AUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计
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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。
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
汽车设计网信号源输出频率为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。
方案三；曲线拟合法以固定的采样间隔
对某正弦信号进行测量，测量失真的有效值
更为准确，补偿量化误差可以消除或降低数
据采集卡的量化误差带来的影响。
综合考虑，方案一为模拟法首先排除，
方案二，方案三为数字化方法，其中方案二
快速傅里叶变换 即（FFT算法）比方案三曲
线拟合法更能准确的计算出失真度精度，因
此，选择方案二。
1.2.2 ADC采集的比较与选择
方案一：采用8位A/D转换芯片
ADC0832构成A/D转换电路进行采集，
实现了从模拟电路到数字电路的采集。
ADC0832是一种8位分辨率的A/D转换芯
片。其最高分辨率可达256级，只能满足模
拟量转换的一般要求[3]。
方案二：采用STM32F334自带的十二位
ADC采集，实现模拟电路到数字电路的采集。
Design and T est of Amplifi er Nonlinear Distortion Research Device
Zang Jingzhi Li Xiping
Abstract： A n amplifi er nonlinear distortion research device is designed and manufactured based on STM32F334 single-chip microcomputer. The design uses
a transistor amplifi er circuit to amplify the signal source, uses a four-way analog switch,CD4066BM, as an analog switch, uses the microcontroller's
own ADC to collect voltage changes, and uses the FFT algorithm to achieve low-frequency harmonic distortion measurement. The article uses the THD calculation formula to calculate the approximate value of the "total harmonic distortion" of the linear amplifi er. The EKT043 display touch screen displays the current output waveform and distortion degree and can select the waveform by pressing the button.
Key words：STM32F334 microcontroller, transistor, ADC acquisition, FFT algorithm
图1 总框图
信号源
晶体管发大
电路
ADC采集显示波形
单片机
输出波形
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126
AUTO TIME
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它是一个12位分辨率的a/D 转换器，最高分辨率可达4096级，可以满足高速模拟转换的要求。
综合考虑，本题需要尽量减少AD 转换
的时间，同时又要拥有较高精度的AD 转换，因此，选择方案二。
2 电路设计
如图2所示，通过信号源发出频率为1kHz、峰间值为20mV 的正弦波。通过晶
体管放大电路，将峰值不小于2V，频率为1kHz，无明显失真的正弦波、顶部失真波形、底部失真波形、双向失真波形和交叉失真波形通过输出端口放大输出[1]。
图2 电路框图
信号源
晶体管放大电路
输出端口
无明显失真的正弦波形
顶部失真的波形底部失真的波形
交越失真的波形
双向失真的波形
2.1 晶体管放大电路设计
题目要求将20mV 的电压放大到不小于2V 的电压因此我们需要放大到100倍以上，因此需要3级放大电路才能达到要求。
因集电极电位下降会削去输出波形的下侧，集电极电位上升会削去输出波形的上设电流故将集电极电位Vc 设定在VCC 2
设
Ic=1mA，Ic=le [4]。电阻计算公式：
VCC 2I
R2=
（1）
R1的阻值通过电阻计算公式得出，R2的阻值可以通过放大倍数计算出来。
放大倍数公式：
R1
βR12= （2）Ube 的电压通过R2的阻值*βIbe+晶体管的导通0.7V 如图3
Ube=βIbe*R2+0.7V （3）R3的阻值通过VCC-Ube 的电压/βIbe，R11的阻值通过Ube 的电压/βIbe。同理可以算出前面2级的电阻阻值。如图3
VCC-Ube
βIbe R3=
（4）Ube βIbe
R11=
（5）
图3 晶体管放大电路图
2.2 程序设计
2.2.1 程序功能描述与设计思路利用ADC 采集电路中电压值，通过定时器获取ADC 值，得到ADC 值后再通过
FFT 进行运算得到THD 运算通过串口输出THD 值。
2.2.2 程序流程图
程序首先对所需要的硬件设置，如时钟、ADC、定时器、串口，接下来进入while 循环，
接收串口的数据并判断串口的第三位，若为
0x01，则接收键值，为0x02，则接受串口屏传来的设置的频率值，并设定相应的定时器中断时间。接着继续判断键值，键值为相应的值就打开相应的指示灯，并且输出相对应
的波形，之后对采集的ADC 数组进行算法平均，冒泡排序，进行滤波，将得到新的电压值，进行傅里叶
快速转换，得到最后的结果电压值，串口输出结果电压值，将结果电压值进行THD 运算得到最后的五次谐波后的THD
值，最后将THD 通过串口输出到串口屏中如图4所示。
在程序进行初始化了，中断就已经打开，开启了定时器1中断，定时器2中断，串口中断，定时器1中断时间为1ms，不断的刷
新键值，串口中断用来接收串口屏发送的数据，定时器2中断则用ADC 来采集电压值，缺省时间为31.25us，可以快速采样。如图5所示。
图5 程序流程框图
中断
定时器1中断
定时器2
中断
定时器1中断
串口中断
串口接受标志
串口接收
串口中断
定时器1中断
A D C值送入数组
数组维<180
采集ADC
刷新按键
是
否
1
3 测试方案与测试结果分析
3.1 测试方案
测试时在恒定温度下，使用5V 稳压电源给晶体管放大电路和单片机供电，普源信号源输出频率为1kHZ、峰峰值为20mV 的正弦波，示波器检测观察波形。
3.2 测试条件与仪器3.2.1 测试仪器
测试设备有：普源信号源（型号DG1022U）、直流稳压电源（型号QJ300-
THD
无明显失真
顶部失真
底部失真
双向失真
交越失真
标准三角波
测量值0.7%～1.2%
10.2%～11.3%
15.3%～15.5%
11.1%～11.3%
17.8%～18.5%
11%
计算值0.9%10.4%16.2%11.1%18.3%误差
0.1%～0.5%
0.1%～0.7%
0.7%～1.2%
0.1%～0.3%
0.3%～0.5%
表1 测量挡位表
图4 程序流程框图
开始
1
初始化时钟、ADC、定时器、串口
串口第三位数据
接收
键值
接收设置的输入频率
设置定时器中断时间
键值
对ADC 进行滤波
采集的ADC 值进行傅里叶快速转换
串口发送结果
进行THD 运算
串口输出THD
结束
打开第n个灯
0x01
0x02
（下转第129页）
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工中心）定位尺寸，计算公式如下：
a）重复定位精度=导向杆与轴承配合极限间隙+定位孔与定位销配合极限间隙
b）导向杆尺寸=φ50（-0.034，-0.009，），轴承孔尺寸=φ50（-0.014，0），过渡配合，极限间隙为0.034mm
c）定位孔尺寸=13（0，+0.018），定位销尺寸12.9（-0.027，0），极限间隙为0.045mm。
所以顶升机构的重复定位精度=0.034+0.045=0.079mm，料头与油堵的间隙为0-0.2mm，所以顶升机构的定位精度可以满足重复定位要求。
3.4 传输辊道
传输辊道由对中机构、挡料机构、自动辊道、到位传感器、导向、支撑总成等几部分组成，实现工件准确到位功能，如图8。
工作逻辑为：挡料器升起，入口放行工件进入到挡料位置挡停，对中机构将工件对中，对中机构松开， PLC延时（2s）发送对
中到位信号给顶升机构、拧紧机构进行顶升
拧紧，拧紧结束后，顶升机构下降到位信号
发送给挡料机构，松开挡停，辊道旋转，工
件离开顶升工位，开始下一个循环。
图8 辊道传输
支撑总成
对中机构
挡料
机构
3.5 涂胶&检测机构
采用全自动可控滴胶量的滴胶系统完成
滴胶，使用彩2000万像素的相机（可根据
实际现场识别环境选用）进行滴胶效果检测，
相机需配备镜头和可调节光源便于适应不同
的检测环境。
4 结语
高精度的6轴机器人结合视觉系统以及
定位机构可替代复杂动作的人工操作，在自
动化机构的设计过程中需充分考虑定位精度、
成本、场地大小的因素。
参考文献:
[1]戴维，发动机装配过程螺栓拧紧监控策略
设计及应用.汽车制造技术.2018年第12
期.
[2]王力爽.发动机缸体10轴自动拧紧机设计
研究.装配应用与研究.2020年第18期.
[3]龙海清，王阿素.自动涂胶系统在发动机
缸体生产中的应用.2014年第1期.
5S）、示波器（型号DS6104）、EM33D型万用表；利用普源信号源输出频率为1kHZ、峰峰值为20mV的正弦波，通过示波器观察波形放大情况。
3.3 测试结果与分析
3.3.1 THD的测量
THD的测量通过示波器MATH档中的FFT显示出电压值再通过THD的计算公式手动计算出THD值，与显示屏显示出来THD值，计算两者之间的误差值。
3.4 测试结果结论
它能满足设定的要求。信号源的输出频率为1kHz，峰峰值为20mV[5]。它能放大到无明显畸变的正弦波、上畸变波形、下畸变波形、双向畸变波形和交叉畸变波形的峰峰值。通过ADC采集电压变化和FFT
算法，可以测量低频谐波失真，使用THD计算公式计算测量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，方便检测与测量。
参考文献：
[1]Stanley Chen.MOS场效应晶体管降低串
扰对模拟开关的影响[J]. 电子设计技术，
2003.
[2]安娜. 基于混沌的微弱信号放大与A/D转
换方法研究[J].中国矿业大学，2014.
[3]澄江.集成电路及其应用三十七、双向模
拟开关集成电路[J].电气时代，1996.
[4]张世旺.也谈模拟双向开关的应用[J].家电
检修技术，2010.
作者简介
臧竞之： （1974.10—），男，汉族，浙江富阳人，
本科（工程管理硕士MEM在读），软考
高级。研究方向：汽车电子技术。
通讯作者
李希平： （1983—），男，汉族，江西省安福县
人，本科，中级职称。研究方向：汽车
空调系统自动控制。
[5]方佩敏.带有数据锁存的低功耗 四CMOS
模拟开关——LTC221/222[J].今日电子，
1995.
[6]黄正峰，苏子安，曹迪等.基于灵敏放大
器的高性能低功耗触发器设计[J].合肥工
业大学学报（自然科学版）. 2020，43（12）.
（上接第126页）
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