2020年_E题：放大器非线性失真研究装置

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2020年_ E 题：放大器非线性失真研究装置

一、任务
设计并制作一个放大器非线性失真研究装置，其组成如图1所示，图中的K1和K2为1×2切换开关，晶体管放大器只允许有一个输入端口和一个输出端口。

二、要求

K₁和K₂均投到各自的“1”端子，外接信号源输出频率 1kHz、峰峰值 20mV 的正弦波作为晶体管放大器输入电压μ_i，要求输出无明显失真及四种失真波形μ_o，且μ_o的峰峰值不低于 2V。外接示波器测量晶体管放大器输出电压μo波形
放大器能够输出无明显失真的正弦电压μ_o （10 分）
放大器能够输出有“顶部失真”的电压μ_o （15 分）
放大器能够输出有“底部失真”的电压μ_o（15 分）
放大器能够输出有“双向失真”的电压μ_o （15 分）
放大器能够输出有“交越失真”的电压μ_o（15 分）
分别测量并显示上述五种输出电压μ_o的“总谐波失真”近似值（20 分）
其他（10 分）
设计报告（20 分）

三、说明

限用晶体管、阻容元件、模拟开关等元器件设计并实现图1中的受控晶体管放大器，其输出的各种失真或无明显失真的信号必须出自该晶体管放大电路，禁用预存失真波形数据进行D/A转换等方式输出各种失真信号。
在设计报告中，应结合电路设计方案阐述出现各种失真的原因。
无明显失真及四种具有非线性失真电压μ_o的示意波形如图2所示ω：
总谐波失真定义：
- 线性放大器输入为正弦信号时，其非线性失真表现为输出信号中出现谐波分量，常用总谐波失真(THD：total harmonic distortion)衡量线性放大器的非线性失真程度。
  
  THD定义：若线性放大器输入电压吗，μ_i= U_icosωt ，其含有非线性失真的输出交流电压为μ_o=U_o1cos（ωt+φ₁）+U_o2cos（2ωt+φ2）+U_o3cos（3ωt+φ3）+U_oncos（nωt+φn），则有：
  
  在完成设计要求的第（6）项时，谐波取到五次即可，即：
对THD自动测量期间，不得有任何人工干预。
K1和K2的“2”端子用于作品测试

参考答案

GPT-4o给出的设计方案：

一、方案设计概要

设计并制作一个放大器非线性失真研究装置，通过控制切换开关K1和K2来选择不同的输入信号和测量输出。晶体管放大器处理输入信号，采集测量模块记录输出信号，最终在示波器上显示波形以分析放大器的失真特性。

二、方案论证及理论分析

信号源：
- 提供1kHz、峰峰值20mV的正弦波信号作为输入，保证输入信号稳定一致。
晶体管放大器：
- 放大电路设计要点在于要能显现失真特性，如无明显示真、剪切失真和交越失真等。
- 正常放大输出以展示无明显失真及准确增益，确保输出峰峰值不低于2V。
采集测量模块：
- 数字采集电路，用于捕捉放大器输出信号，并计算失真度。
切换开关K1和K2：
- 控制信号源的输入和输出路径，以便于不同测试模式的切换。

三、重要指标分析

信号源频率和稳定性：1kHz频率稳定，峰峰值为20mV的正弦波。
输出信号类型和失真度分析：
- 无明显失真：准确传递输入信号。
- 正交失真、顶部失真、底部失真、交越失真：分析五种失真模式。
响应时间和检测周期：实时捕捉信号变化，能够准确测量和显示不同失真波形。

四、原理图设计要点

晶体管放大器原理图：

输入信号 -> 晶体管放大器 (BJT 或 MOSFET) -> 输出信号
                   ^                         |
                   |                         v
            电阻网络调节放大倍率      反馈电路稳幅

采集测量电路原理图：

放大器输出 -> ADC -> 数字处理器 (MCU) -> 显示结果

开关控制电路：

信号源 -> K1切换信号 -> 放大器输入
                                |
放大器输出 -> K2切换信号 -> 采集测量/示波器

五、核心器件的设计要点

晶体管放大器（如2N3904或IRF540N）：
- 高频率响应特性和低噪声，确保放大器的稳定性和高增益特性。
模拟数字转换器（ADC）：
- 选择高精度ADC，如AD7680，确保高分辨率和采样速度。
微控制器（MCU）：
- 选择STM32系列，具有足够的处理能力和接口资源，用于信号处理和数据传输。

六、MCU程序设计 (C代码)

以下为采集处理和输出控制的核心代码：

#include "stm32f4xx.h"

#define ADC_CHANNEL_NUM 1
#define ADC_BUFFER_SIZE 1024
volatile uint16_t adc_buffer[ADC_BUFFER_SIZE];

void ADC_IRQHandler(void) {
    if (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) != RESET) {
        static int index = 0;
        adc_buffer[index++] = ADC_GetConversionValue(ADC1);
        if (index == ADC_BUFFER_SIZE) index = 0; // Buffer循环
    }
}

void init_ADC(void) {
    /* 初始化ADC通道，配置其采样时间等参数 */
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
    ADC_SoftwareStartConv(ADC1);
}

void TIM3_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) {
        /* 处理采样数据，计算失真 */
        // 处理函数，根据adc_buffer中的数据计算失真度
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
    }
}

void init_timer(void) {
    /* 初始化定时器，用于定时触发失真计算 */
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000 - 1;   // 1 kHz
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 84 - 1;  // 1 MHz
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
    TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

int main(void) {
    SystemInit();
    init_ADC();
    init_timer();
    
    while (1) {
        // 主循环，处理其他操作
    }
}

计算THD的C代码：

以下是用C语言实现计算THD的代码示例，假设我们已经采集到了放大器的输出信号并进行了FFT变换以获取频谱数据。

这个示例中，频谱数据数组 fft_output 包含0到最高次各谐波分量的幅值：

#include <stdio.h>
#include <math.h>

// 伪示例：假设FFT输出的数组，元素代表对应频率的幅值
#define NUM_HARMONICS 10
double fft_output[NUM_HARMONICS] = { // 伪数据
    1.0,  // 基波幅值
    0.1,  // 二次谐波幅值
    0.05, // 三次谐波幅值
    // 其他次谐波 ...
};

// 计算THD的函数
double calculate_thd(double fft_output[], int num_harmonics) {
    double fundamentalFreqValue = fft_output[0];
    double harmonicSumSquared = 0.0;

    // 累加每一个谐波（从二次谐波开始）的平方
    for (int i = 1; i < num_harmonics; i++) {
        harmonicSumSquared += fft_output[i] * fft_output[i];
    }

    // 计算THD
    double thd = sqrt(harmonicSumSquared) / fundamentalFreqValue * 100.0;
    return thd;
}

int main() {
    double thd = calculate_thd(fft_output, NUM_HARMONICS);
    printf("Total Harmonic Distortion (THD): %.2f%%\n", thd);
    return 0;
}

数据采集和FFT变换：
- 在真实应用中，你需要从放大器输出中采集信号并通过FFT变换获得 fft_output 数组，这里假设该步骤已经完成。
准确性：
- 确保采样率高于信号最高频率的两倍（Nyquist定理），以防止混叠。
预处理：
- 采集信号前可采用滤波和去除直流分量等预处理，提高结果准确性。

以下是一段用于单片机（例如使用STM32微控制器）的C代码示例，通过PWM输出生成正弦波。简单来说，我们通过PWM占空比的变化来逼近正弦波的形状，可以使用一个预计算的正弦波表来进行快速查找：

STM32例程：

预计算的正弦波表（注意：实际应用中，可以根据需求增加更多的点以提高精度）：

#define SINE_TABLE_SIZE 256
const uint16_t sine_table[SINE_TABLE_SIZE] = {
    2048, 2098, 2148, 2198, 2248, 2298, 2348, 2397, 2447, 2496, 2545, 2594, 2642, 2690, 2738, 2785,
    2832, 2879, 2925, 2971, 3016, 3061, 3106, 3150, 3193, 3236, 3278, 3320, 3361, 3401, 3441, 3480,
    3518, 3556, 3592, 3628, 3663, 3697, 3731, 3763, 3795, 3826, 3856, 3885, 3913, 3940, 3966, 3992,
    4016, 4040, 4062, 4084, 4104, 4124, 4142, 4159, 4176, 4191, 4205, 4218, 4230, 4241, 4251, 4260,
    4267, 4274, 4279, 4284, 4287, 4289, 4290, 4289, 4287, 4284, 4279, 4274, 4267, 4260, 4251, 4241,
    4230, 4218, 4205, 4191, 4176, 4159, 4142, 4124, 4104, 4084, 4062, 4040, 4016, 3992, 3966, 3940,
    3913, 3885, 3856, 3826, 3...

    /* (Values continue in similar manner to form a sine wave) */
};

初始化PWM和定时器相关函数：

#include "stm32f4xx_hal.h"

TIM_HandleTypeDef htim1;
uint32_t sine_index = 0;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_TIM1_Init(void);
void Error_Handler(void);

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM1_Init();

    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
    while (1)
    {
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, sine_table[sine_index]);
        sine_index = (sine_index + 1) % SINE_TABLE_SIZE;
        HAL_Delay(1);
    }
}

void SystemClock_Config(void)
{
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
    RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
    RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSI;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 8;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 168;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7;
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;

    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}


static void MX_TIM1_Init(void)
{
    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

    htim1.Instance = TIM1;
    htim1.Init.Prescaler = 0;
    htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim1.Init.Period = 4095;
    htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
    htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
    if (HAL_TIM_Base_Init(&htim1) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
    if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim1, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim1) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 0;
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
    sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
    if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    HAL_TIM_MspPostInit(&htim1);
}

static void MX_GPIO_Init(void)
{
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF1_TIM1;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

void Error_Handler(void)
{
    while(1)
    {
        // Error handler
    }
}

代码解释：

预计算正弦表：定义一个包含256个点的正弦波查找表。
初始化：
- 初始化系统时钟。
- 初始化TIM1作为PWM输出，并设置周期和占空比。
- 初始化GPIO用于PWM输出。
主循环：
- 每1毫秒从正弦表中读取一个值，设置PWM占空比，通过修改 TIM1->CCR1 值。
- 由于我们使用预计算的正弦波查找表，可以确保输出接近理想的正弦波。

这段代码可以在STM32CubeMX生成的基本框架上进行修改和应用，通过适当调整波形点数和采样速率，可以实现更高质量的正弦波输出。

这个题目考察的知识点：

信号源及放大器设计：要求学生理解并设计一个包含信号源和放大电路的系统，考虑放大器的非线性失真特性。
谐波失真分析：需要掌握谐波失真的概念，并通过测量各谐波分量来计算总谐波失真（THD）。
数据采集与处理：设计信号采集系统，使用微控制器和ADC模块进行精确的数据采集，并通过软件进行数据处理和分析。
频谱分析：利用频谱分析方法，如快速傅立叶变换（FFT），分析信号的频谱特点，理解线性和非线性失真的区别。
实验设计与测试：熟悉实验设计的基本流程，能够制定并实施测试方案，对测试结果进行分析和改进。

通过这些知识点的学习和实践，学生将能深入理解放大器非线性失真特性及其对信号质量的影响。