簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

靳濤

（哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江省哈爾濱市 150001）

本測(cè)試儀是以2019年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽D 題為原型，實(shí)現(xiàn)一套簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試儀，該系統(tǒng)應(yīng)具有信號(hào)發(fā)生模塊，信號(hào)檢測(cè)模塊，信號(hào)判斷處理模塊，示波器信號(hào)采集模塊，以及顯示模塊等。系統(tǒng)整體模塊圖如圖1 所示。技術(shù)難點(diǎn)在于輸入信號(hào)幅值較大時(shí)經(jīng)過(guò)放大器放大會(huì)變的更大，難以用ADC 采集和比較，輸入信號(hào)幅值較小則難以采集，輸出電壓不固定造成難以通過(guò)分壓的簡(jiǎn)單方式測(cè)量輸入輸出阻抗，此外顯示幅頻特性曲線對(duì)于小屏幕也難以操作。

1 方案比較與論證

1.1 整體設(shè)計(jì)方案選擇

1.1.1 單片機(jī)的選擇

方案一：采用STC89C51 單片機(jī)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行控制。51 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單容易入手，價(jià)格便宜。但是，51 單片機(jī)沒(méi)有顯示屏模塊和AD 轉(zhuǎn)化模塊，用于本作品的話，還需要額外增加這兩個(gè)模塊，而且用51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)這兩個(gè)模塊的控制難度大。

方案二：采用STM32F407 單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心。STM32單片機(jī)功能強(qiáng)大，附帶有顯示屏模塊和AD 轉(zhuǎn)化模塊，可直接通過(guò)程序進(jìn)行控制。

方案選擇：考慮到程序設(shè)計(jì)的難易程度和電路連接的復(fù)雜程度，采用方案二。

1.1.2 信號(hào)發(fā)生模塊的選擇

方案一：測(cè)量輸入阻抗，輸出阻抗，增益時(shí)通過(guò)STM32F407單片機(jī)的DAC 產(chǎn)生需要的信號(hào)，測(cè)量幅頻特性曲線時(shí)通過(guò)STM32單片機(jī)的PWM 掃頻實(shí)現(xiàn)，兩種波形的切換通過(guò)單片機(jī)的IO 口的不同電壓改變?nèi)龢O管的導(dǎo)通情況控制繼電器切換實(shí)現(xiàn)。

方案二：采用鎖相環(huán)間接頻率合成方案。鎖相環(huán)頻率合成在一定程度上解決了既要求頻率穩(wěn)定精確、又要求頻率在較大范圍可調(diào)的矛盾。但輸出頻率易受可變頻率范圍的影響，輸出頻率相對(duì)較窄。

方案三：選用單片壓控函數(shù)發(fā)生器 MAX038.若將MAX038 輸出設(shè)置在正弦波模式下，只需要很少的外部原件，就可以 輸出高頻特性較好、頻率范圍較寬的正弦波。但由于其為壓控型芯片，產(chǎn)生信號(hào) 的頻率穩(wěn)定性差、精度低、抗干擾能力不強(qiáng)、靈活性差。

圖1：系統(tǒng)整體模塊圖

圖2：系統(tǒng)整體框圖

方案選擇：三種方案均可進(jìn)行，但是方案一僅的關(guān)鍵是程序控制單片機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)于硬件電路要求較低，本著節(jié)省成本的原則，選擇方案一。

1.1.3 信號(hào)檢測(cè)模塊的選擇

方案一：使用以AD637 為核心的檢波電路，由AD637 構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、頻帶較寬等特點(diǎn),無(wú)論對(duì)失真波形還是非周期波形都可以高準(zhǔn)確度測(cè)量其有效值，先使用精密檢波模塊對(duì)電路波形的采集與檢測(cè)轉(zhuǎn)換為有效值，后期再經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換交由主控芯片處理。

方案二：直接通過(guò)STM32 單片機(jī)的ADC 采集，不需要過(guò)于復(fù)雜的電路，簡(jiǎn)單快捷。

方案選擇：?jiǎn)纹瑱C(jī)STM32 主控的ADC 采集具有采集速度快，配套程度高，外圍電路簡(jiǎn)便，程序編寫(xiě)簡(jiǎn)便，穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，故選擇方案二。

1.1.4 射極跟隨器模塊的選擇

方案一：ADA4522-2 為雙通道、零漂移、低噪聲、低功耗、具有接地檢測(cè)輸入和軌到軌輸出的運(yùn)算放大器，并針對(duì)隨時(shí)間、溫度和電壓條件變化的總精度進(jìn)行了優(yōu)化。這些器件具有寬工作電壓和溫度范圍、高開(kāi)環(huán)增益、極低直流和交流誤差，適合在各種應(yīng)用中放大極小的輸入信號(hào)并精確再現(xiàn)較大的信號(hào)。

方案二：OPA695 是一種高帶寬、電流反饋運(yùn)算放大器，它結(jié)合了異常的4300 V/s 旋轉(zhuǎn)速率和低輸入電壓噪聲來(lái)提供精確、低成本、高動(dòng)態(tài)范圍的中頻放大器。優(yōu)化的高增益操作，OPA695 是理想的緩沖聲表面波(SAW)濾波器在中頻帶，或提供高的輸出功率在低失真的電纜調(diào)制解調(diào)器上行線路驅(qū)動(dòng)器。

表1：檢測(cè)功能故障分析表

方案選擇：綜上所述，為了連接兩個(gè)電路，起到隔離作用，需要輸入阻抗高，輸出阻抗低，因而從信號(hào)源索取的電流小而且?guī)ж?fù)載能力強(qiáng)的電路，我們運(yùn)用了OPA695 運(yùn)算放大器，做射極跟隨器，減少電路間直接相連所帶來(lái)的影響，起緩沖作用，以便測(cè)量，選擇方案二。

1.2 系統(tǒng)整體方案的選擇

方案一：由MCU 控制DDS 發(fā)出信號(hào)，由檢波電路檢測(cè)，模數(shù)轉(zhuǎn)換后交由MCU 處理，三極管放大電路配以模擬開(kāi)關(guān)，通過(guò)VCA821，加以固定運(yùn)放檢波，模數(shù)轉(zhuǎn)換后即可測(cè)得。

方案二：由STM32F407 擔(dān)任電路主控，加以PWM/ADC 切換模塊，射隨模塊，與電源連接的三極管放大電路，再經(jīng)射隨模塊，輸出電壓模塊反饋，最后在OLED 屏幕上加以顯示，整體電路主要通過(guò)程序控制硬件電路完成各項(xiàng)指標(biāo)任務(wù)。

方案選擇：方案一中的硬件電路搭建起來(lái)較為復(fù)雜，成本較高，仿真雖然容易實(shí)現(xiàn)，但是各級(jí)配合需要考慮到阻抗匹配等因素，不確定性較大，本著省時(shí)省力低成本的原則，采用方案二。

1.3 系統(tǒng)整體框圖

如圖2 所示。

2 理論分析與計(jì)算

由模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)理論分析，并在Multisim 上仿真得出輸入電阻，輸出電阻，增益，幅頻特性曲線，具體分析如下：

2.1 輸入、輸出電阻

2.2 放大器的增益

圖3：軟件設(shè)計(jì)流程圖

β 范圍144-202，Au 范圍95-134 計(jì)算放大倍數(shù)，輸入信號(hào)Ui=20mVpp，輸出信號(hào)Uo=2.44Vpp。Au=Uo/Ui=122，模擬結(jié)果在理論計(jì)算的范圍內(nèi)。

2.3 檢測(cè)故障功能實(shí)現(xiàn)

首先分析電路各元件狀態(tài)改變時(shí)電路參數(shù)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的變化：

由表1 可知，在電路中電阻，電容狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，電路中特定的物理參數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，而這些變化是唯一的、互不相同的，基于此種現(xiàn)象，我們可以加以利用作為判斷的依據(jù)，因此我們?cè)诔绦蛑惺褂昧舜罅康腎F 條件函數(shù)，對(duì)于電路中發(fā)生的變化進(jìn)行檢測(cè)并設(shè)定相應(yīng)的閾值，設(shè)定數(shù)據(jù)相對(duì)于閾值的變化也相應(yīng)地進(jìn)行判斷，并且根據(jù)判斷的結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的字符顯示到OLED 屏幕上直觀的反映出來(lái)。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 PWM/ADC切換模塊

通過(guò)單片機(jī)的一個(gè)io 口控制三極管9013 的通路情況操作繼電器控制PWM 和DAC 的輸出切換。

3.2 射隨模塊（100：10縮小）

射極跟隨器將交流電流放大，提高整個(gè)放大電路的帶負(fù)載能力，減少電路間直接相連所帶來(lái)的影響，起緩沖作用。此外，為縮小輸入信號(hào)的幅值采用分壓的方式減小輸入信號(hào)幅值。

3.3 待測(cè)三極管放大電路

3.4 輸出阻抗測(cè)量模塊

通過(guò)單片機(jī)的一個(gè)io 口控制三極管9013 的通路情況實(shí)現(xiàn)2k電阻是否連入電路中，從而利用分壓的方式測(cè)量輸出電阻。

3.5 射隨模塊（100：33）

射極跟隨器將交流電流放大，提高整個(gè)放大電路的帶負(fù)載能力，減少電路間直接相連所帶來(lái)的影響，起緩沖作用。此外，為測(cè)量輸出電壓采用分壓的方式減小電壓。

3.6 輸出電壓測(cè)量模塊

利用二極管峰值檢測(cè)測(cè)量峰峰值，利用濾波器測(cè)量平均值，從而計(jì)算出輸出電壓。

3.7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

如圖3。

3.8 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路

（1）通過(guò)STM32F407 開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)被測(cè)電路的輸入輸出以及增益和頻率特性的測(cè)量。

1.按鍵實(shí)現(xiàn)輸入輸出阻抗和增益，掃頻功能，清零復(fù)位功能。

2.顯示部分，通過(guò)液晶顯示屏顯示出測(cè)量值以及頻率特性曲線。

（2）程序設(shè)計(jì)思路。輸入輸出阻抗部分通過(guò)電路測(cè)量被測(cè)電路的電壓電流最終在液晶屏上顯示出測(cè)量值，頻率特性曲線通過(guò)掃頻來(lái)確定。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試儀器及測(cè)試方法

4.1.1 測(cè)試儀器

電源、示波器、信號(hào)發(fā)生器。

4.1.2 測(cè)試方法

（1）輸入、輸出電阻測(cè)量。測(cè)試方法：用示波器測(cè)量出放大器電路輸入和輸出端對(duì)地的電壓值，再測(cè)出輸入輸出端串聯(lián)電阻兩端的電壓，通過(guò)歐姆定律計(jì)算出輸入和輸出端的電流值。再通過(guò)歐姆定律求得輸入、輸出電阻。

（2）放大器增益測(cè)量。測(cè)試方法：將放大器模塊單獨(dú)拿出，輸入端接信號(hào)發(fā)生器，輸出端接示波器。令信號(hào)源發(fā)出頻率為1kНz、幅度范圍為0-130kНz 的正弦波。觀察示波器信號(hào)放大后幅值大小。放大器增益Au=Uo/Ui。

（3）幅頻特性曲線測(cè)試。測(cè)試方法：放大器輸入端接信號(hào)發(fā)生器，輸出端接示波器。手動(dòng)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)的輸出頻率，使其從大到小變化。觀察示波器上信號(hào)幅值的變化，記錄一組數(shù)據(jù)（幅頻特性），畫(huà)出幅頻特性曲線。

4.2 誤差分析

在測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有許多處地方存在誤差。主要有：

（1）在電路連接過(guò)程中，電路顯示不穩(wěn)定，存在著波形失真、不穩(wěn)定等情況，測(cè)試存在著誤差。

（2）單片機(jī)讀取數(shù)值本身存在著誤差，需要對(duì)單片機(jī)的數(shù)值進(jìn)行校準(zhǔn)，單片機(jī)測(cè)試次數(shù)過(guò)少也會(huì)使得測(cè)量存在不穩(wěn)定性。

（3）連接電路方式多性，測(cè)試存在很強(qiáng)的不穩(wěn)定性，各處不同的連接可能會(huì)引起短路、斷路等問(wèn)題，使測(cè)量出現(xiàn)錯(cuò)誤。

（4）模塊在剛開(kāi)始搭建過(guò)程中，未加高低通濾波器，使得測(cè)量值存在各種諧波分量，測(cè)試結(jié)果存在很大誤差。

（5）DDS 在產(chǎn)生信號(hào)過(guò)程中，并非一直穩(wěn)定，產(chǎn)生不穩(wěn)定的信號(hào)將使得后期測(cè)量的結(jié)果不穩(wěn)定。

（6）不同的示波器存在著不同的內(nèi)阻，且老式示波器無(wú)法調(diào)節(jié)阻抗，部分時(shí)候會(huì)使得測(cè)量得到的信號(hào)不能得到完整的測(cè)量。

5 結(jié)論

通過(guò)合理設(shè)置電路參數(shù)，作品可以較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入，輸出量的采集，并且可以通過(guò)變頻等方式檢測(cè)電路參數(shù)變化情況，解決題目要求首先需要對(duì)三級(jí)管電路的原理進(jìn)行精確分析，構(gòu)建其參數(shù)方程，通過(guò)采樣數(shù)據(jù)求得未知量，還需要充分考慮AD 采樣的范圍需求，對(duì)信號(hào)中的交直流量進(jìn)行合理調(diào)整，還要注意對(duì)正弦信號(hào)的采樣位置，盡量避免幅值采樣中負(fù)電平對(duì)采樣數(shù)據(jù)的干擾。