號放大器裝置能夠在有源電子器件產(chǎn)生干擾的情況下較為精確的達到放大倍數(shù)要求并且能無明顯失真。通過控制模式的切換改變各級的靜態(tài)工作點到達不同失真的效果，方便研究引起各個失真的具體變化原因，并從原因理解后思考如何解決其對應(yīng)失真的方法，并且該裝置重量輕、規(guī)模小、成本低，易于實現(xiàn)。

參考文獻：

[1] 于建勇.維修電工實訓(xùn)課項目之RC阻容耦合放大電路淺析[J].科技風(fēng)，2018（19）：182.

[2] 周怡，李勃，王峰，等.功率放大器的非線性預(yù)失真技術(shù)的研究[J].寧夏電力，2018（2）：32-34，38.

【通聯(lián)編輯：梁書】