一種基于STM32的簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試儀

張以凝 馬馨童

摘要：隨著電子行業(yè)的不斷發(fā)展，電子元器件的使用規(guī)模以及元器件損壞的數(shù)量也日益增長(zhǎng)，本次設(shè)計(jì)意在設(shè)計(jì)一個(gè)電路特性測(cè)試儀。可以根據(jù)用戶所寫(xiě)程序，通過(guò)輸出信號(hào)的變化，判斷元器件是否損壞以及分析故障原因。本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為核心，輔助以FPGA等實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜分析。系統(tǒng)主要由：本機(jī)振蕩器模塊，混頻器模塊，信號(hào)采集模塊，頻譜顯示模塊，輔助電源模塊等模塊組成。

關(guān)鍵詞：STM32;FPGA;混頻;數(shù)字波形合成;信號(hào)采集

簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試儀

本系統(tǒng)主要由振蕩器模塊，混頻模塊，信號(hào)采集模塊，頻譜顯示模塊，輸入端電路模塊，輸出端電路模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。

采用stm32單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生高頻的方波信號(hào)和低頻的正弦波信號(hào)。信號(hào)產(chǎn)生簡(jiǎn)單，噪聲干擾小，適合于本系統(tǒng)。

采用AD835乘法器專用芯片。將本振信號(hào)和輸入信號(hào)相乘得到二者頻率的和差信號(hào)，達(dá)到混頻的效果。AD835對(duì)小信號(hào)的乘法精度較高，不易產(chǎn)生新的頻率分量，混頻帶寬大，噪聲系數(shù)低，傳輸函數(shù)簡(jiǎn)單，外圍元件少。

采用AM非相干檢波電路。檢波器由二極管和RC電路組成，二極管兩端的電壓高低變化，可對(duì)電容充放電。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，選取適當(dāng)?shù)腃，R即可構(gòu)成需要的檢波電路。

頻幅特性曲線與故障原因由OLED模塊顯示，由四路AD采集電路采集輸入輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算，可以顯示出輸入輸出電阻阻值、放大器電路增益和頻率上限，并繪制出頻幅特性曲線。并可判斷出故障情況以及故障原因。

本題的放大器電路是以三極管VTI9013為放大器的共射極放大電路。

2.1.1 基本參數(shù)測(cè)量

（1）輸入電阻測(cè)量

測(cè)量輸入電阻時(shí)，放大器內(nèi)部電路可以等效于在輸入端接一個(gè)輸入電阻Rin到地，因此在放大器電路的輸入端串聯(lián)一個(gè)10K左右的電阻Rs，向Rs輸入一個(gè)低頻正弦小信號(hào)，采集輸入端的電壓信號(hào)，根據(jù)串聯(lián)電路上電流相等的原理，可以算出輸入電阻Rin。

（2）輸出電阻測(cè)量

放大器電路可以等效于一個(gè)放大后的交流源加一個(gè)電阻連接輸出端，因此測(cè)量輸出電阻時(shí)，在輸出端串聯(lián)一個(gè)2K左右的電阻并接地，利用二極管和RC電路，采集輸出端口的交流電壓信號(hào)的均值和峰值，從而算出輸出電阻阻值。

（3）增益測(cè)量

采集得到輸入電壓信號(hào)、輸出電壓均值和峰值，把輸出電壓峰值與均值，再將得數(shù)倍增，得到輸出電壓峰峰值，再與輸入電壓的峰峰值相除，即可得到電路增益Q。

（4）幅頻特性的測(cè)量與顯示

在測(cè)輸出側(cè)的幅頻特性曲線時(shí)，需要測(cè)輸出的頻率上限值，測(cè)輸出電壓的頻率響應(yīng)幅度響應(yīng)下降3dB時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，測(cè)量頻率從1kHz增大，控制正弦波和方波作為輸入信號(hào)，不斷采集電路增益，并連續(xù)顯示并繪制，即可得到幅頻特性曲線。

2.1.2 故障測(cè)量

（1）電阻故障分析

若將R1開(kāi)路，則三極管發(fā)射級(jí)兩端的開(kāi)啟電壓將全部由輸入信號(hào)提供，難以開(kāi)啟三極管，所以輸出電壓波形失真，且集電極電流很小。若將R1短路，則無(wú)法使集電極反偏，三極管無(wú)法正常工作在放大狀態(tài)，使輸出為0。

若將R2開(kāi)路，則三極管的基極點(diǎn)位降低，使得輸出電壓波形出現(xiàn)底部失真，輸出交流電流放大。若將R2短路，則輸入信號(hào)直接去地，輸出端交流信號(hào)為0。

若將R3開(kāi)路，則三極管的集電極正偏，三極管起到開(kāi)關(guān)作用，電路增益減小，輸出信號(hào)減小。若將R3短路，則信號(hào)采集模塊與VCC直接相連，輸出直流電壓為12V，在動(dòng)態(tài)分析中，輸出交流電壓為0，但三極管仍處于放大狀態(tài)，所以輸出電流正常放大。

若將R4開(kāi)路，則直流電流難以通過(guò)發(fā)射極流向地，三極管的發(fā)射極未導(dǎo)通，輸出交流電壓很小且波形失真，輸出交流電流也很小。若將R4短路，R2上分得的電壓全部加在三極管的發(fā)射極兩端，則共射放大電路的帶負(fù)載能力減弱，輸出交流電壓出現(xiàn)底部失真;因?yàn)镽4被短路，所以發(fā)射級(jí)電流很小，信號(hào)不能正常放大。

（2）電容開(kāi)路故障分析

若將C1開(kāi)路，則放大器電路輸入端無(wú)信號(hào)輸入，因此輸出信號(hào)為0。

若將C2開(kāi)路，則三極管的發(fā)射級(jí)電阻缺少旁路電容，放大后的交流電流會(huì)通過(guò)射極電阻到地，使得放大后的交流電流減小，使得放大倍數(shù)減小。

若將C3開(kāi)路，則放大器電路的輸出端缺少去耦電容，使得輸出端放大倍數(shù)降低，也使輸出信號(hào)中噪聲分量增大，放大器電路的輸出信噪比降低。

（3）電容倍增故障分析

若將電容C1的容量增大兩倍，則濾除低頻信號(hào)中高頻噪聲分量的能力降低，輸入噪聲增大，經(jīng)過(guò)放大電路后輸出噪聲干擾增大，使放大器電路的輸入輸出信噪比降低。

若將電容C2的容量增大兩倍，則電路放大倍數(shù)增加，但當(dāng)輸入信號(hào)頻率較大時(shí)，旁路電容C2對(duì)高頻信號(hào)的感抗增加，因而影響到高頻濾波效果。

若將電容C3的容量增大兩倍，則當(dāng)輸入信號(hào)頻率較大時(shí)，去耦電容C3對(duì)放大器輸出的高頻信號(hào)的濾波影響增大，使得輸出信號(hào)的幅值減小。

2.2.1 根據(jù)串聯(lián)電路電流相等的原理，可得輸入電阻 ：

2.2.2 在低頻信號(hào)輸入條件下，輸出電阻Ro可得：

2.2.3 在低頻信號(hào)輸入條件下，輸入電壓峰峰值為Ui-p，輸出交流電壓最大值為Uo-max，輸出直流電壓為Uo-av，電路增益Q的計(jì)算：

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要包括輔助電源模塊、放大器電路模塊、stm32單片機(jī)，輸入端電路模塊、輸出端電路模塊和顯示模塊六個(gè)部分。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)放大器電路中電阻電容的工作狀況，以及顯示出電路的頻譜特性。

系統(tǒng)總電路圖如下：

主程序首先進(jìn)行各項(xiàng)功能的初始化，包括STM32系統(tǒng)時(shí)鐘配置、ADC及DMA配置、定時(shí)器（PWM控制器、PID調(diào)節(jié)器中斷）初始化等。通過(guò)按鍵控制繼電器，切換輸入信號(hào)，再對(duì)輸入端和輸出端共四路的AD信號(hào)采集并運(yùn)算，并從OLED屏幕中顯示，從而可直觀的得到需要的誤差分析的數(shù)據(jù)與誤差原因判斷的結(jié)果。

測(cè)試方案

在放大器電路輸入端，給若干合適的信號(hào)，觀測(cè)輸出端的電壓電流波形與參數(shù)。

輸入端電路模塊測(cè)試：先在測(cè)試電路輸入端連接降壓電路和繼電器模塊，輸入合適的信號(hào)，測(cè)試?yán)^電器模塊功能，觀測(cè)降壓輸出信號(hào)，以及放大器電路輸出信號(hào)是否正常。再接上繼電器的控制電路和兩路輸入信號(hào)電路，測(cè)試不同放大器電路輸出是否正常。

輸出端電路模塊測(cè)試：先在放大器的輸出端接上測(cè)試電阻以及降壓電路，觀測(cè)降壓輸出是否正常。再接上電壓峰值和電壓均值采集電路，觀察采集波形數(shù)據(jù)是否正常。

參考文獻(xiàn)：

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