基于单片机的放大器非线性失真研究装置设计

贺涛 刘俊豪

摘要：

放大电路是模拟电子电路的核心，本电路设计是基于晶体管放大器组成的非线性失真研究装置，本装置可以产生和显示无明显失真、顶部失真、底部失真、双向失真、交越失真波形并显示波形的频率、峰峰值和THD。电路由电源模块，晶体管放大电路可控失真波形模块，OTL功率放大器做成的交越失真模块、STM32单片机、OLED显示模块组成。通过对两级放大电路参数的合理设置设计出一个完整的非线性失真研究装置。

关键词：

单片机;放大器;非线性失真

中图分类号：

TN722

文献标识码：

A

文章编号：

1672-9129（2020）15-0059-02

1系统方案

电路采用LM7805制作电源电路，采用三极管分压式偏置放大电路作为电压放大电路，以ARMCortex-M3为内核的STM32F1系列控制芯片，通过OLED屏幕显示波形及参数。

1.1单片机的论证与选择。

方案一：根据要求采用STC89C51单片机芯片作为控制核心。C51单片机价格低廉，使用简单，但其运算速度较低，功能单一，不适用。

方案二：采用以ARMCortex-M3为内核的STM32F1系列控制芯片，抗干扰能力强，且为32位，具有极强的处理计算能力。综合以上两种方案，选择方案二。

1.2电源模块的论证与选择。

方案一：采用LM2596做一个可调电源，可调范围高，结构简单，效率高，但噪声太大，对后面的电路可能造成影响。

方案二：采用LM7805/7905/7812/7912做一个电源，78XX系列是正电压稳压器，79XX系列是负电压稳压器。使用简单，线性调整率和负载调整率较好，使用起来可靠、方便、价格便宜，综合以上两种方案，由方案二稳压性能好，因此考虑用方案二。

1.3放大电路的论证与选择。

方案一：采用LM324做四级运放，但失真不好控制。

方案二：采用三极管放大电路，它具有信号放大作用，且有截止和饱和功能，容易实现失真研究。综合以上两种方案，因此选择方案二。

2电路设计

2.1双5V电源设计。采用7805三端稳压芯片设计双5V电源，一路5V为放大电路供电，一路5V为STM32系统板供电，其电路图如如1所示：

2.2非线性失真放大电路设计。

设计两级放大电路，前级为分压式三极管放大电路，后级为一个OTL功率放大电路，两级电路采用阻容耦合，前级的R3与后级的R9共同决定放大倍数。后级OTL的C4，R10组成自举电路，克服电压平顶失真的问题，RV2调节静态工作点，RV1调节中点电位，可以消除交越失真。

底部失真与顶部失真：三极管放大电路出现非线性失真与静态工作点有关，如果静态工作点很低，就容易出现底部失真;如果过高就会出现顶部失真。当工作频率低于或者高于这个通频带时，也会出现失真现象。

交越失真：又称小信号失真，由于三极管PN结的压降，互补对称功放电路并不能使输出波形很好地反映输入的变化。由于没有直流偏置，管子的基极电流Ib必须在Vbe大于某一数值（即门坎电压，硅管约为0.6v，锗管约为0.2v，）时才有显著变化。当Vt低于这个数值时ic1和ic2都基本为零，负载RL上无电流流过，出现一段死区，这就是交越失真。

双向失真：三极管输出特性曲线同时出现顶部和底部失真，三极管有饱和状态又有截止状态，信号源输入信号过大导致三极管在放大时出现了双向失真。

3程序的设计

3.1程序功能描述与设计思路。

通過STM32利用FFT对要波形采集与显示。显示电压值、信号类型、频率、THD。通过KEY按键控制波形的失真种类。控制顺序：无明显失真波形、顶部失真、底部失真、双向失真、交越失真。

3.2程序流程图。

4测试分析与结论

通过测试测试失真波形数据，由此可以得出以下结论：

4.1输入正弦信号频率和电压为1kHz，20mv时，输出频率为1kHz，电压幅度为2V以上，并可以正常输出无失真波形、平顶失真波形、底部失真波形、双向失真波形和交越失真波形。

4.2按下STM32单片机的k1或k2按键，能够控制四种失真波形及正常波形的切换和显示实际输出波形，测量谐波，并自适应测量20Hz到2000Hz的波形。

（1）无明显失真uo及总谐波。

（2）uo顶部失真波形和总谐波失真。

（3）uo底部失真波形和总谐波失真。

（4）uo双向失真波形和总谐波失真。

（5）uo交越失真波形和总谐波失真。

通过对三极管放大电路的控制和FFT运算完成了放大器非线性失真研究装置设计。

参考文献：

[1]康华光.电子技术基础（模拟部分第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.1

[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计（第二版）[M].北京航空航天大学出版，2011