李彬彬 姬豐欣 孔瑞文 崔 淵 張 芬 陳祝洋

（江蘇理工學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 江蘇·常州 213001）

0 引言

日益復(fù)雜的放大器電路需要對(duì)電壓增益、失真程度進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，因此對(duì)于非線性失真的檢測(cè)不能停留于表面，而需要較為精確的檢測(cè)并顯示出失真類型、總諧波的失真度等參數(shù)。此外，在保證儀器測(cè)量精度的前提下，提高儀器的便攜性和遠(yuǎn)程操作性更是發(fā)展的重要方向，因此制作一個(gè)放大器非線性失真的檢測(cè)系統(tǒng)是十分有必要的，并且具有很高的實(shí)用價(jià)值[1]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本裝置通過(guò)三極管放大器的級(jí)聯(lián)、隔離模塊、帶通濾波器及其STM32實(shí)現(xiàn)研究放大器非線性失真。通過(guò)放大電路模塊實(shí)現(xiàn)電壓放大，并通過(guò)繼電器選擇五種不同的非線性失真的顯示，其中通過(guò)帶通濾波器可以過(guò)濾出特定頻段的波，實(shí)現(xiàn)基波、諧波分離，通過(guò)AD637采集電壓有效值，并傳遞給STM32，STM32完成對(duì)整個(gè)測(cè)量電路的功能控制和數(shù)據(jù)處理，通過(guò)公式1計(jì)算得到總諧波失真值。

放大器非線性失真測(cè)量裝置的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖

2 核心電路設(shè)計(jì)

2.1 放大電路模塊

本設(shè)計(jì)放大電路模塊采用多級(jí)放大電路，其中第一級(jí)設(shè)計(jì)為共射極放大電路，采用400和700作為負(fù)載電壓分別產(chǎn)生放大系數(shù)為7倍和10倍的共射極電路，第二級(jí)電路采用共集放大電路，完成信號(hào)的隔離。第三級(jí)使用單刀三擲開關(guān)分別完成對(duì)不同電阻的電路切換，用以完成對(duì)共射極電路Rc的變化，分別接入15K/27k/12k實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的不同程度的放大。

2.2 隔離模塊

本設(shè)計(jì)中隔離模塊采用電壓跟隨器的方式。輸入電壓與輸出電壓同相，且電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。電壓跟隨器具有高輸入電阻、低輸出電阻的特點(diǎn)。當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，就相當(dāng)于對(duì)前級(jí)電路開路，當(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對(duì)后級(jí)電路就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級(jí)電路阻抗影響，將負(fù)載對(duì)輸入端的影響隔離掉，減小失真度[2]。

2.3 檢波模塊

本設(shè)計(jì)采用AD637芯片實(shí)現(xiàn)均方根值檢波。AD637內(nèi)部集成了絕對(duì)值電路、平方電路、開方電路和積分器電路，幾乎不需要任何外圍元件。有效值檢波電路輸出結(jié)果等于被測(cè)信號(hào)有效值，始終在周期內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行方均根運(yùn)算，測(cè)量精度較高，適用于任意信號(hào)的測(cè)量。

2.4 濾波器模塊

帶通濾波器是一種通過(guò)同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備。此處要通過(guò)五個(gè)中心頻率精準(zhǔn)的帶通濾波器分別過(guò)濾出1k,2k,3k,4k,5k赫茲的諧波，這就要求每個(gè)濾波器的過(guò)濾帶要盡可能的小（不影響其他諧波的過(guò)濾）。在此處采用Filter-Pro軟件，選取理想?yún)?shù)，可直接生成該濾波器的設(shè)計(jì)圖。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件控制部分由STM32單片機(jī)完成，如圖2，首先單片機(jī)STM32對(duì)液晶和串口進(jìn)行初始化設(shè)置，并在主界面上進(jìn)行顯示，接著設(shè)置AD采樣間隔，然后判斷是否有按鍵按下，按鍵0、1、2、3、4、5分別對(duì)應(yīng)顯示無(wú)明顯失真電壓、“頂部失真”電壓、“底部失真”電壓、“雙向失真”電壓、“交越失真”電壓和“總諧波失真”近似值[3]。

圖2：軟件總體設(shè)計(jì)流程圖

4 數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

在外界信號(hào)源輸出頻率1kHz、峰峰值20mV的正弦電壓的情況下，通過(guò)單片機(jī)控制放大電路，使其分別測(cè)量無(wú)明顯失真的正弦電壓波形的總諧波失真度、頂部失真電壓波形的總諧波失真度、底部失真的電壓波形總諧波失真度、雙向失真的電壓波形總諧波失真度和交越失真的電壓波形總諧波失真度，并與仿真得到的理論結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

表1：總諧波失真度測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要說(shuō)明了放大器非線性失真裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程及原理，包括三極管放大器的級(jí)聯(lián)電路、隔離模塊、帶通濾波器及其STM32單片機(jī)采集信號(hào)并完成對(duì)電壓信號(hào)幅值測(cè)量部分的軟件編寫，由此構(gòu)成放大器非線性失真檢測(cè)裝置。該裝置在精確檢測(cè)電子系統(tǒng)中信號(hào)的失真類型、總諧波的失真度等參數(shù)有重要的實(shí)用價(jià)值。