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）

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）