【《放大电路检测系统设计理论探析概述》3800字】

放大电路检测系统设计理论分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u190281.1电路故障检测原理 162421.2FFT计算原理 2298281.3THD计算原理 4257071.4幅频特性曲线分析 5待测放大器是选用共射极放大电路和乙类互补功率，通过设计控制偏置电路静态工作点使其产生顶部失真、底部失真、双向失真以及交越失真。选用这两种电路的原因是该电路使用范围广泛，在音频信号的传输设备等产品中都有用到。该放大电路有抗干扰能力强、放大增益高、电路结构简单等优势。本装置基于Hi3861处理器搭载HarmonyOS操作系统为核心的检测设备，在放大电路输出失真波形后要对其进行数字信号的分析。主要过程是通过鸿蒙系统的自带外设模数转换得到数字信号，再设计快速傅里叶变换（FFT）算法对其进行谱分析，得到其总谐波失真值和幅频特性曲线。放大电路检测系统主要结构控制图如1.1，信号源输出标准正弦信号可以直接输入到检测系统中进行测试，晶体管放大器为待测电路，也是失真波形的信号发生电路。该待测电路只允许有一个接入信号源的接口和一个检测接口。图1.1放大电路检测系统主要结构框图1.1电路故障检测原理当产生顶部失真、底部失真和双向失真时用共基极放大电路截止或截止失真失真，产生交越失真时电路为乙类功率互补放大电路。这些偏置电路都是利用了三极管的输出特性曲线来进行设计的。静态偏置电路中影响失真波形的静态工作点和晶体管的工作状态有直接关系。在正常可以导通的状态下，晶体管可工作在三个区域：放大区、截止区、饱和区。工作区域和三极管三个“管子”的相互导通电压有关系，主要是三极管的开启电压UON有关，跟三极管的材质有关，各个管子上的电流，包括集电极电流IC、发射极电流IE、基极电流IB有关，还跟管子间相互压降，有发射结电压UBE、集电结电压UCE有直接关系。这些电压会导致管子的正向偏置或反向偏置导致工作区域的变化，进而产生失真效果。首先需要明确，本次选用晶体管是NPN型管，和PNP型管输出倒相的情况，输入为标准正弦信号。当产生顶部失真时，是正半周期输出没有和输入放大一致发生失真。这是由于静态工作点较低，接近截止区，截止区发射结有较小的反向电流通过，但是还不足以达到开启电压。这时就发生截止失真现象。当产生底部失真时，是负半周期输出没有和输入放大一致发生失真。这是由于静态工作点较高，接近饱和区。饱和区中到达集电极的电子数量不多，因此集电极电流不会有较为明显的增大，这时就发生饱和失真现象。当产生双向失真时，是正、负半周期输出都没有和输入放大一致发生失真。这是由于输入信号电压峰值较高时，通过放大电路的放大，输出放大信号的电压波峰和波谷也会很高。当“头部”凌驾到放大范围最大值以上时，头部就相当于在饱和区，负半周期“脚部”小于最小值时，脚部就相当于在截止区。这时的信号是截止失真和饱和失真的叠加，这时就发生双向失真现象。交越失真的发生电路，一般是放大器的乙类互补功率放大电路。两只管子对称分布，分别对信号的正、负半个周期进行放大。也就是乙类放大器放大功效是半个周期半个周期的进行放大。而当发射结电压小到管子基本不导通时，两个管子都基本不导通，在正负半周期交替时，两只管子没有“商量”好，这时就发生交越失真现象。1.2FFT计算原理信号如果要提取出频域上的信息就需要进行傅里叶变换、拉普拉斯变换等，傅里叶变换就是为一个时域上的信号提取频谱信息的过程。在频域上就是离散谱的叠加构成了连续谱，我们需要把这些离散谱表示出来，就是每个点的叠加构成了一个多项式，选取点多了之后就成了一个信号的频域连续谱。这个多项式的表示公式是： （1.1）该多项式计算是可以直接表示频域信息，而多项式的算法计算次数是和变换区间长度的平方N2成正比的，当计算N值较大时计算量过大。这时想到用点值表示的方法是可以降低计算量的，如图1.2将这些点表示在单位圆上，n个等分的点可以用横坐标为实轴、纵坐标为虚轴表示成复数点。将这n个点对应模长为1的幅角，第K个点可以表示为是(cos2πk/n,sin2πk/n)，用虚数表示是cos2πk/n+isin2πk/n。图1.2傅里叶点值复数图像表示令系数为w=e-j2π/N，将n个点的序列分成一个奇数子序列peven(n)和一个偶数子序列podd(n)，则第k个点N点离散傅里叶变换（DFT）结果为： （1.2）表示出奇子序列在k点N/2点DFT为： （1.3）偶子序列在k点N/2点DFT为： （1.4）则原式可表示为： （1.5）又由于经过奇偶抽取分成后，奇偶序列分别都是N/2为周期，将序列划分为两段X1(k)和X2(k)，则这n个序列的N点DFT又可以分解为： （1.6）其中前半部分频谱序列为： ， （1.7）而后半部分频谱序列为： ， （1.8）FFT基本算法流程大致是这样，其中在前半部分和后半部分公式计算时可以用流图符号蝶形运算来进行表示，蝶形运算配合完成了针对复数的运算，主要完成了一次复乘和两次复加。在直接进行傅里叶变换所用的计算次数和变换区间长度的平方成正比N2，而FFT的计算次数为NlogN，显然计算量是快很多。由于对整个时域进行傅里叶变换和对有限长度的信号进行变换时不同的，所以一般的FFT算法会发生频谱泄露。为尽量避免这种误差，有研究发现对频谱做一定的变换就可以稍微减小这种误差，尽量降低频谱泄露的程度。就是在频域中，频谱信号幅值收敛到最小值的速度尽量快，这就需要在原频谱xm(n)前面进行一定的加权得到新的输出频谱x1(n)。新频谱表达式为： （1.9）通过文献研究分析，频谱衰减特性有较为明显的改善，可以减小FFT自身带来的频谱泄露的误差，减少一些无关谐波对待测信号频谱的干扰。在放大电路数字信号检测装置中，FFT算法的准确度对设备的影响是非常大的，也是本设计主要需要研究改善优化的地方。1.3THD计算原理放大电路失真检测需要检测失真的程度，这时就要需要检测失真指标来进行定量计算。当输入信号是标准正弦信号时，输出信号在发生失真后的频率会在原输入信号的基频之外多出一些谐波分量，输出信号时域上表示为：（1.10）尤其是在经过一些放大电路后，不可避免会有一些非线性失真，在输入信号基波的基础上产生一些二次谐波、三次谐波等干扰。而这些谐波分量的电压均方根值比上输入信号基波电压的百分比即是总谐波失真（THD），公式为： （1.11）而在实际系统中当谐波的个数无限多时，第n次谐波的幅值An将会无限接近于0。在忽略掉后面的谐波后，占据主要的谐波就是前几次谐波，为计算简便，选择基波频率为1000Hz，计算只取前五次谐波的均方值，而在做显示时也只显示前五次的谐波幅值。THD已经作为很多产品衡量产品质量性能的重要指标，例如在音频传输设备中总谐波失真一般是小于0.5%，这是因为人耳保证分辨不出失真之后，为保证产品质量还应继续降低THD。总谐波失真是和频率、幅度有关，在频率方面，一个系统对信号输入频率是有范围，当超过这个范围信号的失真会非常明显。而输入信号的频率即基波也在一定程度上是影响总谐波失真的因素，相同的系统中不一样的基波频率带来的THD也是不一样的，为减少该方面的影响选择经研究实验表明影响最小的一千赫兹。输入信号的幅度影响体现在信号在基波处幅度陡然降低时，总谐波失真会非常明显的提升。在了解THD的含义之后，可以用THD来进行衡量整个数字信号处理的精确度。这是因为总谐波失真在衡量输出信号是失真信号时可以判断失真程度，而在输出信号是和输入信号是一致时就可以用它来描述和标准正弦信号不一致的程度，也就相当于这个装置的检测结果的准确度。相对来说在输入标准正弦信号之后，THD越小检测设备信号处理结果的精确度就越高，装置质量越好。1.4幅频特性曲线分析放大电路检测系统装置在进行失真检测时有需要直观显示频域性质的图像。将一个波形的幅度信息在频率上体现出来就像音乐在乐谱上的显示，可以清楚的看出一个信号的在哪些频率上有值同时可以看出在某个频率上的大小。在单纯针对标准正弦信号进行幅频性质测量时，发现只会在该频率上是有信号发生的，而经过放大电路的各种元器件的频率影响，因此信号在经过这些放大电路之后会发生幅值特性和相频特性的失真变化。在本放大电路检测装置中，为更直观的显示失真故障信息，添加了直接将幅频特性曲线进行显示的功能。在得到幅频特性失真波形幅频特性曲线时，是需要将待测的放大电路输出的失真波形首先进行AD模数转换。对转换后的数字信号进行FFT到频域上的频谱信号，得到的是复数结果可以进行处理得到幅值。自变量频率的处理是需要经过谐波频率计算公式的处理，N点的FFT实际上是在时域上将数字频率w（范围0~2π）分成了N份，而系统采样频率为fs，在模拟信号中这个数字信号频率对应了0~2π*fs的频率范围。在幅频特性曲线图中，对应每个点值属于模拟信号中的哪个频率就可以根据这个模拟信号和数字信号频率对应关系来进行判断，在N个点中第k个点的模拟频率公式为： （1.11）得到的幅频特性曲线是对称分布的，这是由于采样定理叙述中，输入信号的频谱是周期性延拓形成的。那么信号的频率在fs/2之外的部分在进行信号处理时容易发生频谱混叠的现象，一般会把信号按周期进行累加，最后只取fs/2频率以内的信号。那么根据采样定理，数字信号频谱以点数为自变量横轴肯定是关于N/2中心对称。在进入鸿蒙系统板上进行显示的过程，信号频率的检测可以直接通过FFT的结果进行分析，可以遍历到所以频率，但是对输入信号的电压值有一定的要求，迪文屏在进行动态曲线变量时需要对动态曲线设置曲线中