魏慕霖，袁良祺，劉一萱，李灃，陳子寒

（1.北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程系，北京100192；2.美國奧克蘭大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程系，密歇根48309）

0 引言

根據(jù)2019年全國大學(xué)生電子競賽本科組D題任務(wù)要求，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡易電路特性測試儀測量特定放大器電路的特性，進(jìn)而判斷該放大器由于元器件變化而引起故障或變化的原因。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于STM32F407單片機(jī)的電路特性測試儀，可以輸出1kHz正弦波信號以及高頻PWM信號；自動測量并顯示輸入、輸出電阻以及放大器的幅頻特性曲線；能判斷放大器電路元器件變化而引起故障或變化的原因。

本設(shè)計(jì)選用的是ST公司開發(fā)的STM32F407作為主處理器，STM32F407是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位閃存微控制器[1]，采用STM32F407作為簡易電路特性測試儀的數(shù)據(jù)采集以及處理系統(tǒng)大大簡化了電路提高了電路處理性能。

本文列舉了在比賽過程中系統(tǒng)方案的選型以及確定，輸入、輸出電阻、增益曲線和故障原因的理論原型及計(jì)算方法，實(shí)際制作出實(shí)物并經(jīng)過測試證明此系統(tǒng)擁有良好的特性最終完成比賽。

圖1 特定放大器電路與電路特性測試儀連接圖

1 簡易電路特性測試儀系統(tǒng)方案

簡易電路測試儀由輸出電路以及輸入電路構(gòu)成，輸出電路產(chǎn)生1kHz正弦波信號輸入放大器電路，單片機(jī)采集兩路信號ADC1與ADC2。由于部分題目部分要求高頻信號所以使用單片機(jī)I/O口控制9013三極管控制繼電器替換PWM波以及正弦波。

簡易電路測試儀輸入電路得到經(jīng)過放大器的信號，通過單片機(jī)I/O口控制9013三極管導(dǎo)通或斷開負(fù)載電阻，再經(jīng)過分壓電路減小電壓。減小后的電壓一路通過二極管和電容獲得峰值；另一路通過電阻和電容獲得平均值，單片機(jī)分別采集兩路信號ADC3和ADC4。則可獲得有負(fù)載電阻時(shí)電壓峰峰值以及無負(fù)載電阻時(shí)電壓峰峰值，簡易電路測試儀系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 簡易電路測試儀總體系統(tǒng)框圖

1.1 電壓采集處理模塊的選擇

根據(jù)題目要求需要對輸入、輸出電阻、增益和頻幅特性曲線進(jìn)行測量，可以將題目要求轉(zhuǎn)換為對已知阻值電阻上的電壓進(jìn)行測量再經(jīng)過計(jì)算得出要求內(nèi)容。

方案一：使用高電壓的運(yùn)放制作電壓跟隨器。使用高電壓的電壓跟隨器可以將電流放大，且輸入電阻高，輸出電阻低，可以提高整個(gè)放大電路的帶負(fù)載能力，電壓放大倍數(shù)小于1而接近于1，且輸出電壓與輸入電壓相位相同具有跟隨、隔離的特性。由于測量電路中有電阻的話可能會影響輸出電阻的測量。

方案二：選擇遠(yuǎn)大于輸出電阻的電阻進(jìn)行分壓。采用遠(yuǎn)大于輸入電阻的電阻進(jìn)行分壓，通常為十倍以上分壓作用越明顯。再使用一個(gè)運(yùn)放制作負(fù)反饋電路的電壓跟隨器再接入單片機(jī)的ADC。

考慮到芯片供電以及電路搭接原因，本設(shè)計(jì)選用方案一。

1.2 產(chǎn)生1kHz正弦波模塊的選擇

根據(jù)題目要求需要輸出1kHz正弦波信號，即電路特性測試儀輸出端口電路組成為1kHz正弦波信號發(fā)生電路，其方案選擇與討論如下：

方案一：采用集成函數(shù)發(fā)生器。利用函數(shù)發(fā)生器（ICL8038）產(chǎn)生1kHz的正弦波。ICL8038能輸出方波、三角波、正弦波和鋸齒波四種不同的波形。它是電壓控制頻率的集成芯片，失真度很低。可輸入不同的外部電壓來實(shí)現(xiàn)不同的頻率輸出。

方案二：采用單片機(jī)控制合成。利用STM32單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生1kHz正弦波信號。這種方案硬件電路較為簡單，且所用器件少，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生波形相對容易，在所需頻率段基本能實(shí)現(xiàn)要求的功能。

方案三：DDS是一種純數(shù)字化方法。它先將所需正弦波一個(gè)周期的離散樣點(diǎn)的幅值數(shù)字量存入ROM中，然后按一定的地址間隔(相位增量)讀出，并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器形成模擬正弦信號，再經(jīng)低通濾波器得到質(zhì)量較好的正弦信號[2]。

考慮到本題要求放大倍數(shù)很大，所以使用DDS產(chǎn)生的正弦信號不可用，本設(shè)計(jì)選取方案二。

1.3 自動開關(guān)的選擇

方案一：采用TO220封裝的MOSFET開關(guān)。采用MOSFET開關(guān)如IRF540或者IRF3710，這種電子開關(guān)擁有導(dǎo)通電阻低和控制轉(zhuǎn)換速率較快的優(yōu)點(diǎn)。

方案二：采用9013三極管。采用比賽要求有的9013三極管可以達(dá)到控制電路導(dǎo)通或斷開的狀態(tài)。

考慮到MOSFET開關(guān)采購不便，比賽中沒有現(xiàn)貨需要采購，本設(shè)計(jì)使用9013三極管搭建自動開關(guān)。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 輸入電阻計(jì)算模塊設(shè)計(jì)

放大器電路確定則放大器輸入電阻確定，實(shí)際阻值為R1與R2并聯(lián)阻值大小約為：

Rin=R1//R2//R三極管

由于電路特性測試儀輸出1kHz正弦信號可控，所以此正弦信號幅值已知，若想知道輸入電阻只需測出輸入電流即可。MCU產(chǎn)生的正弦信號峰峰值已知為VADC1，所設(shè)置的已知電阻阻值大小為Rx，單片機(jī)采集到的電壓值為VADC2，即可得到電壓分壓公式：

可得計(jì)算出輸入電阻的大小計(jì)算公式：

由于放大器的放大倍數(shù)60～300，所以輸入進(jìn)放大電路的正弦信號幅值為幾十毫伏左右，但單片機(jī)產(chǎn)生不了幾十毫伏的電壓，所以需要分壓電路的增益以及電壓跟隨器對正弦信號進(jìn)行處理。

2.2 輸出電阻計(jì)算模塊設(shè)計(jì)

放大器電路輸出電阻值應(yīng)為R3阻值大小2kΩ。單片機(jī)產(chǎn)生的1kHz的正弦信號經(jīng)過放大器后幅值未知，所以需要先斷開負(fù)載電阻RL后計(jì)算開路輸出電壓Voutopen，再計(jì)算出連接電阻后的電壓Vout1，兩次電壓之比為兩次連入電路不同電阻阻值之比，換算即得到輸出電阻大小：

由于放大電路輸出電壓范圍為0～12V,而單片機(jī)可承受的電壓范圍為0～3.3V，所以需要進(jìn)行分壓。另外，所涉及的信號頻率較高但ADC采集速度慢，而且信號有一個(gè)直流偏置，所以需要采取信號最低值。但是由于正弦信號最低值難以測量，可以轉(zhuǎn)換成測量信號平均值的做法。利用單片機(jī)ADC分別采集信號峰值VADC3以及正弦波平均值VADC4，即可得到信號峰峰值VVpp：

VVpp=2×VADC3-2×VADC4

這樣在有負(fù)載和無負(fù)載時(shí)測的兩組數(shù)據(jù)通弄過計(jì)算可以得到有負(fù)載時(shí)電壓峰的峰值Vout1，斷開負(fù)載時(shí)電壓峰的峰值Voutopen。

2.3 放大器增益計(jì)算模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過采集放大器輸出開路電壓峰的峰值Voutopen除以輸入電壓峰的峰值VADC2即可得到放大器增益倍數(shù)G：

2.4 幅頻特性曲線模塊設(shè)計(jì)

放大器的幅頻特性曲線的計(jì)算涉及到上限頻率值，所以在設(shè)計(jì)電路是需要考慮到單片機(jī)無法產(chǎn)生過高頻率的正弦信號。由于所需信號頻率高，可采用高頻率PWM替換高頻正弦信號。

當(dāng)信號頻率較小時(shí)可采用DAC輸出正弦波，當(dāng)頻率較大時(shí)需要采用PWM波，測得該放大電路放大倍數(shù)。當(dāng)測量分貝數(shù)截止到-3dB時(shí)即題目要求幅頻特性曲線帶寬，將不同頻率時(shí)對應(yīng)的放大倍數(shù)連成線即為所要求的幅頻特性曲線。

2.5 判斷R1～R4電阻開路或短路原因模塊設(shè)計(jì)

該放大器電路為自給偏壓共基三極管放大電路。其R1及R2為三極管偏壓電阻，為三極管基極提供必要偏置電流，R3為負(fù)載電阻，R4為電流反饋電阻，C1和C3分別是輸入和輸出隔直電容，C2與R4并聯(lián)增大放大倍數(shù)，交流時(shí)將R4短路?；趯﹄娐返姆治鲆约癕ultisim仿真軟件放大器電路的測試，可以得到這4個(gè)電阻開路或短路時(shí)現(xiàn)象如表1所示，3個(gè)電容的開路或增大時(shí)現(xiàn)象如表2所示。

表1 R1～R4電阻開路或短路時(shí)現(xiàn)象

2.6 判斷C1～C3電容開路或增大原因模塊設(shè)計(jì)

表2 C1～C3電容開路或增大時(shí)現(xiàn)象

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 電路設(shè)計(jì)

產(chǎn)生1MHz幅值為0～3.3V的PWM信號，需要對此PWM信號0.5倍增益處理。將0.5倍增益處理后的PWM信號與單片機(jī)DAC共同接入繼電器的輸入口，使用單片機(jī)I/O口控制三極管9013的導(dǎo)通與斷開控制繼電器完成PWM信號與DAC之間的切換。將信號增益0.1倍通過已知阻值電阻Rx和輸入電阻Rin輸入到放大器輸入，并分別采集通過Rx前后電壓值，輸入端口電路如圖3所示。

如圖4所示為輸出電阻測量電路，Rout為輸出電阻，RL為負(fù)載電阻，R4為保護(hù)電阻大小任意，R5、R6為分壓電路。通過單片機(jī)I/O口控制三極管9031（仿真里用2N2221代替）通斷R2，當(dāng)單片機(jī)I/O口電平為高，則將R2接地；當(dāng)單片機(jī)I/O口電平為低，則將R2斷開。采用低電壓運(yùn)放LMV358制作電壓跟隨器。使用二極管1N4148以及47nF電容采集峰峰值VADC3，RC振蕩電路選擇470Ω以及0.1μF采集平均值VADC4。

圖3 電路特性測試儀輸入端口電路

圖4 電路特性測試儀輸入端口電路

3.2 程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控芯片采用STM32F407，顯示器采用IIC通信的0.96寸OLED，單片機(jī)通過讀取鍵盤鍵值執(zhí)行不同的功能完成題目不同的要求。單片機(jī)通過控制DAC生成1kHz的正弦波且產(chǎn)生高頻PWM信號。通過外部中斷以及定時(shí)器中斷控制負(fù)載接入或接出電路，可以達(dá)到計(jì)算顯示內(nèi)容的改變。

4 測試方案與測試結(jié)果

4.1 測試結(jié)果

本設(shè)計(jì)采用DG4062信號發(fā)生器、TDS1012B-SC示波器進(jìn)行測試。

電路特性測試儀各個(gè)點(diǎn)信號的檢測采用示波器分別接入單片機(jī)的輸出DAC與輸入ADC，記錄各個(gè)點(diǎn)波形的參數(shù)，如表3所示。

表3 單片機(jī)DAC及各個(gè)ADC引腳信號參數(shù)

圖5 定時(shí)器中斷流程圖

圖6 外部中斷流程圖

基礎(chǔ)要求部分和（1）～（3）測試直接將電路通電，讀出屏幕上顯示讀數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 OLED屏顯示參數(shù)

發(fā)揮要求部分（4）測試在通電的情況下，外部點(diǎn)擊KEY1按鍵，屏幕上顯示7個(gè)不同頻率的幅頻特性點(diǎn)，并將點(diǎn)連成曲線顯示，7個(gè)不同頻率的幅頻特性點(diǎn)如表5所示。

表5 屏幕顯示7個(gè)點(diǎn)幅頻特性曲線

發(fā)揮部分的內(nèi)容經(jīng)過測試效果好，可以直觀地顯示出問題的所在，判斷故障所在位置元器件以及故障原因。

4.2 測試結(jié)果分析

從測試數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)基本達(dá)到了簡易電路特性測試儀（D題）要求可以自動測定并顯示輸入電阻、輸出電阻、增益以及幅頻特性曲線測得數(shù)值與實(shí)際計(jì)算數(shù)值比較誤差在題目要求范圍以內(nèi)。對于發(fā)揮部分的測試，也可真實(shí)地找到故障所在元器件以及故障原因。

5 結(jié)語

本文根據(jù)2019年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽試題（D題）設(shè)計(jì)了一款基于ARM平臺、采用STM32單片機(jī)為核心的簡易電路特性測試儀基本達(dá)到了比賽要求。在實(shí)際使用中由于單片機(jī)不斷的發(fā)出并采集信號所以在OLED屏上顯示的數(shù)值已知有小幅度的波動，且使用的屏幕較小讀取數(shù)值不易，還存在一定程度提升的空間。