放大器非线性失真研究装置设计(含仿真,PCB,源码)

前言：老师太严格了，很不幸只拿了七十多分，但我却付出了巨大的时间去研究这破玩意儿，（还好有大佬相助不然真的会挂）学校年年都做这个课设，题目都nnd不变一下，因此分享供借鉴。看到有同学被网上代做坑了好几百没有用，有的老师一眼看出不是自己做的，尬的一批，真不如学长学姐靠谱！

设计过程中学习参考视频：B站唐老师讲电赛 （放大电路部分的仿真基本是照着该老师画的，个人另加了单片机按键控制部分）

一.题目

一、任务：设计并制作一个晶体管放大器非线性失真研究装置。
二、要求
外接信号源输出频率10kHz、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失真波形uo，且uo的峰峰值不低于2V，电源电压 ≤ 6v。
1、放大器能够输出无明显失真、“顶部失真”、“底部失真”、“双向失真”、“交越失真”的正弦波。
2、采用单个按键控制轮流输出以上五种波形并有相应的指示。
3、信号源输出频率50kHz、峰峰值2mV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波形uo，uo的峰峰值不低于2V。
4、按格式要求撰写设计报告。设计报告主要内容：
1)方案论证：系统组成，比较与选择，方案描述。
2)电路设计：系统各部分电路原理图、原理分析，应结合电路设计方案阐述出现各种失真的原因,电路相关参数设计。
3)程序设计：若采用单片机控制，提供系统软件与流程图。
4)电路仿真：仿真电路图及仿真测试结果。
5)测试结果：完整测试结果列表，对测试结果分析。
三、说明
1、每位同学独立完成设计制作任务，独立进行结果测试。不得抄袭！
2、PCB上必须印有学号，清晰可辩，不得手写或进行任何方式的涂改！
PCB可以委托外加工。
3、设计报告摘要、正文结构规范，图表完整、准确，不得手写。测试之前必须提交合乎规范的报告，否则不得参加测试。
4、任务时间安排：2022年11月30日提交电子版设计报告，电路测试的时间、地点另行通知。测试时提交纸质版设计报告，报告中最后一页为实际时记录测试结果表格。
5、报告格式要求另附。
对于有一些同学询问的电子电路设计中，要求3的设置没有问题，要求3只需要输出无明显失真的波形，前两个要求必须完成，第三要求为提升部分，如果还有问题可以线下找张育钊老师询问。

二.两种仿真方案

1.方案一：不用单片机的方法

在方案一中共采用了五个三极管设计放大电路，每个分别对应一种波形，为了使用计数器轮流显示五种波形，加入了三个模拟开关来切换接入电路的电阻。最终完成的仿真虽能够完成所有的要求，但工作量较为庞大，考虑到之后制作的PCB工作量，大小及成本，因此完成了该方案的仿真后便舍弃了该方案，这里仅作简单介绍，之后的论证以及电路的分析均以方案二为准。

以下仿真用的紫色Multism仿真软件绘制仿真

（逼格看起来很高，但是做实物怕三极管太多容易出问题，仿真能完美实现要求，硬件大佬可试）

思路解释

1、通道选择可以用模拟开关或者机械开关。继电器是功率器件，很可能会对模拟电路产生干扰
2、图中AD采集有两种方案，第一，使用采集范围为0_{5V的AD芯片，由单片机控制；第二，先将0}5V的信号进行衰减至0~3.3V之内，然后由STM32内部自带的ADC采集；交越失真信号很特别，信号存在负值，注意一下。采样频率自己结合采样点考虑。
3、三极管使用NPN的S8050/S9013等等均可，交越失真的PNP随便用一个就行，如S9012/S8550等等均可

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仿真中的S1开关拨到上方，R11适当，三极管Q2的集电极输出不失真正弦波
仿真中的S1开关拨到上方，R11变小，三极管Q2的集电极输出逐渐出现顶部失真
仿真中的S1开关拨到上方，R11变大，三极管Q2的集电极输出逐渐出现底部失真
确定好三个阻值对应三种失真，然后可用模拟开关来修改R11的阻值

当想要双向失真时，R11电阻切换到不失真时的阻值，仿真中的S1开关拨到下方，三极管Q3集电极输出双向失真正弦波
当想要交越失真时，R11电阻切换到不失真时的阻值，仿真中的S1开关拨到上方，R13输出交越失真正弦波

结合我给的结构框图看，很容易看的懂！！！

方案一仿真结构框图

2.方案2：使用单片机的方法

思路超简单，采用单片机和CD4066，51单片机直接GPIO控制CD4066模拟开关切换，方便切换波形。

1.放大电路原理图-使用立创EDA绘制

2.控制电路原理图-使用立创EDA绘制

3.整体仿真-使用proteus(带51单片机电路的仿真必用)

3.仿真结果

仿真非常容易，完美符合要求。

1.无失真波形

2.顶部失真

3.底部失真

4.双向失真

5.交越失真电路

4.仿真源文件

注意：相同的电路图在不同的仿真软件上仿真的结果是不同的，需要细微调参完成效果
方案一：不使用单片机的multisim仿真源文件

方案二：使用51单片机仿真proteus仿真文件

学长学姐的代代相传仿真

仿真的调参方式

使顶部失真更明显（截止失真）：将截止失真部分的电阻改小

使双向失真更明显（饱和截止失真）：将并联的电阻减小

使底部失真更明显（饱和失真）：将并联的电阻减小

三.立创PCB及原理图设计

焊接不出错的话，调调电阻基本能完成(吧)

立创原理图设计

立创EDA原理图源文件

• 放大电路部分
  
• 51单片机控制电路部分
  加LED是为了分辨切换哪个波形
  

立创PCB设计

连连线就搞定的事儿~ 画在10*10以内就不要钱
仅供布局参考，不保证实物效果
立创PCB源文件

四.51单片机的仿真程序

源程序真的很简单，注意使用的引脚没有定义错就行

#include "reg52.h"      //必用头文件
typedef unsigned int u16;        
typedef unsigned char u8;

sbit bo1 = P2^0;         
sbit bo2 = P2^1;         
sbit bo3 = P2^2;         
sbit bo4 = P2^3;         

sbit led0 = P1^0;         
sbit led1 = P1^1;         
sbit led2 = P1^2;         
sbit led3 = P1^3;         
sbit led4 = P1^4;

sbit key = P3^2;  //位定义按键

void delay(u16 t)
{
	while(t--);
}
																	 
unsigned char flag = 0;
void main(void){


	 P2 = 0x00;		   //P1全赋0
	 bo4 = 1;
	while(1){
		if(key == 0)   //按键消抖
		{
			delay(1000);
			if(key == 0)
			{
				flag++;
				switch(flag%5)   //判断切换的是第几个波形
				{
					case 1:	bo1=1;bo2=0;bo3=0;bo4=1;led0=0;led1=1;led2=0;led3=0;led4=0;break;	//P1.0
					case 2:	bo1=0;bo2=1;bo3=0;bo4=1;led0=0;led1=0;led2=1;led3=0;led4=0;break;   //P1.1
					case 3:	bo1=0;bo2=0;bo3=1;bo4=1;led0=0;led1=0;led2=0;led3=1;led4=0;break;   //P1.2
					case 4:	bo1=0;bo2=0;bo3=0;bo4=0;led0=0;led1=0;led2=0;led3=0;led4=1;break;	//P1.3
					default:bo1=0;bo2=0;bo3=0;bo4=1;led0=1;led1=0;led2=0;led3=0;led4=0;break;	  //回到无失真波形
				}
			}while(key == 0);
		}
		
	}
	}

五.实物图与实物测试结果

1.制作的实物图

2.实物测试结果

• 无失真放大电路（满分）
  
• 底部失真放大电路（一半分，波形不标准，有些失真）
  
• 双向失真放大电路（一半分，波形有些失真）
  
• 交越失真放大电路（有点不明显，电阻需要调整，一半分）
  
• 顶部失真放大电路（一半分，波形不标准）
  
  评分很严格，除了无失真波形其他只有一半分，总分70+

六.课设报告

报告就随便写写啦，老师也不咋看，主要还是看实物
个人课设报告

七.做实物时遇到的坑

• 学校的示波器很 l j
• 不同的示波器显示的波形有差别，显示波形所需要的参数不同，一定要提前电阻调参
• 测试时手指别碰到PCB的电路上
• PCB绘制时记得铺铜！

实物测试总结及遇到的坑

• 务必学会在仿真上调参后再进行实物的制作
• 放大电路和控制电路最好分开测试，即控制电路与放大电路完全独立互不影响，在拿到板子后先进行控制电路的焊接与测试，非常简单能点灯就行，这样在后续出问题时能排除单片机的问题。如果两个电路系统不独立在调试时就是地狱难度级别（；´д｀）ゞ
• 先进行无失真波形的测试，其余接在CD4066上的电路电阻先断开不焊接，至少能保证及格，也能让其他波形出来。
• 最好使用直插电阻，方便修改电阻的值，能用可变电阻更好。
• 焊接时先用大电阻，改小电阻比较方便，直接将直插电阻手动连接在大电阻两边并联即可，慢慢调小电阻使波形更加明显。

实验老师的评分标准

• 波形不标准得一半分
• 波形不明显得一半分
• 未出波形不得分
• 波形有明显失真得一半分
• 峰峰值未按标准来所有波形只有一半分或不得分
• 只认老师面前示波器的测试结果，不看录屏或者其他示波器的测试结果
• 可以二次测试，以最好的结果计分
• 只要出一种波形，就能通过！，易通过但高分难