2020年TI杯大学生电子设计竞赛E题总结(放大器非线性失真研究装置)

摘要:E题的竞赛内容主要是参赛者自己搭建一个晶体管放大器,能够产生不失真、顶部失真、底部失真、双向失真和交越失真五种波形,并分别测量这五种波形的总谐波失真值(THD = Total Harmonic Distortion)。要设计这样一个非线性失真研究装置,首先用两级共射放大电路组成晶体管放大器,采用开关控制偏置电阻的切换产生五种波形,输出端通过STM32核心板对输出信号进行采样、FFT(Fast Fourier Transformation:快速傅里叶变换)处理并分别计算THD值,同时连接到示波器观察波形。最终作品能够产生符合要求的五种波形,并成功分别测量显示出THD值,测量误差在允许范围内。

关键词:晶体管放大器;非线性失真;THD;STM32;FFT

一、竞赛内容

  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。
  1. 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Ui ,要求输出无明显失真及四种失真波形Uo ,且Uo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Uo波形。

    (1)放大器能够输出无明显失真的正弦电压Uo(10 分)

    (2)放大器能够输出有“顶部失真”的电压Uo(15 分)

    (3)放大器能够输出有“底部失真”的电压Uo(15 分)

    (4)放大器能够输出有“双向失真”的电压Uo(15 分)

    (5)放大器能够输出有“交越失真”的电压Uo(15 分)

    (6)分别测量并显示上述五种输出电压Uo的“总谐波失真”近似值 (20 分)

    (7)其他 (10 分)

    (8)设计报告 (20 分)

  2. 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Uo的示意波形如图2所示。

    (4)对THD自动测量期间,不得有任何人工干预。

    (5)K1和K2的“2”端子用于作品测试。

    (6)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)衡量线性放大器的非线性失真程度。

二、系统方案和框图

1. 两级放大电路

2. 互补输出级

3. 偏置电路

  • 机械开关(自锁开关)

* 模拟开关(CD4051)

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