王循

摘要：本信號(hào)放大器裝置是由甲類放大電路與互補(bǔ)推挽電路共同組成的多級(jí)晶體管信號(hào)放大器，系統(tǒng)采用STM32F103C8T6作為主控，通過控制光耦的斷通來改變電路的參數(shù)，以調(diào)整電路靜態(tài)工作點(diǎn)，從而得到不同的波形;通過AD端口采集放大電路輸出端的信號(hào)，經(jīng)THD相關(guān)算法得到各種波形THD值，再通過OLED顯示。最終測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)在不更改接線方式下，能夠輸出放大100倍且無明顯失真的波形以及四種基本失真的波形。

關(guān)鍵詞：信號(hào)放大器;非線性失真;總諧波失真;STM32控制;AD采集

中圖分號(hào)類：TN722? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）14-0220-02

為使得信號(hào)得到充分利用，采用放大電路，放大電路一般是由兩級(jí)或者兩級(jí)以上的單級(jí)基本放大電路組成。單級(jí)基本放大電路的電壓放大倍數(shù)一般只有幾十到幾百倍，使得輸入微弱信號(hào)放大到推動(dòng)負(fù)載工作的狀態(tài)，通常要經(jīng)過多個(gè)單級(jí)基本放大電路多次連續(xù)的放大。通常會(huì)采用多級(jí)放大電路來處理微弱的信號(hào)[1]。有源電子器件的固有特性會(huì)使功率信號(hào)放大器產(chǎn)生非線性失真，使得輸出信號(hào)中攜帶干擾信號(hào)，影響功率信號(hào)放大器輸出側(cè)信息的正確接收[2]。研究信號(hào)放大器非線性失真可以更好地解決實(shí)際情況中出現(xiàn)的問題。

1 系統(tǒng)方案方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要分為三大部分信號(hào)源，晶體管信號(hào)放大器和微控制器。信號(hào)源由信號(hào)發(fā)生器提供。晶體管信號(hào)放大器中第一級(jí)放大電路為甲類放大電路，光耦作為電路切換開關(guān)，信號(hào)放大器級(jí)與級(jí)之間采用阻容耦合。信號(hào)源由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生初始正弦信號(hào)并輸入晶體管信號(hào)放大器，按鍵輸入信號(hào)，通過STM32微控制器控制光耦的通斷改變電路中的參數(shù)，使輸出端出現(xiàn)無明顯失真和4種非線性失真，同時(shí)STM32微控制器的AD端口采集信號(hào)，采集到信號(hào)后調(diào)取庫函數(shù)進(jìn)行THD的計(jì)算，并通過OLED屏顯示結(jié)果。其中按鍵和OLED屏連接STM32微控制器實(shí)現(xiàn)了人機(jī)之間的交互。晶體信號(hào)放大器采用的是阻容耦合的三級(jí)放大電路，通過改變電路中的電阻改變各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)失真。系統(tǒng)工作框圖如圖1所示。

2 理論分析與計(jì)算

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括兩部分，晶體管放大電路和控制開關(guān)電路。該系統(tǒng)是通過靜態(tài)工作點(diǎn)的改變來實(shí)現(xiàn)不同失真波形圖。改變各級(jí)電路中特定電阻阻值的大小即可改變靜態(tài)工作點(diǎn)。

3.1 晶體管放大電路

晶體管信號(hào)放大器電路為本系統(tǒng)主體核心部分，該部分由三級(jí)甲類放大電路與互補(bǔ)推挽電路共同組成的。第一級(jí)放大電路設(shè)計(jì)為甲類放大電路。甲類功放輸出級(jí)中兩個(gè)（或兩組）晶體管永遠(yuǎn)處于導(dǎo)電狀態(tài)，也就是說不管有無訊號(hào)輸入它們都保持傳導(dǎo)電流，并使這兩個(gè)電流等于交流電的峰值，這時(shí)交流在最大訊號(hào)情況下流入負(fù)載。甲類放大電路無交越失真和開關(guān)失真，而且諧波分量中主要是偶次諧波。電路簡(jiǎn)單、頻帶寬、瞬間失真小。任何設(shè)計(jì)下的甲類功放電路中，電流負(fù)反饋都能完美兼容非線性失真和瞬間互調(diào)失真，有著理想的放大效果。選擇光耦作為開關(guān)。光耦是一種光電轉(zhuǎn)換器，將發(fā)光源與受光器組裝在密閉封殼內(nèi)，導(dǎo)通電阻可忽略不計(jì)且體積小方便焊接。采用阻容耦合，信號(hào)放大器級(jí)與級(jí)之間通過電容連接。由于電容的隔直作用，，靜態(tài)工作點(diǎn)互不影響，方便對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行分析，便于放大電路的調(diào)試。但是其不適合傳送緩慢變化的信號(hào)，并且無法傳送直流信號(hào)。前三級(jí)電路是實(shí)現(xiàn)放大部數(shù)和調(diào)節(jié)頂部失真、底部失真、雙向失真的主體部分，最后一個(gè)為互補(bǔ)推挽電路是為了實(shí)現(xiàn)交越失真。晶體管信號(hào)放大器如圖2所示。

3.2 控制開關(guān)電路

矩陣按鍵實(shí)現(xiàn)STM32微控制系統(tǒng)的人機(jī)交互，通過按鍵的模式選擇給不同的I/O口賦高低電平，使不同的光耦通斷使不同的電阻接入電路（圖2圖3對(duì)應(yīng)斷電對(duì)應(yīng)接入），改變電路電阻大小實(shí)現(xiàn)波形的切換?？刂崎_關(guān)電路如圖3所示。

U1：將1，2端口接入電路，降低第二級(jí)反饋電阻大小，產(chǎn)生頂部失真;

U2：將3，4端口接入電路，降低第二級(jí)直流電阻大小，產(chǎn)生底部失真;

U3：將5，6端口接入電路，降低第三級(jí)輸入電阻大小，產(chǎn)生雙向失真;

U4：將7，8端口接入電路，短路第三級(jí)穩(wěn)壓管降低直流電阻大小，產(chǎn)生交越失真。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是STM32微控制器為主控制器，矩陣按鍵切換模式通過STM32控制I/O口高低電平來控制不同光耦的通斷，改變不同的電阻值實(shí)現(xiàn)不同的失真，完成人機(jī)交互部分。STM32微控制器需通過數(shù)據(jù)采集進(jìn)行THD計(jì)算并在OLED上顯示。

4.1 STM32主程序工作流程

STM32先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，信號(hào)源接入輸入端，沒有按鍵按下時(shí)示波器顯示為放大100倍且無明顯失真波形，檢測(cè)按鍵是否被按下及按鍵號(hào)，K1、K2、K3、K4分別對(duì)應(yīng)頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真模式， OLED顯示計(jì)算出的THD值。本系統(tǒng)是由STM32f103c8t6作為主控制器，表1為主控I/O口引腳分配，圖4為本系統(tǒng)的主程序工作流程圖。

4.2 THD算法流程

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的信號(hào)放大器裝置能夠在有源電子器件產(chǎn)生干擾的情況下較為精確的達(dá)到放大倍數(shù)要求并且能無明顯失真。通過控制模式的切換改變各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)到達(dá)不同失真的效果，方便研究引起各個(gè)失真的具體變化原因，并從原因理解后思考如何解決其對(duì)應(yīng)失真的方法，并且該裝置重量輕、規(guī)模小、成本低，易于實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于建勇.維修電工實(shí)訓(xùn)課項(xiàng)目之RC阻容耦合放大電路淺析[J].科技風(fēng)，2018（19）：182.

[2] 周怡，李勃，王峰，等.功率放大器的非線性預(yù)失真技術(shù)的研究[J].寧夏電力，2018（2）：32-34，38.

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