小信號(hào)放大電路任意波形THD全自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)研究*

桂 丹,喻宗杰

(1.華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心，湖北 武漢 430074；2.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430205; 3.烽火通信科技股份有限公司，湖北 武漢 430205)

1 引言

小信號(hào)放大電路是模擬電路中常見(jiàn)的設(shè)計(jì)電路，信號(hào)的放大效果直接影響電路的整體性能。因此，小信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)失真度對(duì)于后續(xù)信號(hào)的采樣、數(shù)據(jù)處理等起著非常關(guān)鍵的作用。目前，小信號(hào)放大電路的常見(jiàn)設(shè)計(jì)包括單管放大電路、集成運(yùn)算放大器和功率放大電路等。然而，模擬電路由于其信號(hào)弱，精度不夠，理論與實(shí)踐差距較大等問(wèn)題，嚴(yán)重影響著信號(hào)的準(zhǔn)確提取及應(yīng)用[1]。尤其對(duì)于音頻信號(hào)，傳統(tǒng)的語(yǔ)音質(zhì)量測(cè)量方法相對(duì)主觀，同時(shí)面臨成本高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)和測(cè)試過(guò)程繁瑣等困境。

在微電子與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，考慮到實(shí)用性、開(kāi)發(fā)成本及便攜程度等因素，小信號(hào)放大電路一般是由放大元器件、模擬開(kāi)關(guān)等基本元件的組合電路來(lái)實(shí)現(xiàn),但因小信號(hào)的放大受頻率、幅值、噪聲、增益和阻抗等影響，容易形成性能干擾,造成最終放大后的信號(hào)完整性難以保證，導(dǎo)致信號(hào)失真程度不易判斷。晶體管放大器電路理論設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果及實(shí)際測(cè)試指標(biāo)常存在誤差，與實(shí)際電路元件特性非理想和分布參數(shù)導(dǎo)致寄生振蕩等問(wèn)題相關(guān)[2]。

傳統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)放大后失真程度的儀器，一方面存在體積較大、機(jī)身笨重等問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)室或機(jī)房等測(cè)試環(huán)境下還可以適應(yīng)，一旦到戶外或測(cè)試環(huán)境受限的場(chǎng)所就困難重重。而且，針對(duì)不同的測(cè)試方法，還需配備頻譜儀、示波器等輔助測(cè)量工具，整體測(cè)量成本及空間占用問(wèn)題不可忽略。另一方面繁瑣的儀器連接及分析過(guò)程，對(duì)專業(yè)度有一定的要求，那么，對(duì)于專業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)欠缺的工作人員實(shí)用性會(huì)大打折扣[3]。因此，開(kāi)發(fā)一種操作簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便、一鍵式流程、獨(dú)立顯示、小型化的快速自動(dòng)計(jì)算總諧波失真THD(Total Harmonic Distortion)度的裝置及配套軟件，實(shí)現(xiàn)小信號(hào)放大電路任意波形輸出的THD值自動(dòng)識(shí)別及測(cè)量，對(duì)電路設(shè)計(jì)人員實(shí)時(shí)觀測(cè)電路實(shí)際狀況具有重要意義。

為高精度測(cè)量放大信號(hào)的失真度，本文采用快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transform)算法，對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC(Analog-to-Digital Converter)并采樣。對(duì)輸入信號(hào)為1 kHz的小信號(hào)，以500 Hz為基準(zhǔn)，提取256個(gè)離散點(diǎn)，然后利用離散傅里葉變換DFT(Discrete Fourier Transform)的共軛對(duì)稱性，最終以128個(gè)點(diǎn)為采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行FFT運(yùn)算，在保證精度的同時(shí)，降低單片機(jī)的計(jì)算量和存儲(chǔ)空間，以保證測(cè)量系統(tǒng)快速地得出結(jié)果[4]。小信號(hào)放大電路的失真度測(cè)量系統(tǒng)以 stm32f103c6單片機(jī)為運(yùn)算控制核心，實(shí)時(shí)識(shí)別并顯示當(dāng)前輸出波形的類型及THD值，以便電路設(shè)計(jì)人員快速準(zhǔn)確地判斷放大電路的信號(hào)狀態(tài)。經(jīng)Multisim電路仿真，由虛擬失真度測(cè)試儀測(cè)量出當(dāng)前放大電路的THD值，和小信號(hào)放大電路任意波形THD自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在OLED屏幕上實(shí)際顯示的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的小信號(hào)放大電路失真度測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)測(cè)結(jié)果與電路仿真結(jié)果接近。

2 測(cè)量系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

理想情況下，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、傳輸?shù)冗^(guò)程不會(huì)發(fā)生改變。但是，由于元件非理想、分布參數(shù)導(dǎo)致寄生振蕩及信道中各種干擾等，信號(hào)在實(shí)際中不可能理想放大和傳輸，多少會(huì)發(fā)生畸變，出現(xiàn)信號(hào)失真。信號(hào)失真分為線性失真和非線性失真。非線性失真也就是常說(shuō)的諧波失真，信號(hào)經(jīng)過(guò)非線性信道產(chǎn)生的新頻率分量，使得輸出信號(hào)的頻率不再是單一的原頻率，而是包含了二次、三次及多次諧波分量的頻率組合，這些多余出來(lái)的諧波成分與實(shí)際輸入信號(hào)的比值，通常被用來(lái)計(jì)算總諧波失真。對(duì)于音頻信號(hào)，這種失真對(duì)最終信號(hào)質(zhì)量的影響非常大，也是衡量音頻電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。

從測(cè)量失真度的原理來(lái)講，根據(jù)測(cè)量過(guò)程中新頻率分量是直接還是間接得到，測(cè)量方法分別采用諧波分析法和基波剔除法。諧波分析法需要獲得各諧波分量的幅值，該方法利用頻譜分析方法選頻，可得出基波和各諧波分量，從而計(jì)算出失真度?；ㄌ蕹▌t通過(guò)選頻網(wǎng)絡(luò)(比如電橋、陷波網(wǎng)絡(luò)等)抑制基波，將其從整個(gè)信號(hào)中剔除，由原信號(hào)和基波抑制后的信號(hào)功率來(lái)計(jì)算出失真度。由于其測(cè)量過(guò)程中需提供無(wú)失真信號(hào)，測(cè)量范圍為1 Hz～1 MHz。而剔除基波的過(guò)程中還有噪聲存在，計(jì)算結(jié)果因此也會(huì)受到影響。對(duì)于低頻信號(hào)測(cè)量誤差達(dá)5%～30%，對(duì)于音頻信號(hào)來(lái)講，這種方法就不適用了[5]。而諧波分析法一般借助數(shù)字或模擬的方式選頻得到基波和各諧波的能量，利用離散傅里葉變換、諧波計(jì)算公式近似等方法，可快速計(jì)算出總諧波失真值。測(cè)量系統(tǒng)的性能主要取決于模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的精度及數(shù)據(jù)處理算法的可靠程度。因此，諧波分析法的測(cè)量系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮以上指標(biāo)來(lái)選擇合適的硬件及軟件。同時(shí)，諧波分析法由于其測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且計(jì)算速度快和精度高等優(yōu)勢(shì)，已成為常用的信號(hào)失真度檢測(cè)方法。

小信號(hào)放大電路任意輸出波形全自動(dòng)THD測(cè)量系統(tǒng)，以諧波分析法為理論基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)上分為晶體管放大電路和單片機(jī)采樣計(jì)算2部分，如圖1所示。

Figure 1 Structure of the THD measurement system圖1 總諧波失真測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

理論上，任何連續(xù)測(cè)量的時(shí)域信號(hào)都可以表示為不同頻率的正弦波信號(hào)的無(wú)限疊加，以累加的方式來(lái)計(jì)算該信號(hào)中不同信號(hào)的頻率、振幅和相位?？傊C波失真的定義：輸入為正弦信號(hào)時(shí)，其非線性失真表現(xiàn)為輸出信號(hào)中出現(xiàn)諧波分量，如果輸入電壓如式(1)所示：

ui=Uimcosωt

(1)

其中，ui為輸入瞬時(shí)電壓，Uim為輸入電壓最大值，ω為角頻率。

含有非線性失真的輸出交流電壓如式(2)所示：

uo=Uo1cos(ωt+φ1)+Uo2cos(2ωt+φ2)+

Uo3cos(3ωt+φ3)+…+Uoncos(nωt+φn)+L

(2)

其中，n為諧波分量的個(gè)數(shù)，Uo1～Uon為各諧波分量的電壓最大值，φ1～φ2為各諧波分量的初相，L為直流分量。

則有式(3)：

(3)

為了方便計(jì)算，取前5次諧波，可得式(4)：

(4)

因此，本文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)THD測(cè)量系統(tǒng)使用FFT算法來(lái)得到各諧波分量有效值，然后由二次、三次、四次和五次諧波分量均方根與基波的比值自動(dòng)計(jì)算出放大電路的總諧波失真(THD)值[6]。

由于音頻放大器放大了人類聽(tīng)到的信號(hào)，考慮到人類聽(tīng)覺(jué)的心理聲學(xué)，人類通常無(wú)法檢測(cè)到失真度低于1%的信號(hào)，而失真度超過(guò)10%的信號(hào)又會(huì)有明顯的失真。人類的靈敏度取決于頻率，對(duì)高階失真也更敏感。通過(guò)訓(xùn)練某些類型的失真，可以聽(tīng)到一些低至0.3%的失真效應(yīng)。也就是說(shuō)，總諧波失真(THD)值越小，信道的非線性失真越小，信號(hào)就越純凈。同時(shí)，在設(shè)計(jì)音頻放大器時(shí)還需考慮成本，信號(hào)頻率是否低于人類聽(tīng)覺(jué)閾值，權(quán)衡成本與收益。因此，一般設(shè)計(jì)音頻電子產(chǎn)品時(shí)THD值需小于或在1%附近，這個(gè)數(shù)值越小，表明該電子產(chǎn)品的品質(zhì)越高。THD值在電子產(chǎn)品信號(hào)檢測(cè)方面具有非常重要的意義[7]。

理論分析和電路仿真表明，對(duì)于信號(hào)源輸出的1 kHz的正弦信號(hào)，總諧波失真的近似值越小，表示放大電路的信號(hào)失真測(cè)量越精準(zhǔn)，THD基本在1%以內(nèi)。對(duì)于信號(hào)源輸出的1 kHz的方波信號(hào)，總諧波失真的近似值大約是38.87%(前5次諧波計(jì)算的近似值)?，F(xiàn)實(shí)中，被測(cè)信號(hào)是一個(gè)包含基波和各次諧波分量的周期失真正弦波，其表達(dá)式如式(5)所示：

(5)

其中，ω0為角頻率，A0～An為傅里葉系數(shù)，其傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)如式(6)所示：

(6)

(7)

將式(6)和式(7)代入式(4)可得：

(8)

從式(8)可知，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換 DFT，求各級(jí)傅里葉級(jí)數(shù)，得出信號(hào)在各階的諧波有效值，可計(jì)算出總諧波失真。本文進(jìn)一步對(duì)離散傅里葉級(jí)數(shù)進(jìn)行抽樣，利用快速傅里葉變換，在保證精度的前提下，加快計(jì)算速度。基于此理論，設(shè)計(jì)單片機(jī)的波形失真度測(cè)量程序，自動(dòng)計(jì)算出多次諧波分量均方根與基波分量的比值，最終得出THD值。

測(cè)量放大電路失真度的系統(tǒng)主要包括2大部分：(1)由多級(jí)晶體管放大器、模擬開(kāi)關(guān)和阻容元件組成的放大電路。為實(shí)現(xiàn)多種不同失真波形的識(shí)別與讀取，該部分包括了二級(jí)放大、三級(jí)放大等多級(jí)級(jí)聯(lián)電路，還包括推挽電路以形成無(wú)明顯失真、消底失真、消頂失真、雙向失真和交越失真5種常見(jiàn)輸出波形。(2)以stm32f103c6單片機(jī)為核心的測(cè)量部分。將小信號(hào)放大電路的輸出連接到stm32f103c6單片機(jī)的高頻ADC采樣進(jìn)行FFT運(yùn)算，準(zhǔn)確提取離散點(diǎn)的有效值，并將計(jì)算后的結(jié)果在線顯示到OLED屏上。將信號(hào)輸出端引到示波器，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前波形狀態(tài)。總諧波失真(THD)測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

Figure 2 Part circuit schematic diagram in transistor amplifier circuit圖2 晶體管放大電路部分電路原理圖

2.1 小信號(hào)放大電路

晶體管放大電路由模擬開(kāi)關(guān)、晶體管和阻容元件等元件組合而成，通過(guò)合理設(shè)計(jì)電路，尤其是針對(duì)單管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置，經(jīng)過(guò)一級(jí)放大、二級(jí)放大和三級(jí)放大，實(shí)現(xiàn)輸入小信號(hào)(20 mV)到輸出峰峰值在2 V以上的輸出波形，滿足單片機(jī)ADC采樣基本需求。針對(duì)不同原因造成的失真，單片機(jī)進(jìn)行高頻采樣并識(shí)別波形，在滿足精度要求的同時(shí)，減少了需要存儲(chǔ)的離散點(diǎn)數(shù)，提高了失真度測(cè)量系統(tǒng)的工作效率。部分電路原理圖如圖2所示。

晶體管放大電路的波形失真與靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置、輸入信號(hào)幅值等因素相關(guān)，需要針對(duì)不同波形輸出需求進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。常見(jiàn)波形有5種，分別是無(wú)明顯失真、底部失真、頂部失真、雙向失真和交越失真。

(1) 無(wú)明顯失真。

無(wú)明顯失真的狀態(tài)為：靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置合理，三極管工作在放大狀態(tài)。設(shè)置步驟為：調(diào)節(jié)二級(jí)放大三極管基極與地之間的電阻大小，使發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置三極管處于放大工作狀態(tài)，出現(xiàn)無(wú)明顯失真波形。

(2) 底部失真。

底部失真的狀態(tài)為：靜態(tài)工作點(diǎn)偏高，三極管工作在飽和狀態(tài)，輸入信號(hào)負(fù)半周正常放大，正半周畸變。設(shè)置步驟為：調(diào)節(jié)二級(jí)放大三極管基極與地之間的電阻大小，使發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置三極管處于飽和工作狀態(tài)。輸出波形負(fù)半周畸變，正半周正常放大，出現(xiàn)底部失真波形，

(3) 頂部失真。

頂部失真的狀態(tài)為：靜態(tài)工作點(diǎn)偏低，三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，輸入信號(hào)負(fù)半周畸變，正半周正常放大。設(shè)置步驟為：調(diào)節(jié)二級(jí)放大三極管基極與地之間的電阻大小，使發(fā)射結(jié)反向偏置。三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。輸出波形出現(xiàn)負(fù)半周正常放大，正半周畸變，出現(xiàn)頂部失真波形。

(4) 雙向失真。

雙向失真的狀態(tài)為：靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置合理，但輸入信號(hào)幅值較大，三極管既有飽和狀態(tài)也有截止?fàn)顟B(tài)。設(shè)置步驟為：調(diào)節(jié)放大器處于二級(jí)放大或三級(jí)放大，達(dá)到較高的放大倍數(shù)，出現(xiàn)雙向失真。

(5) 交越失真。

交越失真的狀態(tài)為：交越失真與三極管的導(dǎo)通電壓相關(guān)，輸入電壓較小，低于晶體管門(mén)限電壓，導(dǎo)致三極管截止。設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，三極管處于微導(dǎo)通。利用二極管和電阻的壓降產(chǎn)生偏執(zhí)電壓是解決交越失真較為常用的方法。設(shè)置步驟為：通過(guò)調(diào)節(jié)繼電器短接功率放大器2個(gè)三極管基極，出現(xiàn)交越失真。

2.2 總諧波失真計(jì)算

總諧波失真THD是衡量線性放大器非線性失真程度的常用手段，其非線性失真表現(xiàn)為輸出信號(hào)中出現(xiàn)諧波分量?，F(xiàn)實(shí)中有硬件和軟件2種方式實(shí)現(xiàn)THD值的自動(dòng)測(cè)量。

從硬件角度來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，輸出波形的一路信號(hào)經(jīng)陷波電路濾除基波分量，有效值檢波后送入單片機(jī)內(nèi)部的ADC采樣得有效波X1，另一路信號(hào)直接通過(guò)有效值檢波送入單片機(jī)內(nèi)部的ADC采樣，所得有效波為X2，采樣得到的2個(gè)有效值比值即為諧波失真率，即THD=X1/X2。

Figure 3 Matlab simulation diagram of FFT operation圖3 FFT運(yùn)算的Matlab仿真圖

Figure 4 Simulation waveform of a circuit without significant distortion圖4 無(wú)明顯失真電路仿真波形

從軟件角度來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，單片機(jī)對(duì)采集到的波形進(jìn)行ADC采樣和FFT運(yùn)算，取每階的有效值，共取5階，對(duì)第2階到第5階的有效值即Uo2～Uo5進(jìn)行均方根運(yùn)算，其結(jié)果與基波諧波分量Uo1的比值即為總諧波失真值。本文采用軟件實(shí)現(xiàn)的方法，不僅電路簡(jiǎn)潔，方便調(diào)試，而且成本也低。

本文利用單片機(jī)stm32f103c6進(jìn)行信號(hào)采集及運(yùn)算，放大后的波形經(jīng)ADC高頻采樣，此時(shí)的采樣點(diǎn)數(shù)可以是1 024，512和256等，出于對(duì)系統(tǒng)成本、單片機(jī)運(yùn)算量、存儲(chǔ)空間及效率等多方考慮，本文以1 kHz為基準(zhǔn)，提取256個(gè)離散點(diǎn)，利用離散傅里葉變換的共軛對(duì)稱特性，最終采樣128個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行快速傅里葉運(yùn)算，得到各諧波分量有效值。提取前5次諧波分量值Uo2～Uo5的有效值進(jìn)行均方根運(yùn)算，并以該結(jié)果與Uo1的比值作為T(mén)HD值[8]。在終端配合OLED屏幕，在線顯示當(dāng)前計(jì)算結(jié)果，實(shí)時(shí)讀出當(dāng)前狀態(tài)下波形的失真度并告知失真波形類型，便于電路設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確判斷信號(hào)狀態(tài)。

在進(jìn)行仿真測(cè)量之前，先以Matlab仿真驗(yàn)證FFT運(yùn)算的正確性。在0～1 200 Hz內(nèi)，擬提取0 Hz，200 Hz，800 Hz和1 000 Hz的諧波分量，如果結(jié)果在對(duì)應(yīng)位置提取，則FFT運(yùn)算程序設(shè)計(jì)正確，如果不在或偏差較大，則表示程序設(shè)計(jì)有誤，Matlab仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，提取位置準(zhǔn)確，可依此進(jìn)行諧波分量的均方根運(yùn)算，并由該結(jié)果與基波的比值計(jì)算出THD值。

3 仿真信號(hào)測(cè)試及分析

將虛擬仿真測(cè)試儀器連接到小信號(hào)放大電路的各級(jí)，設(shè)置輸入正弦波的峰峰值為20 mV，頻率為1 kHz，虛擬示波器接信號(hào)輸出端，并同時(shí)引出失真度測(cè)試儀，實(shí)時(shí)讀取THD值。與實(shí)際設(shè)計(jì)的小信號(hào)放大電路THD自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的顯示結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出信號(hào)失真度測(cè)量的準(zhǔn)確程度，以判斷小信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)合理性和單片機(jī)FFT運(yùn)算的準(zhǔn)確度。虛擬仿真測(cè)量的所有波形如圖4～圖8所示。

Figure 5 Simulation waveform of a circuit with bottom distortion圖5 底部失真電路仿真波形

Figure 6 Simulation waveform of a circuit with top distortion圖6 頂部失真電路仿真波形

Figure 7 Simulation waveform of a circuit with bidirectional distortion圖7 雙向失真電路仿真波形

Figure 8 Simulation waveform of a circuit with crossover distortion圖8 交越失真電路仿真波形

從圖4～圖8可以看出，無(wú)明顯失真波形，也就是常說(shuō)的正常波形，其理想情況下的THD值在1%附近，頂部失真波形和底部失真波形的THD值約為10%，交越失真波形的THD值在20%左右，而雙向失真波形的失真度受輸入信號(hào)影響較大，其THD值的范圍也較大。

4 電路測(cè)試與分析

4.1 實(shí)物測(cè)試

本節(jié)以正常波形(無(wú)失真波形)為例，給出實(shí)物測(cè)試結(jié)果，如圖9所示。信號(hào)發(fā)生器輸入頻率為1 kHz，峰峰值為20 mVpp的正弦波至小信號(hào)放大電路，測(cè)量系統(tǒng)的按鍵切換到1號(hào)位置(圖9板卡左側(cè)位置)，單片機(jī)自動(dòng)計(jì)算出THD值并顯示到OLED屏上。

Figure 9 Physical test diagram of normal waveform THD value圖9 正常波形THD值實(shí)物測(cè)試圖

4.2 環(huán)路測(cè)試

將開(kāi)關(guān)撥至2，輸入信號(hào)設(shè)置為2Vpp，改變電路結(jié)構(gòu)。原電路結(jié)構(gòu)為：輸入小信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路，得到的結(jié)果輸入單片機(jī)進(jìn)行采樣及計(jì)算。改變后的電路結(jié)構(gòu)為：輸入信號(hào)直接輸入到單片機(jī)進(jìn)行采樣及計(jì)算。環(huán)路測(cè)試的目的是為了驗(yàn)證小信號(hào)放大電路THD測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。測(cè)量系統(tǒng)正常工作情況，開(kāi)關(guān)直接撥至1即可。經(jīng)正弦波、三角波和方波測(cè)試，小信號(hào)放大電路實(shí)測(cè)的THD值分別為1.351%，10.899%和42.902%，如圖10所示。與仿真電路測(cè)試結(jié)果接近，方波情況稍有差異，將在誤差分析部分具體描述[9，10]。

Figure 10 THD test results of three waveforms圖10 3種波形的THD測(cè)試結(jié)果

4.3 誤差分析

電路經(jīng)過(guò)晶體管放大電路和直接接入單片機(jī)2種情況下，下面分別進(jìn)行FFT運(yùn)算的結(jié)果對(duì)比：

正弦波的失真度分別為1.351% 和0.739%；三角波的失真度分別為10.406%和11.201%；方波的失真度分別為42.002%和38.412%。此結(jié)果表明，晶體管放大電路放大小信號(hào)過(guò)程中，存在一定程度誤差，但是誤差范圍在0.1%左右，可滿足普通電子產(chǎn)品關(guān)于信號(hào)失真度測(cè)量的基本要求，能夠作為測(cè)試儀器提供商業(yè)應(yīng)用。需要說(shuō)明的是，對(duì)于方波，由于方波是取前5次諧波分量的計(jì)算結(jié)果，為38.412%。如果是取前7次計(jì)算結(jié)果，THD值約為42%，與小信號(hào)放大電路失真度測(cè)量結(jié)果的42.002%幾乎無(wú)差。此結(jié)果與FFT運(yùn)算取的階數(shù)越多，精度越高，結(jié)果越接近理論值?？梢?jiàn)，此測(cè)量系統(tǒng)可高精度地自動(dòng)計(jì)算出任意輸出波形的總諧波失真。操作簡(jiǎn)便，顯示清晰,誤差可控,系統(tǒng)性能指標(biāo)良好[11,12]。

5 結(jié)束語(yǔ)

小信號(hào)放大電路任意波形THD全自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)低頻小信號(hào)進(jìn)行電壓放大、高頻ADC采樣和FFT運(yùn)算提取各諧波分量的有效值等操作，實(shí)現(xiàn)高精度快速波形識(shí)別和THD值測(cè)量。經(jīng)Multisim仿真及實(shí)物測(cè)試表明，以晶體管、模擬開(kāi)關(guān)等放大電路組成的小信號(hào)放大電路，電路理論設(shè)計(jì)完整，放大倍數(shù)可控，精確度高，較集成運(yùn)算放大器組成的放大電路具有更好的可調(diào)控性；以stm32f103c6單片機(jī)為核心的全自動(dòng)波形識(shí)別及THD測(cè)量系統(tǒng)，高效實(shí)時(shí)，利用離散傅里葉變換的共軛對(duì)稱性，以快速傅里葉變換將信號(hào)采集量從1 024降低到128，在幾乎不影響波形檢測(cè)精度的情況下，有效減少了存儲(chǔ)壓力和計(jì)算量。測(cè)量系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確，總諧波失真計(jì)算值與環(huán)路測(cè)試結(jié)果接近，誤差在1%以內(nèi)，滿足高精度失真度測(cè)試儀器標(biāo)準(zhǔn)。體積小便攜，一鍵式設(shè)計(jì)使操作簡(jiǎn)單，顯示清晰，具備良好的實(shí)用價(jià)值。