【分享】2020 年TI 杯大学生电子设计竞赛 E 题：放大器非线...
摘要晶体三极管在现代电路中有着广泛的应用，本文主要针对晶体管在放大电路中出现的各种非线性失真进行了深入的分析，并给出了各种非线形失真的原因。本设计使用三极管共射极放大电路，以32位ARM核心微控制器为控制芯片，通过人机交互触摸显示屏获取按键的输入信息。如果按下显示波形按键，ARM微控制器会控制模拟开关切换至不同的通道，通过调整电阻参数获得各种失真波形。如果按下总谐波失真按键，使用ARM微控制器内部12位ADC对放大电路输出信号进行采样，经过微控制器自带DSP处理功能的FFT运算分析，获得输出波形各频率谐波分量幅值与相位，计算各输出波形的总谐波失真，将运算结果及频谱波形显示在液晶显示屏上。关键词：ARM微控制器，FFT，静态工作点放大器非线性失真研究装置（E 题）【高职组】一、系统方案
本系统主要由ARM微控制器控制模块、液晶显示屏模块、晶体管放大电路模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1控制模块的方案与选择
方案一：使用STC89C52RC。STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能8位微控制器，使用经典的MCS-51内核，具有8K字节系统可编程Flash存储器。具有512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构，全双工串行口。方案二：采用STM32F103RCT6。STM32F103RCT6是一种嵌入式32位微控制器，使用Contex-M4内核，最高频率72MHz，拥有256KBFLASH程序存储器，48K字节RAM容量，内部具有3个12位ADC采样模块，多达112个快速I/O端口，11个定时器，拥有丰富的资源，包括集成FPU和DSP指令。相较于STC89C52RC而言，STM32F103RCT6的运算速度更快，12位ADC采样精度高，内存空间更大，并且支持多种DSP指令集，同时支持基本的数学功能函数和FFT快速傅里叶变换函数的测试，有助于完成谐波失真的计算。综上所述，控制芯片选用STM32F103RCT6。
1.2晶体管放大电路的方案与选择
晶体三极管在电路中有着广泛的应用，三极管放大电路具有共射极放大电路、共基极放大电路和共集电极放大电路。共发射极放大电路具有输入信号与输出信号反相、电压放大、电流放大等电路特性，适用于电压放大、电流放大电路。共集电极放大电路具有输入信号与输出信号同相、无电压放大作用、电流增益高等电路特性，适用于作功率放大和阻抗匹配电路，在多级放大器中常被用作缓冲级和输出级。共基极放大电路具有输入信号与输出信号同相、电压增益高等电路特性，适用于高频电路。综上所述，本设计采用共射极放大电路。考虑到本设计要求放大倍数很小，选择9013和9012.
1.3显示电路的方案与选择
采用DMT10600C070_07W7寸迪文串口屏。该显示屏成本低，分辨率高，低功耗IC，显示内容丰富。用于实现人机交互，直观显示放大电路各谐波分量幅值、频率、谐波总失真，并且可以将信号详细频谱特性显示出来。
二、系统理论分析与计算
2.1静态工作点的计算
断开电容C1、C2、C3与晶体管的连接，按图1所示接入万用表，设为直流电压档，运行仿真，测得基极电压UBQ=3.398V,发射极电压UEQ=2.607V，集电结与发射极之间的电压UCEQ=7.232V。计算可得
2.2谐波失真计算方法谐波失真是指输出信号比输入信号多出的谐波成分。谐波失真是系统不完全线性造成的。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。总谐波失真与频率有关。总谐波失真测量方式是，将一个频谱纯净的正弦波应用于一个放大器，并用一个频谱分析仪观察放大器的输出。为了计算放大电路输出信号中的谐波失真，就必须了解输出各谐波分量频率、幅值、相位等信息。单纯从时域信号中无法获取这些信息，必须要将时域分析转换为频域进行分析计算。但是模拟信号的傅里叶变换频谱也是连续函数，为了便于计算，还要将频谱进行离散化。离散傅里叶变换，是傅里叶变换在时域和频域上都呈离散的形式，将信号的时域采样变换为其DTFT的频域采样。在实际中，通常在满足采样定理的条件下，将模拟信号进行等间隔采样，获得时域离散信号x(n)，再对x(n)进行DFT，获得离散的频谱序列。对频谱序列中每点进行分析，即可获得各谐波分量的幅值与相位，从而完成对信号的频谱分析。由于离散傅里叶变换DFT运算量非常大，在实际应用中通常采用快速傅里叶变换FFT计算离散傅里叶变换，缩短计算时间，提高运算效率。2.3 ARM微控制器计算谐波失真对晶体管放大电路进行绝对值放大电路和过零电路之后，使用ARM微控制器对放大电路输出信号进行采样，采样频率为1MHz，1个周期内采样1024点，adc的获取方式使用定时制采样，使用dma传输。经过ARM微控制器进行1024点FFT运算分析，得到信号频谱在频域上的等间隔采样。使用嵌入式芯片STM32F103RCT6强大的运算功能，完成频谱分析的复数运算，得到输出信号各谐波分量的幅值、相位、频率，计算各输出波形的总谐波失真，运算结果及信号频谱采样点显示在液晶显示屏上。由理论知识可知，幅值最大值的横坐标对应信号频率，纵坐标对应幅度。假设求得幅度值最大的数组为val，信号频率f0=（Fs/N)m ,信号幅值Vpp=val/（N/2）。N为FFT的点数，Fs为采样频率。信号相位Pha=atan2(实部, 虚部)，注意结果是弧度制。
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