放大器非線性失真測量裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉麗麗，左繼紅

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412003)

0 引言

非線性失真是影響模擬電路性能的其中一個(gè)重要因素,研究它對(duì)改善電路性能有重要意義?？傊C波失真(Total Harmonic Distortion,簡稱THD)是度量信號(hào)非線性失真的重要參數(shù)之一,它反映了信號(hào)偏離正弦波的程度，是衡量運(yùn)算放大器、功率放大器等器件和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等儀器的重要指標(biāo)，在信號(hào)分析、頻譜儀等諸多領(lǐng)域THD的測量有著重要意義與廣泛應(yīng)用[1-3]?，F(xiàn)有的測量信號(hào)THD的方法或儀器，對(duì)于較低頻率(如1 Hz以下)的信號(hào)無法測量。該文基于STM32F103RET6設(shè)計(jì)的放大器非線性失真測量裝置，可測量頻率0.1 Hz～10.0 kHz信號(hào)的THD，為信號(hào)失真度的測量提供了較好的解決方案。

該裝置以晶體管放大電路、電平轉(zhuǎn)換電路和模擬開關(guān)作為基本電路，通過液晶觸摸屏控制電路輸出無明顯失真、頂部失真、底部失真、雙向失真和交越失真波形。控制器采集輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換成頻域，得到信號(hào)的頻譜、失真度等參數(shù)。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、測量精度高，可廣泛應(yīng)用于信號(hào)分析、頻譜儀等領(lǐng)域[4-5]。

1 系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)原理

該裝置以晶體管放大電路、電平轉(zhuǎn)換電路和模擬集成開關(guān)作為基本電路，控制器通過控制模擬開關(guān)來調(diào)整放大電路中電阻的阻值以改變靜態(tài)工作點(diǎn)。靜態(tài)工作點(diǎn)工作在放大區(qū)，放大器輸出無明顯失真波形；靜態(tài)工作點(diǎn)工作在截止區(qū)，放大器會(huì)輸出頂部失真波形；靜態(tài)工作點(diǎn)工作在飽和區(qū)，放大器會(huì)輸出底部失真波形；調(diào)整放大電路中電阻的阻值提高放大倍數(shù)，則會(huì)輸出雙向失真波形；放大電路輸出級(jí)采用OTL電路，將2只二極管用開關(guān)短路，電路會(huì)輸出交越失真波形。控制器可通過液晶觸摸屏實(shí)現(xiàn)5種波形的切換，并采集這5種輸出信號(hào)；也可以采集其他被測信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉(FFT)[6-7]，得到基波和各諧波的幅值(分別為U01，U02,U03,U04,U05)，代入式(1)可得失真度，并通過液晶屏顯示被測信號(hào)波形、頻譜及THD等信息。

(1)

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

該文設(shè)計(jì)的放大器非線性失真測量裝置，具有輸出各種非線性失真波形、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析處理和顯示等功能，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。STM32控制系統(tǒng)輸出電平給電壓轉(zhuǎn)換電路，控制模擬開關(guān)調(diào)整晶體管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不同失真波形的輸出?？刂破骺刹杉粶y信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，計(jì)算得到頻譜、失真度等參數(shù)并顯示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 晶體管放大電路

晶體管放大電路采用兩級(jí)分壓式共射放大電路和OTL電路。各級(jí)電路采用阻容耦合方式，各級(jí)靜態(tài)互不影響?？刂破骺刂品糯箅娐分械哪M開關(guān)以調(diào)整兩級(jí)分壓式共射放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，電路將會(huì)輸出無明顯失真、頂部失真、底部失真和雙向失真波形；將OTL電路中2只二極管短路，電路輸出交越失真波形。晶體管放大電路如圖2所示，圖中TP1用于接輸入信號(hào)，TP2用于接示波器，TP3用于接控制器采集端。

2.2 模擬開關(guān)模塊

將CD4053和CD4052模擬開關(guān)芯片用于放大電路中的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)STM32自動(dòng)控制5種波形電路的切換，如圖3所示。圖中A,B,C,D,E引腳用于連接電平轉(zhuǎn)換電路。CD4053的4腳、14腳和15腳用于開關(guān)一端，2腳、3腳和13腳用于開關(guān)另一端；CD4052的3腳和13腳用于開關(guān)一端，2腳和15腳用于開關(guān)另一端，VCC接10 V電源。

圖3 模擬開關(guān)模塊

2.3 電壓轉(zhuǎn)換電路

電壓轉(zhuǎn)換電路可將STM32輸出的3.3 V高電平轉(zhuǎn)換為10 V高電平，電路如圖4所示。因?yàn)榉糯箅娐凡捎?0 V直流電源供電，模擬開關(guān)在放大電路中作為開關(guān)使用，輸入控制端的應(yīng)為10 V高電平，則需將單片機(jī)輸出的高電平3.3 V變換為10 V高電平，作為模擬開關(guān)的控制端。圖中A,B,C,D,E引腳接模擬開關(guān)，P1.0,P1.1,P1.2,P1.3和P1.4接STM32輸出口。

圖4 電壓轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計(jì)

該裝置的系統(tǒng)函數(shù)主要包括初始化函數(shù)、ADC信號(hào)采集函數(shù)、FFT運(yùn)算函數(shù)和數(shù)據(jù)處理等，圖5為系統(tǒng)主程序流程圖。系統(tǒng)初始化后，首先校準(zhǔn)觸摸屏，判斷是否有觸摸按鍵輸入，有則輸出電平信號(hào)，控制模擬開關(guān)；然后進(jìn)行A/D采樣，通過FFT算法，計(jì)算并顯示頻譜圖、THD值等[8-9]。通過傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)。按照蝶形運(yùn)算原理，F(xiàn)FT算法流程如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 FFT算法流程圖

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證硬件電路的可行性，采用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。當(dāng)輸入頻率為1 kHz、峰峰值為20 mV的正弦波信號(hào)給放大電路時(shí)，放大電路輸出波形如圖7所示。

圖7 放大電路仿真輸出波形圖

仿真結(jié)果表明，該文設(shè)計(jì)的放大電路能夠輸出無明顯失真波形和非線性失真波形，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 測試結(jié)果

測試所需儀器包括SS2323型號(hào)直流穩(wěn)壓電源、SFG-1000型號(hào)信號(hào)發(fā)生器和DS1102C型號(hào)示波器，搭建的系統(tǒng)實(shí)物測試環(huán)境如圖8所示。

圖8 實(shí)物測試圖

5.1 放大電路輸出波形失真度測試

采用直流穩(wěn)壓電源輸出10 V為放大電路供電，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率1 kHz，峰峰值20 mV的正弦波輸入給放電電路，通過觸摸屏選擇不同輸出波形，示波器觀察放大電路輸出波形如圖9所示。

圖9 放大電路輸出波形圖

系統(tǒng)測量放大電路輸出的電壓幅值和THD值，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，該系統(tǒng)測量的信號(hào)電壓幅值和失真度非常準(zhǔn)確，誤差不高于1%。

表1 放大電路輸出波形失真度測試表

5.2 不同信號(hào)失真度測試

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生峰峰值為2 V不同頻率的正弦波、對(duì)稱三角波及方波作為被測信號(hào)，其THD值如表2所示。

方波和三角波THD的理論值可根據(jù)式(1)計(jì)算，分別為46.28%和12.615%，表2測量數(shù)據(jù)表明，當(dāng)被測信號(hào)頻率在0.1 Hz～10.0 kHz范圍內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)正弦波、三角波及方波THD的測量值與理論值的誤差分別在0.129%，0.168%及4.17%內(nèi)。

表2 不同信號(hào)失真度測試表

6 結(jié)語

(1)該裝置通過液晶觸摸屏控制電路輸出無明顯失真、頂部失真、底部失真、雙向失真和交越失真信號(hào)，并可測量各輸出信號(hào)的電壓幅值和失真度，測量結(jié)果精確度可達(dá)99%以上；

(2)該裝置可測量分析信號(hào)的波形、頻譜及失真度等參數(shù)并通過液晶屏顯示，測量信號(hào)的頻率為0.1 Hz～10.0 kHz，峰峰值為20 mV～5 V；

(3)采用該裝置測量不同頻率的正弦波、三角波及方波THD值，與理論值對(duì)比誤差較小。同時(shí)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用價(jià)值較高。