基于STM32的電路特性檢測儀

摘 要：本文介紹了一種基于STM32F407核心板的電路特性檢測儀，主要針對以BJT、FET和運放為核心的簡單電路。設(shè)計以DDS信號發(fā)生器作為信號源，可產(chǎn)生1kH的正弦波信號;以電壓跟隨、差分放大電路以及峰值檢測電路組成輸入檢測電路，以電壓跟隨、峰值檢測電路、RC低通濾波、運放輸出、開關(guān)電路組成輸出測試電路;以STM32F407作為系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理的核心，并控制信號發(fā)生器產(chǎn)生源信號，同時對測試電路產(chǎn)生的電路特性進行檢測和處理得到被檢測電路特性數(shù)據(jù)值。此檢測儀可較精準地檢測出電路的各項數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：STM32F407單片機;DDS信號發(fā)生器;自制PCB檢測電路;電阻分壓法

在電路設(shè)計過程中，電路檢測儀是必不可少的，它不僅可以測量電路的各項參數(shù)，還可以檢測電路的故障。但其中適用于學(xué)生的、低成本的，且是針對BJT、FET和運放的電路特性測試儀還是比較少的。本設(shè)計則在滿足上述條件的同時，又保證了低成本——選用NE5532、LMD358和AD620等低成本芯片，還通過優(yōu)化電路使得測量的結(jié)果達到較高的精度，且同時兼?zhèn)洳僮鞣奖?、檢測結(jié)果直觀明了的優(yōu)點。

一、檢測儀的硬件組成及原理

檢測儀主要由控制部分和外圍電路兩部分組成?？刂撇糠值暮诵氖荢TM32F407控制板，外圍電路由DDS函數(shù)信號發(fā)生器、輸入檢測電路、輸出檢測電路和輸出顯示屏組成。外圍電路的主要功能是得到輸入、輸出電阻和增益的數(shù)據(jù)信息并傳給控制中心，控制部分的主要功能是收集和處理信息得到具體數(shù)據(jù)值，分析被測電路的變化和故障，最后將數(shù)據(jù)和分析結(jié)果顯示在LCD屏上。

（一）硬件電路的第一部分為輸入測試電路。輸入測試電路由一個可變電阻Rg和測量電路并聯(lián)組成。采用電阻分壓法，將測試電路與待測電路串聯(lián)后，測試電路可得Rg兩端電壓，通過AD620進行差分放大，增益為G=49.4/KΩ/Rg+1，再將放大后的信號通過峰值檢測電路轉(zhuǎn)換成直流輸出，可得到所需電壓Vg。令輸入為Vs，被測電路實際輸入為Vi，測量電路分壓為Vg，輸入電阻具體計算公式如下：Ri = Rg（Vs/Vg - 1）。

（二）硬件電路的第二部分為輸出測試電路。輸出測試電路由直流測量和交流測量兩大回路組成。直流測量端可得到無負載下的輸出電壓，先通過電壓跟隨器保證輸入電壓和輸出電壓是相同的，再經(jīng)過4級RC無源濾波濾除，有效濾除交流分量，最后經(jīng)過5倍的衰減得到Vdc，Vdc=Vpp/5（Vpp是待測電路的輸出電壓直流分量）。交流測量端可得到有負載下的輸出電壓，先經(jīng)過電壓跟隨器，再通過交直流轉(zhuǎn)換電路得到Vac，Vac=Vpp/2。根據(jù)電路原理相關(guān)公式可求得兩種情況下的Re，由輸出電阻和負載是并聯(lián)的可求得Ro，由已知條件也可求得電壓增益Vo。

二、硬件設(shè)計的的元件選擇

信號源選擇以AD9854為核心的DDS信號發(fā)生器，精度高、功耗低，可產(chǎn)生1kHz的正弦波和方波。輸入、輸出測試電路中，采用NE5532和LM358D作為電壓跟隨器的核心，使用以AD620為核心的差分放大電路G=49.4/KΩ/Rg+1和LM358D的放大電路進行信號的放大，使用無源濾波濾除交流分量，成本低且簡單。選用的各類元件成本低且使用方便。

三、軟件設(shè)計

本測試儀的程序設(shè)計是結(jié)合實際測試電路來配置程序的底層，各個模塊間的數(shù)據(jù)是相互調(diào)用的，具體流程為——STM32通過多次逼進采集正弦信號峰峰值，計算平均值獲得所需電壓值，再經(jīng)過相關(guān)計算獲得輸入阻抗、輸出阻抗和放大倍數(shù)，之后通過產(chǎn)生正弦掃頻信號，獲取不同頻率下的放大倍率，由此確定放大電路的上限截止頻率并繪制幅頻特性曲線，最后將數(shù)據(jù)結(jié)果傳給LCD程序進行顯示。

四、測試與結(jié)果分析

（一）利用自制的簡易電路特性測試儀對BJT、FET和運放放大電路參數(shù)進行測試并檢驗對故障狀態(tài)的監(jiān)測效果，本文將展示對單管BJT放大電路的測試結(jié)果，另兩類電路的測試步驟結(jié)果與此相似，不再進行說明。測試所使用到的儀器有——GPD-33030型號的穩(wěn)壓電源、DS1102CA型號的示波器、DG1022U型號的函數(shù)信號發(fā)生器和VC890D型號的萬用表。

（二）測試的說明如下：測試的輸入信號為1kHz，輸入阻抗理論值為2000Ω，輸出阻抗理論值為2000Ω，理論增益值為160dB，該信號的理論上限頻率為161kHz。表1的測試結(jié)果可說明——本設(shè)計可有效測出輸入、輸出阻抗、電路增益。雖然電子元器件、人為測試造成了一定的誤差，但此誤差在可接受范圍內(nèi)。

五、結(jié)論

本測試儀以STM32F407嵌入式處理器為核心，搭配自制的電壓跟隨器、放大電路和峰值檢測電路，實現(xiàn)了對輸入、輸出電阻、增益和截止頻率的測量和對故障的分析檢測，可采用LCD屏幕顯示，使結(jié)果更直觀。經(jīng)測試本儀器達到了工作穩(wěn)定、測試準確、精度較高、操作簡單的設(shè)計目標，適用于低成本情況下對簡單電路的檢測。

參考文獻

[1]婁建安，馮衛(wèi)，譚玉生. 數(shù)字頻率特性測試儀在教學(xué)中的典型應(yīng)用[J]. 華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2006.

[2]李裕. 基于零中頻正交解調(diào)頻率特性測試儀的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 武漢：華中師范大學(xué)，2015.

[3]童詩白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].5版. 北京：高等教育出版社，2015.

[4]陳松，榮軍.一種簡易數(shù)字控制頻率特性測試儀的設(shè)計[J].電子器件，2015，38（4）：868-875.

作者簡介：

游依婷（1999—），女，漢族，四川成都人，學(xué)生，單位：西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院電子信息工程專業(yè)，研究方向：嵌入式控制和信號處理。