干货｜大学生电子竞赛题目分析——放大器非线性失真研究装置
放大器非线性失真研究装置设计与测试
AUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计时代汽车 放大器非线性失真研究装置设计与测试臧竞之 李希平杭州广安汽车电器有限公司 浙江省杭州市 311402摘 要： 基于STM32F334单片机设计制作的一个放大器非线性失真研究装置。
该设计采用晶体管放大电路将信号源放大，使用四双向模拟开关（CD4066BM）做模拟开关，利用单片机自带ADC采集电压变化，用FFT 算法实现的低频谐波失真度的测量。
使用THD的计算公式计算出线性放大器的“总谐波失真”近似值。
通过EKT043显示触摸屏显示当前输出波形和失真度并且可以通过按键进行波形选择。
关键词：STM32F334单片机 晶体管 ADC采集 FFT算法1 系统方案论证1.1 方案描述信号源输出频率为1kHZ、峰峰值为20mV的正弦波，通过晶体管放大电路放大到峰峰值不小于2V，频率为1kHZ的无明显失真正弦波形，顶部失真波形，底部失真波形，双向失真波形，交越失真波形这5种波形[1]。
通过ADC采集电压变化，用FFT算法实现的低频谐波失真度的测量，使用THD计算公式计算出非线性失真的输出的“总谐波失真”近似值。
通过EKT043显示触摸屏显示当前输出波形和失真度。
如图1所示。
1.2 方案比较与选择1.2.1 失真度测量方法的比较与选择方案一：失真度计以模拟法为基础，采用基于基波抑制原理的基波抑制方法，通过频率选择性无源网络抑制基波，并从抑制基波后的总均方根电压和均方根谐波电压中计算失真度，基波抑制法构成的失真度测量仪可以解决频率范围为100Hz～10KHz、失真度为1×10-5～100％的总体谐波失真测量，测量准确度为±5％～±30％左右，测量较为方便。
方案二：采用快速傅立叶变换（FFT）算法对量化后的信号进行处理，得到基波和各次谐波的电压，从而计算出失真度[2]。
为了提高非整周期采样条件下失真度测量的精度，可以采用准同步法对被测信号的基波和谐波电压进行精确测量。
全国大学生电子设计竞赛训练教程-1.3.4 放大器类题目分析
1.3.4放大器类题目分析放大器类的题目有实用低频功率放大器（第二届，1995年）、测量放大器（第四届，1999年）、高效率音频功率放大器（第五届，2001年）和宽带放大器（第六届，2003年）。
实用低频功率放大器（第二届，1995年）要求设计制作一个具有弱信号放大能力的低频功率放大器，额定输出功率P OR≥10W，带宽BW≥（50～10000）Hz。
涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，方波信号发生器，低频功率放大器等。
测量放大器（第四届，1999年）要求设计制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。
差模电压放大倍数A VD＝1～500。
涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，信号变换放大器，测量放大器等。
高效率音频功率放大器（第五届，2001年）要求设计制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置，3dB通频带为300Hz～3400Hz，最大不失真输出功率≥1W。
涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，音频功率放大器等。
宽带放大器（第六届，2003年）要求设计并制作一个3dB通频带10kHz～6MHz，最大增益≥40dB的宽带放大器。
涉及到的基础知识包含有：电源整流和稳压，AGC，宽带放大器等。
各题目具体要求如下：1. 实用低频功率放大器[2]（第二届，1995年）（1）设计任务设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。
其原理示意图如图1.3.14所示。
图1.3.14 低频功率放大器原理示意图（2）设计要求①基本要求第1部分：在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～700）mV，等效负载电阻R L为8Ω下，放大通道应满足：a. 额定输出功率P OR≥10W；b. 带宽BW≥（50～10000）Hz；c. 在P OR下和BW内的非线性失真系数≤3%；e. 在P OR下的效率≥55%；f. 在前置放大级输入端交流短接到地时，R L=8Ω上的交流声功率≤10mW。
第2部分：自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源②发挥部分第1部分：放大器的时间响应a. 方波产生：由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波：频率为1000Hz、上升时间≤1μs、峰-峰值电压为200mV pp。
3-电子竞赛讲座--放大器
题目
2．发挥部分 （1）电压增益Av ≥60dB，输入电压有效值Ui ≤1 mV。 Av在0～60dB范围内可调。 （2）在Av ≥60dB时，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp ≤100mV。 （3）放大器BW-3dB的下限频率fL ≤0.3MHz，上限频 率fH≥100MHz，并要求在1MHz～80MHz频带内增益起伏 ≤1dB。该项目要求在Av ≥60dB（或可达到的最高电 压增益点），最大输出正弦波电压有效值Uo ≥1V，输 出信号波形无明显失真条件下测试。 （4）最大输出正弦波电压有效值Uo ≥1V，输出信号 波形无明显失真。 （5）其他（例如进一步提高放大器的增益、带宽等）。
（四）作品设计举例
频带内增益起伏控制
1） 选增益曲线平坦的器件 如THS3092。
2） 极间阻抗匹配。
3） 输出频率补偿。
4） 合理利用芯片的特性。
（四）作品设计举例
系统框图
信号输入
信号输出
前级放大
增益调节
后级放大
DAC驱动
彩屏显示
STM32
键盘
电源
（五）其他设计举例
可控电压增益电路 可控增益调节部分使用压控增益放大器VCA820，VCA820在宽频 带工作模式下，增益控制范围为-20dB～+20dB。 前级电压增益放大电路 由于OPA657的增益带宽积高达1.6GHz,并且其输入失调电流仅 有±0.25mV，对于后级电路的调理起到相当大的简化作用。 后级电压增益放大电路 作为末级放大电路，一方面需要满足题目要求电压增益 Av≥60dB，另一方面为了避免放大倍数过大而自激，引入干扰。 末级放大电路的增益应尽可能小但又必须达到要求。可选择大 功率带宽，单位增益稳定，高输出电流的运放OPA2694。
干货｜大学生电子竞赛题目分析——2021年A题《信号失真度测量装置》?
干货｜大学生电子竞赛题目分析——2021年A题《信号失真度测量装置》一、任务设计制作信号失真度测量装置，对来自函数/任意波形发生器的周期信号（以下简称为输入信号）进行采集分析，测得输入信号的总谐波失真THD（以下简称为失真度），并可在手机上显示测量信息。
测量装置系统组成示意图如图所示。
二、要求1. 基本要求（1）输入信号的峰峰值电压范围：300mV~600mV。
（2）输入信号基频：1kHz。
（3）输入信号失真度范围：5% ~ 50%。
（4）要求对输入信号失真度测量误差绝对值Δ=|THDx -THDo|≤5%，THDx和THDo分别为失真度的测量值与标称值。
（5）显示失真度测量值THDx。
（6）失真度测量与显示用时不超过10秒。
2. 发挥部分（1）输入信号的峰峰值电压范围：30mV ~ 600mV。
（2）输入信号基频范围：1kHz ~100kHz。
（3）测量并显示输入信号失真度THDx值，要求Δ=|THDx -THDo|≤3%。
（4）测量并显示输入信号的一个周期波形。
（5）显示输入信号基波与谐波的归一化幅值，只显示到5 次谐波。
（6）在手机上显示测量装置测得并显示的输入信号THDx值、一个周期波形、基波与谐波的归一化幅值。
（7）其他。
三、说明（1）本题用于信号失真度测量的主控制器和数据采集器必须使用TI 公司的MCU及其片内ADC，不得使用其他片外ADC 和数据采集模块（卡）成品。
（2）关于THD 的说明：当放大器输入为正弦信号时，放大器的非线性失真表现为输出信号中出现谐波分量，即出现谐波失真，通常用“总谐波失真THD（total harmonic distortion）”定量分析放大器的非线性失真程度。
若放大器的输入交流电压为出现谐波失真的放大器输出交流电压为，则uo的总谐波失真（失真度）定义为本题信号失真度测量采用近似方式，测量和分析输入信号谐波成分时，限定只处理到5次谐波。
定义为本题失真度的标称值。
2022年大学生电子设计竞赛题目
第八届全国大学生电子设计竞赛题目题目一音控信号分析仪一、设计任务设计、制作一种可分析音频信号频率成分，并可测量正弦信号失真度旳仪器。
二、设计规定1．基本规定（1）输入阻抗：50Ω（2）输入信号电压范围（峰-峰值）：100mV～5V（3）输入信号包括旳频率成分范围：200Hz～10kHz（4）频率辨别力：100Hz（可对旳测量被测信号中，频差不不不小于100Hz 旳频率分量旳功率值。
）（5）检测输入信号旳总功率和各频率分量旳频率和功率，检测出旳各频率分量旳功率之和不不不小于总功率值旳95%；各频率分量功率测量旳相对误差旳绝对值不不小于10%，总功率测量旳相对误差旳绝对值不不小于5%。
（6）分析时间：5秒。
应以5秒周期刷新分析数据，信号各频率分量应按功率大小依次存储并可回放显示，同步实时显示信号总功率和至少前两个频率分量旳频率值和功率值，并设暂停键保持显示旳数据。
2．发挥部分（1）扩大输入信号动态范围，提高敏捷度。
（2）输入信号包括旳频率成分范围：20Hz～10kHz。
（3）增长频率辨别力20Hz档。
（4）判断输入信号旳周期性，并测量其周期。
（5）测量被测正弦信号旳失真度。
（6）其他。
三、阐明1．电源可用成品，必须自备，亦可自制。
2．设计汇报正文中应包括系统总体框图、关键电路原理图、重要流程图、重要旳测试成果。
完整旳电路原理图、重要旳源程序、和完整旳测试成果用附件给出。
四、评分原则设计汇报构造及规范性摘要设计汇报正文旳构造图表旳规范性8总分50基本规定实际制作完毕状况50发挥部分完毕第一项10 完毕第二项10 完毕第三项10 完毕第四项10 完毕第五项 5 其他 5 总分50题目二无线识别装置一、设计任务设计制作一套无线识别装置。
该装置由阅读器、应答器和耦合线圈构成，其方框图参见图1。
阅读器能识别应答器旳有无、编码和存储信息。
装置中阅读器、应答器均具有无线传播功能，频率和调制方式自由选定。
不得使用既有射频识别卡或用于识别旳专用芯片。
大学生电子方案设计书竞赛G题低频功率放大器题解分享
2009年全国大学生电子设计竞赛G题低频功率放大器题解分享本主题由 soso 于 2009-10-30 16:47 解除置顶裸片初长成芯币4693 枚∙个人空间∙发短消息∙加为好友∙当前离线xu__changhua的全部文章楼主大中小发表于 2009-9-8 01:06 只看该作者2009年全国大学生电子设计竞赛G题低频功率放大器题解分享2009年全国大学生电子设计竞赛G题是一个设计功率放大器的题，主要考核学生模拟电子技术的基础技能，要求是一定要用场效应晶体管做末级放大，且电路增益要求很大，如5mV的输入要达到5W（8欧负载）的输出，算下来要1265倍，这么大倍数的放大器还要求噪声非常小，小到5mV，失真度1%，这题相对来说是比较难的。
此外，还要检测放大器的输出功率、电源供给功率以及效率，这部分稍微容易些，但是也不是那么轻易就能解决的。
先说说实现方案吧。
功率放大器实现方法有几类，低频的有甲、乙、甲乙、丁等几种。
甲类效率很低，约20%左右，但是其失真度可以做的非常小，如0.1%，效率没做评分要点，只是适当考虑，所以可以采用；乙类的只能有半周输出，失真度太大所以不能采用。
甲乙类是解决甲类的效率和乙类的失真度的综合途径，推荐采用；丙类肯定不用了，那是高频功率放大器专用的类型，这里是低频的（10Hz~50KHz），所以不能采用；丁类的（就是所谓的D类）采用H桥的开关方式工作，输入的信号要进行PWM（PWM是脉冲宽度调制），H桥输出后是一个开关量，要经过LC滤波转变为模拟量，再传送给扬声器。
这种方法效率极高，但是电路复杂，调试困难，且效率不做评分的主要依据，建议舍弃这种方案。
经过综合权衡考虑，宜采用甲乙类比较合适。
再说下电路组成结构该课题有三个主要部分构成，1：功率传输部分；2：电压放大部分（1265倍以上）；3：信号测量部分功率传输部分没得选，课题已经规定了，一定得用场效应管，最好是P沟道和N沟道互补，这么大功率的场效应管要用V-MOS的，需要查场效应管资料来选型，尤其注意其源极电阻要小，这样才能发挥出优秀的转换效率，此外就是电压和电流的选型。
放大器的非线性失真
放大器的非线性失真非线性失真是模拟电路中影响电路性能的重要因素之一。
本章先从非线性的定义入手，确定量化非线性的一个度量标准，然后研究放大器的非线性失真及其差动电路与反馈系统中的非线性，并介绍一些线性化的技术。
12.1 概述 非线性的定义电路非线性是指输出信号与输入信号之比不为一个常量，体现在输出与输入之间的关系不是一条具有固定斜率的直线，或体现为小信号增益随输入信号电平的变化而变化。
放大器的非线性定义：当输入为正弦信号时，由于放大器（管子）的非线性，使输出波形不是一个理想的正弦信号，输出波形产生了失真，这种由于放大器（管子）参数的非线性所引起的失真称为非线性失真。
由于非线性失真会使输出信号中产生高次谐波成分，所以又称为谐波失真。
非线性的度量方法1 泰勒级数系数表示法：用泰勒级数展开法对所关心的范围内输入输出特性用泰勒展开来近似：)()()()(33221 +++=t x t x t x t y ααα （12.1）对于小的x ，y (t)≈α1x ，表明α1是x ≈0附近的小信号增益，而α2，α3等即为非线性的系数，所以确定式(12.1)中的α1，α2等系数就可确定。
2 总谐波失真（THD ）度量法：即输入信号为一个正弦信号，测量其输出端的谐波成分，对谐波成分求和，并以基频分量进行归一化来表示，称为“总谐波失真”(THD )。
把x(t)=Acosωt 代入式(12.1)中，则有：+++++=+++=)]3cos(cos 3[4)]2cos(1[2cos cos cos cos )(332213332221t t A t A t A t A t A t A t y ωωαωαωαωαωαωα （12.2）由上式可看出，高阶项产生了高次谐波，分别称为偶次与奇次谐波，且n 次谐波幅度近似正比于输入振幅的n 次方。
例如考虑一个三阶非线性系统，其总谐波失真为：2331233222)43()4()2(THD A A A A αααα++= （12.3） 3 采用输入/输出特性曲线与理想曲线（即直线）的最大偏差来度量非线性。
放大器的非线性失真doc10页.doc
放大器的非线性失真非线性失真是模拟电路中影响电路性能的重要因素之一。
本章先从非线性的左义入手, 确左量化非线性的一个度量标准，然后研究放大器的非线性失真及其差动电路与反馈系统中 的非线性，并介绍一些线性化的技术。
12.1概述非线性的定义电路非线性是指输岀信号与输入信号之比不为一个常量，体现在输出与输入之间的关系 不是一条具有固立斜率的直线，或体现为小信号增益随输入信号电平的变化而变化。
放大器的非线性左义：当输入为正弦信号时，由于放大器(管子)的非线性，使输出波 形不是一个理想的正弦信号，输岀波形产生了失真，这种由于放大器(管子)参数的非线性 所引起的失真称为非线性失真。
由于非线性失真会使输出信号中产生髙次谐波成分，所以又 称为谐波失真。
非线性的度量方法1泰勒级数系数表示法：用泰勒级数展开法对所关心的范用内输入输出特性用泰勒展开来近似:y(t) = a x x(t) + a 2x 2 (r)+a 3x 3 (/) + •・・ 对于小的勒y(t)切m 表明a 是心0附近的小信号增益，而如，如等即为非线性的系 数，所以确定式(12.1)中的如他等系数就可确定。
2总谐波失真(THD)度量法即输入信号为一个正弦信号，测量英输出端的谐波成分，对谐波成分求和，并以基频分 量进行归一化来表示，称为“总谐波失真\THD)0把x(t)=Acoscot 代入式(12.1)中，则有:y(t)=务Acosef + a 2A 2 cos 2 coi + a y A y cos 3 cot + -・=a.Acoscot + ——[1 + cos(2 曲)]+—[3cosdX + cos06X)] + •… 2 4由上式可看出，髙阶项产生了高次谐波，分别称为偶次与奇次谐波，且〃次谐波幅度近 似正比于输入振幅的〃次方。
例如考虑一个三阶非线性系统，其总谐波失真为：(a 2A 2/2)2 +(a 3A 3/4)2 (a {A + 3a 3A^4)23采用输入/输出特性曲线与理想曲线(即直线)的最大偏差来度量非线性。
E题_放大器非线性失真研究装置
2020年TI 杯大学生电子设计竞赛E 题：放大器非线性失真研究装置1．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1K 和2K 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。
2．要求1K 和2K 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i u ，要求输出无明显失真及四种失真波形o u ，且o u 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o u 波形。
（1）放大器能够输出无明显失真的正弦电压o u （10分）（2）放大器能够输出有“顶部失真”的电压o u （15分）（3）放大器能够输出有“底部失真”的电压o u （15分）（4）放大器能够输出有“双向失真”的电压o u （15分）（5）放大器能够输出有“交越失真”的电压o u （15分）（6）分别测量并显示上述五种输出电压o u 的“总谐波失真”近似值 （20分）（7）其他 （10分）（8）设计报告 （20分） 项 目主要内容 满分方案论证比较与选择，方案描述。
3 理论分析与计算系统相关参数设计 5 电路与程序设计 系统组成，原理框图与各部分电路图，系统软件与流程图。
5图1 放大器非线性失真研究装置组成框图3．说明（1）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。
（2）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。
（3）无明显失真及四种具有非线性失真电压o u 的示意波形如图2所示：图2 无明显失真及四种具有非线性失真的o u 示意波形（4）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。
放大器非线性失真检测系统
*3 3 2 1
P3
B5 bc
GND
-5
OUT
GND
-5
+5
GND
1 2 3 4 5 6 7 8
Y4 Y6 Z Y7 Y5 E* VEE GND
VCC Y2 Y1 Y0 Y3 S0 S1 S2
16 15 14 13 12 11 10 9
HC4052
1 2 3 4 5 6 7 8
Y4 Y6 Z Y7 Y5 E* VEE GND
VCC Y2 Y1 Y0 Y3 S0 S1 S2
16 15 14 13 12 11 10 9
HC4052
+5A3
A2
A1
A4 S0
*2
S1 S2
3 2 1
P3
+5 C3 C2 C1 C4
S0 S1 S2
+ +
D1 D2 D3 D4 D5 R2 1K
R4 R5 R6 R7 R8 479 525 534 1k 676
良好性能的放大器已经成为了当前的一个热门研究课题，与
此同时各个行业对其性能指标的要求也日渐严格。如要求放
大器能够达到较高频率、信号稳定性强、转换速度快，无非
线性失真、功率和频谱利用率高等目标。当放大器处在理想 工作情况下，其输入信号的波形应与输出信号的波形一致。
全国大学生电子设计竞赛F题分析
调幅信号处理实验电路（F题）西安电子科技大学傅丰林2017‐11‐04目录一、命题目的二、方案选择和论证三、理论分析与计算四、电路与程序设计五、测试结果提高通信电路（又称高频电子线路、非线性电路等）工作频率，2015年200MHz，2017年提高到300MHz以上。
尽可能避开通信概念，只要学过通信电子线路都能做。
调幅信号处理实验电路（F题）【本科组】一、任务设计并制作一个调幅信号处理实验电路。
其结构框图如图1所示。
输入信号为调幅度50% 的AM信号。
为其载波频率为250MHz~300MHz，幅度有效值Virms10µV~1mV，调制频率为300Hz~ 5kHz。
低噪声放大器的输入阻抗为50Ω，中频放大器输出阻抗为50Ω，中频滤波器中心频率为10.7MHz，基带放大器输出阻抗为600Ω、负载电阻为600Ω，本振信号自制。
图1 调幅信号处理实验电路结构框图二、要求1．基本要求（1）中频滤波器可以采用晶体滤波器或陶瓷滤波器，其中频频率为10.7MHz；（2）当输入AM信号的载波频率为275MHz，调制频率在300Hz ～5kHz 范围内任意设定一个频率，V irms=1mV时，要求解调输出信号为V orms=1V±0.1V的调制频率的信号，解调输出信号无明显失真；（3）改变输入信号载波频率250MHz~300MHz，步进1MHz，并在调整本振频率后，可实现AM信号的解调功能。
2．发挥部分在（1）当输入AM信号的载波频率为275MHz，Virms10µV~1mV之间变动时，通过自动增益控制（AGC）稳定在1V±0.1V；电路（下同），要求输出信号Vorms（2）当输入AM信号的载波频率为250MHz~300MHz在10µV~1mV之间变动，（本振信号频率可变），Virms稳定在1V±0.1V；调幅度为50%时，要求输出信号Vorms稳定在1V±0.1V的前提下，尽（3）在输出信号Vorms可能降低输入AM信号的载波信号电平；稳定在1V±0.1V的前提下，尽（4）在输出信号Vorms可能扩大输入AM信号的载波信号频率范围；二、方案选择和论证系统由射频低噪声放大器、混频、本振信号产生、中频滤波放大、AM检波和基带滤波放大以及自动增益控制等组成。
大学生电子设计竞赛赛题分析
大学生电子设计竞赛赛题分析1赛项简介大学生电子设计竞赛(以下简称大赛)是由教育主管部门主办的电子相关专业的传统赛项，每年8～9月份举办一次，由教育部主办的国赛和由各省教育厅主办的省赛轮流交替进行。
因比赛规格高，参赛院校覆盖面很广，几乎所有开设电子类专业的学校都参加，参赛队伍近年来都达1万支以上。
与职业技能大赛不同的是，赛前没有规定比赛内容和范围，直到比赛开始才公布赛题。
比赛共持续4天3夜，不间断进行。
参赛学生每3人为一组，需在规定的时间内制定方案、设计电路、制作电路板、撰写设计报告等。
竞赛采用“半封闭、相对集中”的组织方式进行，比赛期间学生可以查阅有关纸介或网络技术资料，队内学生可以集体商讨设计思想，确定设计方案，分工负责、团结协作，以队为基本单位独立完成竞赛任务;竞赛期间不允许任何教师或其他人员进行任何形式的指导或引导①。
比赛结束后，各个赛点经初步测试优秀的队伍可选送到各赛区指定院校进行正式测试。
如果是国赛年份，还需进行半天左右封闭比赛，成绩好的再选送至全国竞赛组委会制定院校进行复测，并根据复测情况确定获奖名次。
从比赛的赛事规程来看，比赛虽然是公开的，但难度大，技术指标要求高，持续时间相对技能大赛要长。
从最初确定方案到产品制作完成，各项指标都能满足要求的确实不多。
从历年的比赛成绩来看，获奖的比例并不高。
以2015年为例，全国共有1097所高校、13063支代表队，共计39189名同学报名参赛。
其中获得全国一等奖有287支队伍②，占总数的2．2%，可见难度较大。
福建省自参加该项赛事以来，本科组近年来获得全国一等奖的次数逐渐增多，但高职院校参赛获奖很少。
说明高职学生参加该项赛事存在较大困难，主要原因是学生在设计、编程、调试等方面能力训练不足，离赛项要求存在一定差距，需要在平时训练中加以提高。
然而学生的训练只有暑期1个多月的时间，涉及的课程多，知识面广，知识点非常多，要想取得好成绩，必须要有针对性的训练方法，有的放矢才能达到目的。
黑龙江省大学生电子设计竞赛设计报告放大器参数测试仪
黑龙江省大学生电子设计竞赛设计报告密号：----------------------------------黑龙江省大学生电子设计竞赛设计报告题目：放大器参数测试仪学校：哈尔滨工程大学参赛学生姓名：有效联系方式：目录一设计要求二Abstract摘要三系统硬件方案及论证(1)电源电路(2)信号源电路(3)控制系统(4)显示系统四整机结构框架图五程序框架图六测试方案七整机电路图附录一参考文献二软件程序清单一设计要求制作出放大器参数测试仪1）测试参数的种类、数量自定、电压增益不小于1000，输出幅度不小于10V;2）测试参数的精度自定；3）测试仪的功能，例如对测试结果是否存储、显示、打印等自定义。
二摘要AbstractThis machine can test the impedance of the transporter and the fan-out and themagnifying-multiple. Although its structure is simple-it just needs few peripheral equipment, its utility. You can easily get use of it because of the LCD display, and this is the most advantage of it. If you use it, you can easily find its convenience .But the precision of it is not very excellent. And it’s the largest disadvantage .So it still needs some amelioration to be more excellent.摘要根据题目要求，我们设计了一个。
在硬件的设计上我们采用了比较简单的设计，但由于时间的限制，我们只设计出了输入阻抗、输出阻抗和放大率的测试，但我们最感兴趣的相频和幅频特性没有完成，因此本设计在硬件上仍需要很大的改进。
放大器的非线性失真
放大器的非线性失真放大器是电子设备中非常重要的一个组件，其主要功能是将输入信号放大到更大的幅度。
然而，放大器并非完美，可能会引入一些非线性失真。
非线性失真是指输出信号的波形不同于输入信号的波形。
这是由于放大器的非线性特性导致的。
在放大器中，输入信号经过放大后，通过输出。
然而，由于电子元件本身的限制，例如晶体管和功率放大器，放大器输出信号可能会有所改变。
在放大器中，主要的非线性失真包括谐波失真和交叉失真。
谐波失真是指输出信号中存在放大倍数倍数的谐波。
例如，在音频放大器中，输入信号通常是一个正弦波。
然而，由于非线性特性，放大器的输出信号可能会包含原始信号的倍数倍数的谐波，如二次谐波（2倍频）、三次谐波（3倍频）等。
这些谐波信号可能会影响到音频的质量和听觉体验。
交叉失真是指输出信号中存在于不同频率信号之间的非线性交叉成分。
例如，在无线电通信中，多个信号可能同时进入放大器，如果放大器的非线性特性导致不同频率信号之间相互干扰，就会产生交叉失真。
这种失真会降低信号的清晰度和准确性。
为了减少非线性失真，可以采取一些措施。
其中一种方法是使用负反馈。
负反馈是在放大器的输出和输入之间引入一个反馈回路，将一部分输出信号作为输入信号的补偿。
这样可以减少放大器输出信号的非线性失真。
此外，还可以采用线性化技术，如预失真。
预失真在输入信号之前对其进行处理，以补偿放大器的非线性特性。
这样可以改善放大器的线性度，减少非线性失真。
总之，放大器在工作过程中可能会引入非线性失真，如谐波失真和交叉失真。
为了减少这些失真，可以采取一些方法，如负反馈和预失真技术。
通过这些措施，可以提高放大器的线性度，提供更清晰、准确的输出信号。
当今，放大器在电子设备中的应用范围非常广泛，涵盖了从音响系统到通信设备等多个领域。
然而，尽管现代放大器已经越来越先进，但非线性失真仍然是一个不可避免的问题。
首先，让我们深入了解谐波失真。
在放大器系统中，谐波失真是一种主要的非线性失真形式，它指的是输出信号中存在于输入信号频率的倍数倍频的谐波。
信号放大器非线性失真研究装置
信号放大器非线性失真研究装置作者：***来源：《电脑知识与技术》2021年第14期摘要：本信号放大器装置是由甲类放大电路与互补推挽电路共同组成的多级晶体管信号放大器，系统采用STM32F103C8T6作为主控，通过控制光耦的断通来改变电路的参数，以调整电路静态工作点，从而得到不同的波形;通过AD端口采集放大电路輸出端的信号，经THD相关算法得到各种波形THD值，再通过OLED显示。
最终测试结果表明：该系统在不更改接线方式下，能够输出放大100倍且无明显失真的波形以及四种基本失真的波形。
关键词：信号放大器;非线性失真;总谐波失真;STM32控制;AD采集中图分号类：TN722 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2021）14-0220-02为使得信号得到充分利用，采用放大电路，放大电路一般是由两级或者两级以上的单级基本放大电路组成。
单级基本放大电路的电压放大倍数一般只有几十到几百倍，使得输入微弱信号放大到推动负载工作的状态，通常要经过多个单级基本放大电路多次连续的放大。
通常会采用多级放大电路来处理微弱的信号[1]。
有源电子器件的固有特性会使功率信号放大器产生非线性失真，使得输出信号中携带干扰信号，影响功率信号放大器输出侧信息的正确接收[2]。
研究信号放大器非线性失真可以更好地解决实际情况中出现的问题。
1 系统方案方案设计本系统主要分为三大部分信号源，晶体管信号放大器和微控制器。
信号源由信号发生器提供。
晶体管信号放大器中第一级放大电路为甲类放大电路，光耦作为电路切换开关，信号放大器级与级之间采用阻容耦合。
信号源由信号发生器产生初始正弦信号并输入晶体管信号放大器，按键输入信号，通过STM32微控制器控制光耦的通断改变电路中的参数，使输出端出现无明显失真和4种非线性失真，同时STM32微控制器的AD端口采集信号，采集到信号后调取库函数进行THD的计算，并通过OLED屏显示结果。
其中按键和OLED屏连接STM32微控制器实现了人机之间的交互。
放大器的非线性失真
放大器的非线性失真非线性失真是模拟电路中影响电路性能的重要因素之一。
本章先从非线性的定义入手，确定量化非线性的一个度量标准，然后研究放大器的非线性失真及其差动电路与反馈系统中的非线性，并介绍一些线性化的技术。
12.1 概述 非线性的定义电路非线性是指输出信号与输入信号之比不为一个常量，体现在输出与输入之间的关系不是一条具有固定斜率的直线，或体现为小信号增益随输入信号电平的变化而变化。
放大器的非线性定义：当输入为正弦信号时，由于放大器（管子）的非线性，使输出波形不是一个理想的正弦信号，输出波形产生了失真，这种由于放大器（管子）参数的非线性所引起的失真称为非线性失真。
由于非线性失真会使输出信号中产生高次谐波成分，所以又称为谐波失真。
非线性的度量方法1 泰勒级数系数表示法：用泰勒级数展开法对所关心的范围内输入输出特性用泰勒展开来近似：)()()()(33221 +++=t x t x t x t y ααα （12.1）对于小的x ，y (t)≈α1x ，表明α1是x ≈0附近的小信号增益，而α2，α3等即为非线性的系数，所以确定式(12.1)中的α1，α2等系数就可确定。
2 总谐波失真（THD ）度量法：即输入信号为一个正弦信号，测量其输出端的谐波成分，对谐波成分求和，并以基频分量进行归一化来表示，称为“总谐波失真”(THD )。
把x(t)=Acosωt 代入式(12.1)中，则有：+++++=+++=)]3cos(cos 3[4)]2cos(1[2cos cos cos cos )(332213332221t t A t A t A t A t A t A t y ωωαωαωαωαωαωα （12.2）由上式可看出，高阶项产生了高次谐波，分别称为偶次与奇次谐波，且n 次谐波幅度近似正比于输入振幅的n 次方。
例如考虑一个三阶非线性系统，其总谐波失真为：2331233222)43()4()2(THD A A A A αααα++= （12.3） 3 采用输入/输出特性曲线与理想曲线（即直线）的最大偏差来度量非线性。
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干货｜大学生电子竞赛题目分析——放大器非线性失真研究装
置
1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。
2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u i，要求输出无明显失真及四种失真波形u o，且u 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u o波形。
（1）放大器能够输出无明显失真的正弦电压u o
（2）放大器能够输出有“顶部失真”的电压u o
（3）放大器能够输出有“底部失真”的电压u o
（4）放大器能够输出有“双向失真”的电压u o
（5）放大器能够输出有“交越失真”的电压u o
（6）分别测量并显示上述五种输出电压u o的“总谐波失真”近似值。
（7）其他
3说明
（1）限用晶体管、阻容元件、模拟开关等元器件设计并实现图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。
（2）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。
（3）无明显失真及四种具有非线性失真电压u o的示意波形如下图所示：
（4）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
其含有非线性失真的输出交流电压为
则有：
在完成设计要求的第（6）项时，谐波取到五次即可，即
（5）对THD自动测量期间，不得有任何人工干预。
（6）K1和K2的“2”端子用于作品测试。
题目分析与方案设计
本题主要由两部分组成：一个晶体管放大器、一个谐波分析电路。
题目要求的晶体管放大器是一个具有特殊要求的放大器，要求通过切换某些元件后，不仅能够输出正常的无失真波形，还能输出4种失真波形，分别为顶部失真、底部失真、双向失真与交越失真。
下面分析各种失真波形可能出现的条件。
前三种失真波形（顶部失真、底部失真与双向失真）都是限幅失真。
限幅失真与放大器的输出动态范围密切相关：放大器的输出电压越出其输出动态范围后就会被限幅，形成限幅失真。
而晶体管放大器的输出动态范围又与下列因素有关：晶体管的组态、晶体管放大器的负载、电源电压、以及晶体管的静态工作点。
以晶体管共发射极放大器为例。
一旦电源电压与负载电阻确定后，晶体管共发射极放大器的最大输出动态范围便仅与静态工作点有关。
通常，工作正常的放大器的静态工作点位于交流负载线接近中央的位置，只要输入信号幅度不是太大，那么输出信号就基本无失真，如下左图中黑线波形所示。
若输入幅度过大，使得晶体管被双向驱动到饱和区与截止区，那就会出现双向限幅失真，如下图中红色波形所示。
若静态工作点偏高，则输入信号的上半周就可能使得晶体管进入饱和区，输出就出现底部限幅失真；反之，若静态工作点偏低，则输入信号的下半周可能使得晶体管进入截止区，输出就会出现顶部限幅失真。
下图中显示了这两种失真波形的情况。
第四种失真（交越失真）发生在推挽输出电路中。
由于晶体管存在一个约为0.7V的导通阈值，所以推挽输出电路中需要给晶体管施加一个偏置，工作在AB类状态。
若偏置电压不足或为0，就会产生交越失真。
明确了四种失真产生的原因后就可以有针对性地设计放大器电路，例如一个可能的设计方案如下图。
其中晶体管Q1构成带电压负反馈的共射放大器。
开关S1控制负载电阻大小，当S1接通时负载电阻小，导致其电压增益小，为正常放大状态。
S1开路后负载电阻增大，导致该放大器的电压增益增加、输出幅度增加，使得后续的放大器输出幅度超出其输出动态范围而产生双向限幅失真。
Q2构成第二个共射放大器。
开关S2、S3控制其偏置电阻，正常放大状态下S2断开、S3接通，偏置电阻为R6+R7；若S2与S3均断开则偏置电阻变大，Q2的静态工作点下降，输出产生顶部失真；若S2与S3均接通则偏置电阻变小，Q2的静态工作点变大，输出产生底部限幅失真。
晶体管Q3、Q4构成互补推挽输出电路。
其偏置电压由D1、D2与R14等确定，若开关S4接通则偏置电压变得极小从而产生交越失真。
由于将几种不同的失真情况分配给不同的放大器，在具体设计时就比较容易，整个放大器的具体设计要点如下：
互补推挽输出级：
该电路通常用于功率输出，需要考虑其输出驱动能力，包括输出电压范围与输出电流。
但是在本电路中只要求能够演示交越失真，所以不需要考虑其输出电流，两个晶体管只要采用小功率晶体管，负载电阻实际上是后续的示波器以及ADC的输入电阻，阻值很大以致可忽略其负载电流。
R17与R18是稳定工作点的负反馈电阻，通常取一个
远小于负载的阻值，在本电路中取欧姆数量级即可。
题目要求输出峰峰值大于2V，本级的输出电压动态范围必须满足上述要求，因此电源电压应该比2V大许多，例如可以取5~6V。
由于还要考虑此电源电压与电路中的模拟开关芯片公用、以及最后的输出电压要满足ADC的输入电压范围等诸多因素，因此电源电压不宜取得太高。
晶体管静态偏置电流取1~2mA即可，流过D1、D2的静态电流也取同样数量级电流。
可据此设计R12~R16的阻值，微调R14可以调整静态偏置电流。
该级采用自举式偏置电路，其输入阻抗较高，使得前级的交流负载几乎仅由R10确定，可以方便前级的设计。
第二级为共射极放大器。
该级要实现正常放大、顶部失真、底部失真以及双向失真（依靠前级输入信号幅度增加实现）等功能。
该级放大器的输出电压上限大致就是VCC，输出电压下限为Q2的发射极电压V E2加上Q2的饱和压降。
这个输出动态范围应该大于题目要求的正常输出电压峰峰值2V，但是也不能取得太大，否则演示双向失真时的输出幅度会过大，无论对于放大器的增益还是后续的ADC采样都会增加不必要的麻烦。
因此取输出电压动态范围（输出电压上下限之差）为3V左右是一个较为合适的选择，可据此确定Q2发射极电压V E2（电源电压减去输出电压动态范围）。
正常放大状态下，晶体管静态工作点电流可取1~2mA，Q2的集电极电位应该位于V E2与VCC的中点附近。
根据上述条件可以确定发射极电阻R11以及集电极电阻R10。
演示正常放大状态时S2断开、S3接通，偏置电阻为R6+R7，此时Q2的基极电位应该是V E2+0.7V。
演示底部失真时，S2接通，偏置电阻为R6，该电阻的取值应该能令晶体管Q2接近饱和。
演示顶部失真时，S2与S3均断开。
偏置电阻为R6+R7+R8，该电阻值应该能令晶体管Q2接近截止。
根据上述各条件可以确定电路中的偏置电阻R6、R7、R8与R9。
可以验证，按照上述设计得到的放大器Q2在正常放大状态下的电
压放大倍数约为50。
但是题目要求在20mV p-p输入时的输出不小于2V p-p，即正常输出时的电压放大倍数不低于100。
考虑到双向限幅后，整个放大器的电压放大倍数应该大于200，因此第一级放大器至少应该有4倍的电压增益。
第一级放大器采用电流串联负反馈形式的共发射极放大器，其增益约等于负载电阻与发射极电阻R5的比值。
正常放大时S1闭合，负载电阻为R3与后级放大器的输入阻抗并联值，要求其电压增益为2倍左右。
演示双向限幅失真时S1开路，负载电阻为R3+R4与后级放大器的输入阻抗并联值，要求其电压增益为4倍左右。
可以根据这些电压增益设计该级放大器。
由于本级放大器的输入输出幅度均很小，基本上不必考虑动态范围问题，接通工作点电流可以取得较小，各相关电阻值可以取得较大。
目的第二个要求是设计一个谐波分析电路。
谐波分析可以用ADC采集波形数据后，用FFT得到基波与各高次谐波分量，然后按照定义计算THD。
关于ADC采样与FFT运算等细节，可以参考另一篇大学生电子竞赛题目分析——2021年A题《信号失真度测量装置》，这里不再赘述。
由于本题的信号频率为固定的1kHz，所以本题的ADC数据采集要比2021年的那个题目简单许多。
讨论
此题需要对晶体管放大器有比较清晰的了解。
尽管现在放大器多用运放之类的集成电路进行设计，但是运放内部的结构仍然是晶体管，了解晶体管放大器的基本结构不仅是集成电路设计者的必修课，对于应用设计者来说也是准确使用集成电路的必要前提。
另外，此题与2021年A题具有一定的连贯性。
两题都有信号的失真度测量要求，但是此题要求的信号频率为固定的1kHz，而2021年A题的基本要求是信号频率为1kHz，但提高要求则将信号频率提高
到1kHz~100lHz可变，因此在设计难度上提高了不止一个数量级。
其实纵观整个大学生电子竞赛的历年赛题，这种连贯性还有很多。