信号放大器非线性失真研究装置

王循

摘要：本信号放大器装置是由甲类放大电路与互补推挽电路共同组成的多级晶体管信号放大器，系统采用STM32F103C8T6作为主控，通过控制光耦的断通来改变电路的参数，以调整电路静态工作点，从而得到不同的波形;通过AD端口采集放大电路输出端的信号，经THD相关算法得到各种波形THD值，再通过OLED显示。最终测试结果表明：该系统在不更改接线方式下，能够输出放大100倍且无明显失真的波形以及四种基本失真的波形。

关键词：信号放大器;非线性失真;总谐波失真;STM32控制;AD采集

中图分号类：TN722     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）14-0220-02

为使得信号得到充分利用，采用放大电路，放大电路一般是由两级或者两级以上的单级基本放大电路组成。单级基本放大电路的电压放大倍数一般只有几十到几百倍，使得输入微弱信号放大到推动负载工作的状态，通常要经过多个单级基本放大电路多次连续的放大。通常会采用多级放大电路来处理微弱的信号[1]。有源电子器件的固有特性会使功率信号放大器产生非线性失真，使得输出信号中携带干扰信号，影响功率信号放大器输出侧信息的正确接收[2]。研究信号放大器非线性失真可以更好地解决实际情况中出现的问题。

1 系统方案方案设计

本系统主要分为三大部分信号源，晶体管信号放大器和微控制器。信号源由信号发生器提供。晶体管信号放大器中第一级放大电路为甲类放大电路，光耦作为电路切换开关，信号放大器级与级之间采用阻容耦合。信号源由信号发生器产生初始正弦信号并输入晶体管信号放大器，按键输入信号，通过STM32微控制器控制光耦的通断改变电路中的参数，使输出端出现无明显失真和4种非线性失真，同时STM32微控制器的AD端口采集信号，采集到信号后调取库函数进行THD的计算，并通过OLED屏显示结果。其中按键和OLED屏连接STM32微控制器实现了人机之间的交互。晶体信号放大器采用的是阻容耦合的三级放大电路，通过改变电路中的电阻改变各级的静态工作点来实现失真。系统工作框图如图1所示。

2 理论分析与计算

3 系统硬件设计

硬件电路主要包括两部分，晶体管放大电路和控制开关电路。该系统是通过静态工作点的改变来实现不同失真波形图。改变各级电路中特定电阻阻值的大小即可改变静态工作点。

3.1 晶体管放大电路

晶体管信号放大器电路为本系统主体核心部分，该部分由三级甲类放大电路与互补推挽电路共同组成的。第一级放大电路设计为甲类放大电路。甲类功放输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。甲类放大电路无交越失真和开关失真，而且谐波分量中主要是偶次谐波。电路简单、频带宽、瞬间失真小。任何设计下的甲类功放电路中，电流负反馈都能完美兼容非线性失真和瞬间互调失真，有着理想的放大效果。选择光耦作为开关。光耦是一种光电转换器，将发光源与受光器组装在密闭封壳内，导通电阻可忽略不计且体积小方便焊接。采用阻容耦合，信号放大器级与级之间通过电容连接。由于电容的隔直作用，，静态工作点互不影响，方便对静态工作点进行分析，便于放大电路的调试。但是其不适合传送缓慢变化的信号，并且无法传送直流信号。前三级电路是实现放大部数和调节顶部失真、底部失真、双向失真的主体部分，最后一个为互补推挽电路是为了实现交越失真。晶体管信号放大器如图2所示。

3.2 控制开关电路

矩阵按键实现STM32微控制系统的人机交互，通过按键的模式选择给不同的I/O口赋高低电平，使不同的光耦通断使不同的电阻接入电路（图2图3对应断电对应接入），改变电路电阻大小实现波形的切换。控制开关电路如图3所示。

U1：将1，2端口接入电路，降低第二级反馈电阻大小，产生顶部失真;

U2：将3，4端口接入电路，降低第二级直流电阻大小，产生底部失真;

U3：将5，6端口接入电路，降低第三级输入电阻大小，产生双向失真;

U4：将7，8端口接入电路，短路第三级稳压管降低直流电阻大小，产生交越失真。

4 系统软件设计

本系统是STM32微控制器为主控制器，矩阵按键切换模式通过STM32控制I/O口高低电平来控制不同光耦的通断，改变不同的电阻值实现不同的失真，完成人机交互部分。STM32微控制器需通过数据采集进行THD计算并在OLED上显示。

4.1 STM32主程序工作流程

STM32先进行系统初始化，信号源接入输入端，沒有按键按下时示波器显示为放大100倍且无明显失真波形，检测按键是否被按下及按键号，K1、K2、K3、K4分别对应顶部失真、底部失真、双向失真、交越失真模式， OLED显示计算出的THD值。本系统是由STM32f103c8t6作为主控制器，表1为主控I/O口引脚分配，图4为本系统的主程序工作流程图。

4.2 THD算法流程

5 结束语

本文设计的信号放大器装置能够在有源电子器件产生干扰的情况下较为精确的达到放大倍数要求并且能无明显失真。通过控制模式的切换改变各级的静态工作点到达不同失真的效果，方便研究引起各个失真的具体变化原因，并从原因理解后思考如何解决其对应失真的方法，并且该装置重量轻、规模小、成本低，易于实现。

参考文献：

[1] 于建勇.维修电工实训课项目之RC阻容耦合放大电路浅析[J].科技风，2018（19）：182.

[2] 周怡，李勃，王峰，等.功率放大器的非线性预失真技术的研究[J].宁夏电力，2018（2）：32-34，38.

【通联编辑：梁书】