龍海珠，梁娟玲，鐘昊廷，梁海燕，黃筱惠

（玉林師范學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，廣西玉林，537000）

0 引言

隨著現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)與模擬電子技術(shù)的發(fā)展，放大器廣泛應(yīng)用于世界的各個(gè)科研領(lǐng)域中。放大器的性能往往決定了整個(gè)系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性，所以怎樣設(shè)計(jì)制作一款具有良好性能的放大器已經(jīng)成為了當(dāng)前的一個(gè)熱門(mén)研究課題，與此同時(shí)各個(gè)行業(yè)對(duì)其性能指標(biāo)的要求也日漸嚴(yán)格。如要求放大器能夠達(dá)到較高頻率、信號(hào)穩(wěn)定性強(qiáng)、轉(zhuǎn)換速度快，無(wú)非線性失真、功率和頻譜利用率高等目標(biāo)。當(dāng)放大器處在理想工作情況下，其輸入信號(hào)的波形應(yīng)與輸出信號(hào)的波形一致。但是在實(shí)際的電路中工作時(shí)，放大器的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的波形總是會(huì)存在著一定的差別甚至產(chǎn)生畸變，產(chǎn)生這些現(xiàn)象叫做失真。放大器的非線性失真的原因主要有兩個(gè)：①晶體管等特性的非線性;②靜態(tài)工作等位置設(shè)置的不合適或輸入信號(hào)過(guò)大，放大器件工作在非線性區(qū)而產(chǎn)生的非線性失真[1]。

在現(xiàn)實(shí)生活中調(diào)試放大器時(shí)往往是在時(shí)域上觀察波形的失真程度，然而用肉眼看時(shí)域上的波形是很難看出波形的非線性失真程度的，因此我們?cè)O(shè)計(jì)使用了FFT算法，將一個(gè)信號(hào)的時(shí)域波形變換到頻域來(lái)計(jì)算波形的總諧波失真度，進(jìn)而清晰地了解到正弦波的非線性失真程度，有針對(duì)性地對(duì)放大器性能的進(jìn)行改善。此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以廣泛應(yīng)用于各種需要進(jìn)行調(diào)試放大器模塊的場(chǎng)合，更加方便人們進(jìn)行電路調(diào)試。

1 整體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STM32F407為主控器件，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管兩級(jí)放大電路輸出，經(jīng)單片機(jī)控制的74HC4051模擬開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制輸出，經(jīng)過(guò)電位抬升電路，進(jìn)入STM32F407單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行AD采樣并運(yùn)行FFT算法，測(cè)量由信號(hào)源產(chǎn)生的正弦波、三角波、方波的總諧波失真度，并對(duì)輸入的正弦信號(hào)進(jìn)行頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真的失真類型判斷，總諧波失真度數(shù)值和判斷結(jié)果最終通過(guò)液晶顯示。系統(tǒng)組成框圖及電路實(shí)物圖如圖1、圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

圖2 電路實(shí)物圖

2 FFT和總諧波失真度原理

FFT實(shí)質(zhì)是通過(guò)唯一線性組合的方式，將一個(gè)周期函數(shù)變成若干個(gè)三角函數(shù)，就稱該方式為原函數(shù)的FFT變換[2]。FFT的算法可以分為按時(shí)間抽取算法和按頻率抽取算法兩種，可從DFT運(yùn)算來(lái)簡(jiǎn)要介紹FFT的基本原理[3]。N個(gè)樣本的DFT的運(yùn)算為[4]：

基4算法能夠計(jì)算的離散數(shù)列的點(diǎn)數(shù)需為4的整數(shù)次冪，分解的次數(shù)較少，但蝶形運(yùn)算相對(duì)復(fù)雜，數(shù)據(jù)訪問(wèn)次數(shù)少，計(jì)算量也少，完成一定點(diǎn)數(shù)的DFT計(jì)算需要時(shí)間較少【5】。

假設(shè)采樣頻率為Fs，信號(hào)頻率為F，采樣點(diǎn)數(shù)為N[6]。那么FFT之后的結(jié)果就是一個(gè)為N點(diǎn)的復(fù)數(shù)。每一個(gè)點(diǎn)就相對(duì)應(yīng)著一個(gè)頻率點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)下的模值，就是該頻率點(diǎn)下的幅度特性。基于此思路，再利用STM32F4自帶的FFT封裝程序完成程序設(shè)計(jì)?？傊C波失真度（THD）定義：若線性放大器輸入電壓[7]：

其含有非線性失真的輸出交流電壓為：

則有：

3 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要由STM32單片機(jī)模塊、兩級(jí)晶體管放大電路模塊、電位抬升模塊組成。STM32單片機(jī)模塊主要用于控制模擬開(kāi)關(guān)及運(yùn)行FFT算法進(jìn)行總諧波失真度的測(cè)量，兩級(jí)晶體管放大電路模塊用于將信號(hào)放大和正弦波失真波形的輸出，電位抬升模塊將交流信號(hào)混入直流信號(hào)，使信號(hào)輸入AD前電位抬升到AD采樣對(duì)電位需求的范圍。

系統(tǒng)主要控制模塊采用STM32F407單片機(jī)模塊，STM32F407有256KRAM，1MROM，主頻也很高，達(dá)168M，因此運(yùn)算能力十分強(qiáng)大。芯片上外設(shè)豐富，定時(shí)器多達(dá)14個(gè)或17個(gè)，PWM功能強(qiáng)大，其ADC精度也達(dá)到12位，還有DA模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和浮點(diǎn)運(yùn)算單元，能夠達(dá)到實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所需功能的要求。

兩級(jí)晶體管放大電路模塊采用9013型號(hào)三極管作為放大器件，用兩級(jí)分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅值放大100倍以上。兩級(jí)晶體管放大電路模塊輸入輸出連接撥碼開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)信號(hào)源輸入時(shí)，其中一條通道是沒(méi)有經(jīng)過(guò)兩級(jí)晶體管放大電路的導(dǎo)線，直接和STM32單片機(jī)的輸入端口連接，信號(hào)源信號(hào)直接輸入到STM32單片機(jī)；另一條通道是一條經(jīng)過(guò)兩級(jí)晶體管放大電路的通道，使用此通道時(shí)，信號(hào)源輸入，將信號(hào)放大處理或失真處理后進(jìn)入到下一級(jí)電路的輸入端口。當(dāng)輸入頻率為1kHz、峰峰值為20mV的正弦波時(shí)，四個(gè)模擬開(kāi)關(guān)74HC4051控制晶體管放大電路五種靜態(tài)工作點(diǎn)，其中一路波形接上OTL乙類功率放大電路，產(chǎn)生交越失真，從而實(shí)現(xiàn)正弦波的正常波形、頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真的五種波形放大輸出到下一級(jí)電路。兩級(jí)晶體管放大電路模塊原理圖如圖3所示。

圖3 兩級(jí)晶體管放大電路原理圖

電位抬升模塊用于交流信號(hào)加直流信號(hào)輸入，輸出為交直流混合信號(hào)，又叫脈動(dòng)直流。這里所謂電平抬高指直流成分，加入直流等于抬高交流信號(hào)零基線。AD的輸入阻抗較低或者速度較快，因此需要增加一個(gè)電位抬升模塊。本系統(tǒng)采用LM358和AMS1117來(lái)設(shè)計(jì)電位抬升電路，由AMS1117提供一個(gè)直流電壓，與交流輸入信號(hào)混合，形成一個(gè)交直流混合信號(hào)，再通過(guò)LM358緩沖輸出。電位抬升模塊原理圖如圖4所示。

圖4 電位抬升模塊原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通過(guò)keil5軟件進(jìn)行程序的編譯調(diào)試及設(shè)計(jì),測(cè)試階段使用串口與上位機(jī)通信傳輸ADC接收數(shù)據(jù)，再在excel表格進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與波形繪制。本系統(tǒng)使用的主控單片機(jī)為STM32F407，由單片機(jī)內(nèi)部ADC采集信號(hào)，當(dāng)采集足夠數(shù)據(jù)時(shí)，主控模塊采用FFT算法函數(shù)來(lái)分析、計(jì)算出一次、二次···n次諧波失真度，并取其中前5次諧波失真來(lái)計(jì)算總諧波失真度的近似值。各種失真波形的變換控制，使用了74HC4051模擬開(kāi)關(guān)芯片，通過(guò)單片機(jī)的引腳置I/O口來(lái)更換。最后，將所有處理完的數(shù)據(jù)通過(guò)spi通信發(fā)送給顯示模塊。

圖5 軟件流程圖

5 測(cè)試結(jié)果與分析

將放大器非線性失真檢測(cè)系統(tǒng)上電測(cè)試，圖6是輸入頻率為1kHz，峰峰值為2mV的正弦波經(jīng)過(guò)晶體管兩級(jí)放大電路通道選擇輸出的五種波形在示波器上的顯示情況，依次為正弦波、頂部失真、底部失真、雙向失真和交越失真的波形圖。

圖6 晶體管放大電路波形輸出

本系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了失真類型判斷功能，其中圖7為頂部失真的失真類型判斷結(jié)果。

圖7 屏幕顯示界面

表1為本系統(tǒng)五種波形所對(duì)應(yīng)的總諧波失真度，可以觀察出正弦波的總諧波失真度很小，交越失真的總諧波失真度的值最大。

表1 失真度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2是測(cè)量由信號(hào)源產(chǎn)生的1kHz，2V的正弦波、三角波和方波的三種波形的總諧波失真度，可以清晰觀察一次到五次諧波分量的數(shù)值。其中，方波的總諧波失真度是最大的，為38.764957。

表2 五種諧波分量和總諧波失真度

根據(jù)實(shí)物制作的完成，由實(shí)驗(yàn)成果現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析，結(jié)合快速傅里葉（FFT）理論算法和總諧波失真度（THD）理論驗(yàn)證，驗(yàn)證了本系統(tǒng)研究的可行性和準(zhǔn)確性。但是由于硬件和軟件的聯(lián)合，以及電路布局的影響，會(huì)讓本系統(tǒng)存在一定的誤差。

6 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證，最終證明通過(guò)STM32單片機(jī)的控制、利用FFT算法，可以很好地實(shí)現(xiàn)在一定的誤差范圍內(nèi)，較為準(zhǔn)確地測(cè)量正弦波經(jīng)晶體管放大電路輸出的非線性失真波形的總諧波失真度及由信號(hào)源產(chǎn)生的正弦波、三角波、方波的總諧波失真度，并且能夠?qū)斎氲恼倚盘?hào)進(jìn)行非線性失真類型判斷。該設(shè)計(jì)的成果可以廣泛應(yīng)用于實(shí)際調(diào)試放大器的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)較為清楚判斷正弦波形非線性失真的失真程度，進(jìn)而有針對(duì)性地對(duì)放大器模塊的電路性能進(jìn)行完善，具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。