摘要：本放大器非线性研究装置，主要包括晶体管放大电路、偏置分压电路、信号调理电路、单片机四个部分。通过晶体管放大电路对微弱的信号进行放大，得到幅值为1.68v的正弦波，在同晶体管第二级放大电路调整不同的静态工作点和放大倍数得到正常波形以及三种不同类型的失真波形信号，交越信号产生电路产生交越信号。调理电路用于将输出的信号电压偏置为正电压且压缩在3.3V内，以保护单片机。最后单片机通过定时AD采样和快速傅里叶变换，得到基波和高次谐波的幅值，计算晶体管放大电路的总谐波失真。
关键词：晶体管放大电路、快速傅里叶变换、波形显示、总谐波失真
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方案一：在晶体管放大电路后接五路带通滤波电路，滤出高次谐波，再测量每一路的幅值，由此分析各谐波的幅值和总谐波失真。
方案二：将输出的电压信号直接进行AD采样，让单片机通过傅里叶变换，计算各谐波的幅值和总谐波失真。
由于方案一的硬件电路过于繁琐，故选用方案二。
方案一：STC89C51单片机加AD芯片进行检测。STC89C51主频低，还要外接AD芯片才能测量电压，本身GPIO口少，难以完成本题目的要求。
方案二：MSP430F149进行AD检测。MSP430F149低功耗，也自带AD转换器，但主频低，计算速度慢，难以快速响应。
方案三：STM32F103ZET6进行AD检测。STM32F103ZET6的主频较高，自带AD转换器，引脚多，在快速计算的同时还能使用大量的外设和IO口，故选用此芯片。
1.3交越失真波形产生方案
方案一：NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极相互连接在一起，信号从基极输入，从发射极输出。为了使负载上得到的波形正、负半周大小相同，还要求两个管子的特性必须完全一致，即工作性能对称。但实际实验中很难保证两个管子特性完全一致，波形略不对称。
方案二：采用两个二极管，反向并联输入信号，二极管正向导通时，当外加电压小于导通电压,二极管几乎不导通，产生交越失真波形，电路简单，交越失真波形稳定，故选择此方案。
方案一：采用单片机控制继电器来实现五种波形之间的切换，继电器控制电路复杂，成本高，在主体电路中十分繁琐。
方案二：采用三极管开关电路控制，电路简单易制作，成本低，与继电器相比，可以有效简化整体电路图，故先择此方案。
用晶体管放大电路放大微弱的信号，通过二级晶体管管放大电路调整不同的静态工作点和放大倍数得到正常波形以及顶部失真、底部失真和双向失真波形信号。连接交越产生电路可产生交越信号。信号调理采样电路将输出的波形进行调理，使信号的幅值在0到3.3V以内，保护单片机内部的AD转换器。最后单片机对信号进行定时的AD采样，在进行快速傅里叶变换，得到信号的基波和谐波幅值信息，计算出总谐波失真。
晶体管放大电路采用分压偏置式放大电路，此三极管放大可以减少或消除温度升高而导致的从而实现静态工作点基本稳定。先通过一级三极管放大电路放大微弱的信号之后再通过二级三极管放大电路调节静态工作点和放大倍数可输出正常波形、顶部失真、底部失真、双向失真。闭合开关K7，通过交越失真电路，可得到交越失真波形
图2-1 总体电路电路图
2.2信号调理采样电路
由于STM32F103的ADC外设测量高于3.3V的电压时会损坏，故在采样时，将晶体管放大电路输出的电压进行分压并跟随，使信号的幅值在0到3.3V，以内保护单片机的ADC外设。
图2-2 信号调理采样电路电路图
电路中的开关采用三极管开关电路，使用单片机控制。RB段给高电平时，三极管的发射集和集电极导通，实现开关效果。
图2-3 三极管开关电路图
图 3-1 程序流程图
STM32F103ZET6的采样频率设置为10240Hz,这样频率分辨率为10Hz。当选用
波形显示模式时，对AD采样的数据的时间轴进行放大处理，最后显示在屏幕上。当选用谐波分析模式时，可以通过触屏选择波形的类型，之后AD采样的数据进行1024点的FFT计算，得到基波幅值和各次谐波的幅值，再计算总谐波失真，显示在屏幕上。
图3-1 顶部、底部、双向失真电路图
三极管的静态工作点计算公式如下，事先已选定 R8=43KΩ，R9=2.4KΩ,
R10=0.62KΩ
式（3-1）
式（3-2）
式（3-3）
式（3-4）
放大倍数
式（3-5）
3.1顶部失真
当放大电路的静态工作点设置的比较低，靠近截止区，则在输入信号负半周的时间内，工作点进入特性曲线的截止区输出电压就会出现截止失真，即顶部失真。三极管处于截止区时，发射结和集电结处于反向偏置，。根据上述静态工作点计算公式可得到。所以当k4闭合，k3、k5、k6、k7断开，输出波形为双向失真。
静态工作点设置过高，靠近饱和区，则在输入信号正半周的时间内，由于工作点进入特性曲线的饱和区而引起输出电压波形发生饱和失真，即底部失真。当UCE很低，输出特性曲线靠近纵轴的纵轴的陡直区域为饱和区，发射结正偏，由于UCE很小（UCE＜１V），削弱了集电结吸收电子的能力，三极管失去了电流控制能力。根据上述静态工作点计算公式可得到R>14.3kΩ。当k5闭合，k3、k4、k6、k7断开，输出波形为双向失真。
虽然静态工作点设置合适，但是由于放大倍数过大造成双向失真。当k3、k6闭合，k4、k5、k7断开，输出波形为双向失真。此时放大倍数
电压放大倍数明显变大很多，因此输出双向失真。
图3-2 交越失真电路图
二极管1N4148导通电压为0.7v左右，当正弦波电压小于0.7v不导通，将两个二极管反向并联，即可产生交越失真。图中所示为，两个反向并联的二极管串联，导通电压变大，交越失真更明显。
单片机供电：5V罗马仕牌充电宝直流供电
电源模块供电：220V，50Hz民用电
晶体管放大电路、分压电路电源：电源模块提供的9V
信号源：RGOL的DG832信号发生器发生的20mv,1KHz正弦波
信号源测试：RIGOL牌DS1102E型号示波器
表 4-1 单片机FFT测试
| 信号源 | 单片机FFT结果 | 信号源 | 单片机FFT结果 | ||||||
| 频率（KHz） | 幅值(Vpp) | 平均值（V） | 幅值（V） | 误差（%） | 频率（KHz） | 幅值(Vpp) | 平均值（V） | 幅值（V） | 误差（%） |
| 1 | 3.040 | 1.490 | 1.510 | 1.342 | 3 | 1.510 | 0.762 | 0.765 | 0.394 |
| 1 | 2.600 | 1.240 | 1.258 | 1.452 | 3 | 1.030 | 0.512 | 0.509 | 0.586 |
| 1 | 2.020 | 0.992 | 1.007 | 1.512 | 3 | 0.512 | 0.257 | 0.253 | 1.556 |
| 1 | 1.560 | 0.753 | 0.767 | 1.859 | 4 | 3.080 | 1.490 | 1.495 | 0.336 |
| 1 | 1.060 | 0.510 | 0.510 | 0.000 | 4 | 2.520 | 1.240 | 1.248 | 0.645 |
| 1 | 0.520 | 0.258 | 0.255 | 1.163 | 4 | 2.040 | 0.986 | 0.997 | 1.116 |
| 2 | 3.020 | 1.490 | 1.509 | 1.275 | 4 | 1.520 | 0.763 | 0.759 | 0.524 |
| 2 | 2.540 | 1.240 | 1.254 | 1.129 | 4 | 1.020 | 0.510 | 0.506 | 0.784 |
| 2 | 2.020 | 0.990 | 1.003 | 1.313 | 4 | 0.516 | 0.257 | 0.253 | 1.556 |
| 2 | 1.560 | 0.753 | 0.763 | 1.328 | 5 | 3.040 | 1.490 | 1.487 | 0.201 |
| 2 | 1.020 | 0.510 | 0.508 | 0.392 | 5 | 2.540 | 1.240 | 1.241 | 0.081 |
| 2 | 0.508 | 0.257 | 0.253 | 1.556 | 5 | 2.040 | 0.990 | 0.992 | 0.202 |
| 3 | 3.040 | 1.480 | 1.504 | 1.622 | 5 | 1.520 | 0.764 | 0.757 | 0.916 |
| 3 | 2.520 | 1.230 | 1.253 | 1.870 | 5 | 1.030 | 0.513 | 0.503 | 1.949 |
| 3 | 2.040 | 0.986 | 1.001 | 1.521 | 5 | 0.512 | 0.258 | 0.253 | 1.938 |
单片机的FFT计算出的信号幅值与原信号相比，误差在2%以下,且能正常输出题目规定的五种波形,并精确计算总谐波失真值。
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