ZYNQ控制的放大器非线性失真研究

大连理工大学城市学院 邢晓鹏 刘搏飞 刘春池 隋盛誉 孙嘉成 谢印庆

制作一个纯三极管放大器，可切换输出五种不同波形，实现“正常波形”、“交越失真”、“顶部失真”、“双向失真”、“底部失真”五种输出波形，输出幅值大于2V。通过显示器观察ADC采集到的波形与计算出的THD值。同时使用ZYNQ与AD9226采集并测量出总谐波失真。

放大器处在理想工作状态时，其输入信号应与输出信号波形一致。而在实际电路工作时，放大器的输入信号与输出信号的波形总会存在一定的差别，这种现象叫失真。每一种失真都有不同的原因：

（1）正常波形：三极管静态工作点位于正常区间；

（2）顶部失真：对于NPN型三极管，静态工作点靠下，产生截止失真；对于PNP型三极管，静态工作点靠上，产生饱和失真；

（3）底部失真：对于NPN型三极管，静态工作点靠上，产生饱和失真；对于PNP型三极管，静态工作点靠下，产生截止失真；

（4）交越失真：三极管推挽电路会产生交越失真。

1 系统设计

晶体管放大电路前、中级采用无反馈带输入和偏置电阻，后级仍然采用三极管差分推挽电路。该电路不仅可以实现输出大于2V的正常、顶部、底部、双向、交越失真，而且电路非常简易。它的前级由于没有了反馈电阻，当把三级管的静态工作点设置到最佳区域时，可以实现超过50倍的放大作用。而中级放大电路没有反馈后，可以直接调节偏置电阻实现顶部和底部失真，并且不会影响放大倍数。尤其是整个电路没有了反馈后，信号输出电压可最大无限接近电源电压。

2 硬件设计

本装置由STM32F103C8T6核心控制板、S9013三极管、碳膜电阻、电解电容组成，通过改变五个通道的放大器三极管的静态工作点，实现“无明显失真”、“顶部失真”、“底部失真”、“双向失真”、“交越失真”五种输出波形。

控制部分：

使用STM32F103C8T6控制达林顿管输出控制继电器，继电器控制晶体管放大电路的电阻器实现切换波形。本次方案选择ZYNQ作为ADC的控制器，使用PL部分采集ADC的数据，使用PS部分的一个ARM cortex-A9进行数据的处理。控制电路图如图1所示。

图1 控制电路图

3 数字部分

3.1 ZYNQ方案论证

在ZYNQ芯片内的PL部分使用FIFO缓冲ADC采集过来的数据，并在PL内添加Axi4-lite从机IP，使用Aix4-lite接口将FIFO映射到ARM的内存地址上，当FIFO存满数据后，使用ARM读取相应内存获取ADC数据，再在ARM中对数据进行傅里叶变换，求出THD。

3.2 ZYNQ理论分析

PL部分使用verilog设计，包含HDMI输出、ADC采集与存储、Axi4-lite从机控制。其中HDMI输出使用的是digilent的参考IP，其余的采集与控制部分，全部为自主设计并仿真实现。

Axi4-lite采集控制：

本IP使用verilog书写，使用systemverilog进行仿真。实现了通过寄存器控制ADC采集的开关以及ADC采样时钟的分频系数，并将FIFO的数据输出端口映射为寄存器，可以通过ARM读取寄存器实现使FIFO输出数据。Lite2fifo为Axi4-lite接口的控制器，控制ADC数据采集，完整的ADC采集流程如下：

（1）通过寄存器3设置用户CLK分频系数；

（2）先通过寄存器1读取数据，清空FIFO；

（3）寄存器2写1使能FIFO从外部写入数据；

（4）寄存器2写0关闭FIFO写入；

（5）从过寄存器1读取数据。

4 程序设计

使用SDK进行ADC采集得到程序设计。

ADC采集的完整流程如图2所示。

图2 ADC采集的完整流程

本文研究了基于晶体管放大器的非线性失真。通过改变三极管的静态工作点，从而实现四种不同的失真波形图，使用ADC采集晶体管放大器的输出电压，进行快速傅里叶变换之后，计算总谐波失真并显示出来。