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        智能電路測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與制作

        2021-05-20 00:41:26葉全興習(xí)智文鄭佳彬蔣鑫靖余彥超李紹翔李翠梅
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年12期
        關(guān)鍵詞:測(cè)試儀調(diào)理按鍵

        葉全興 習(xí)智文 鄭佳彬 蔣鑫靖 余彥超 李紹翔 李翠梅*

        (江西科技師范大學(xué),江西 南昌330013)

        許多高校電子、電器類專業(yè)都開設(shè)了模擬電路課程,很多學(xué)生都感覺這是一門很抽象很難學(xué)的課程,甚至很多985 高校的學(xué)生也是這么認(rèn)為。而模擬電路課程是高校電子、電器類專業(yè)重要的專業(yè)必修課,為此我們專門設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易智能電路測(cè)試儀,該智能測(cè)試儀可以很好地輔助學(xué)生掌握三極管放大電路的特性,使學(xué)生感到抽象難懂的課程變得有趣。市面上這種智能電路測(cè)試儀幾乎沒有,我們這款智能電路測(cè)試儀價(jià)廉物美,售價(jià)48 元,適合高校學(xué)生的消費(fèi)水平,所以具有很好的市場(chǎng)前景。

        1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

        使用STM32 單片機(jī)作為核心控制器件,利用DDS 波形發(fā)生電路和電阻分壓電路產(chǎn)生1kHz 30mV 正弦信號(hào)輸入到待測(cè)電路;待測(cè)電路通過輸入調(diào)理電路、輸出調(diào)理電路與單片機(jī)連接,通過按鍵電路控制,將待測(cè)電路的參數(shù)顯示在OLED 上。系統(tǒng)框圖如圖1:

        圖1 系統(tǒng)框圖

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        在本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,硬件方面采用了STM32 作為控制芯片,并通過STM32 和電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生DDS 信號(hào)進(jìn)入調(diào)理電路中,再通過LMV324 控制調(diào)理電路,輸出信號(hào)給單片機(jī)采集,來獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。

        2.1 STM32 芯片

        STM32 系列單片機(jī),基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌人式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex - MX 內(nèi)核,擁有比8位單片機(jī)更高的數(shù)據(jù)處理速度,更豐富的外設(shè);而且可以用STM 公司提供的固件庫,簡(jiǎn)化了配置寄存器控制單片機(jī)的操作,使開發(fā)變得更簡(jiǎn)單,并且能夠處理復(fù)雜計(jì)算和控制。單片機(jī)最小系統(tǒng)按鍵屏幕電路如圖6 所示。

        2.2 LMV324 芯片

        LMV324 內(nèi)部包括有四個(gè)獨(dú)立的高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器,在本設(shè)計(jì)中主要是用于輸入和輸出調(diào)理電路中,便于對(duì)信號(hào)的處理,來獲得更好的輸入信號(hào)和采集輸出信號(hào)。

        2.3 三極管放大電路(待測(cè)電路)

        S9013 三極管和若干個(gè)電阻電容組成共射放大電路,47u 電容具有旁路作用,其他的電阻有分壓,調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)的作用,如圖2。

        圖2 待測(cè)電路

        圖3 DDS 信號(hào)產(chǎn)生電路

        2.4 DDS 信號(hào)產(chǎn)生電路

        利用單片機(jī)經(jīng)過一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)(加權(quán)網(wǎng)絡(luò))得到信號(hào)DDS 信號(hào),如圖3 所示。

        2.5 輸入輸出調(diào)理電路

        輸入調(diào)理電路是用來將信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)調(diào)理放大到符合單片機(jī)采樣的范圍內(nèi),并且該模塊由于存在著直流偏置所以需要放置電容以達(dá)到去耦,而輸出調(diào)理電路相反,將待測(cè)電路的輸出信號(hào)縮小到單片機(jī)能采集到的范圍。輸入輸出調(diào)理電路圖4、圖5 所示:

        圖4 輸入調(diào)理電路

        圖5 輸出調(diào)理電路

        圖6 單片機(jī)最小系統(tǒng)按鍵屏幕電路

        簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)有兩部分電路:一個(gè)是由S9013組成的基本放大電路,另一個(gè)是電路特性測(cè)試儀。前者是被測(cè)對(duì)象,涉及一個(gè)輸入測(cè)試信號(hào)(1KHz,Vpp=10mV)和一個(gè)輸出信號(hào);后者是一個(gè)簡(jiǎn)易的測(cè)量?jī)x表,它可以來將輸入的測(cè)試信號(hào)和輸出的放大信號(hào)提取出來,然后經(jīng)過一定的運(yùn)算求解出基本放大電路的動(dòng)態(tài)特性參數(shù):輸入電阻、輸出電阻、放大倍數(shù),此簡(jiǎn)易儀表包括有兩個(gè)端口,一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口;兩者端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系為,測(cè)試儀的輸出端口接放大電路的信號(hào)輸入端,測(cè)試儀的輸入端口接放大電路的信號(hào)輸出端。輸入電阻測(cè)量:利用單片機(jī)的AD 采集功能,采集到電阻R1 兩端電壓的有效值為U1,這時(shí)我們所采集到的電壓是經(jīng)過衰減的電壓,如果此時(shí)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出的有效值為US,ri 為輸入電阻,則等式U1/R1=US-U1/ri。從而計(jì)算得到ri=(US-U1)R1/U1。在測(cè)量輸入電阻時(shí)加入了兩級(jí)的輸入調(diào)理電路,將衰減后的信號(hào)放大到單片機(jī)可采集的范圍。輸出電阻測(cè)量:在放大信號(hào)不失真的情況下,利用單片機(jī)的AD 采集功能,采集到帶載10k 和50k兩種情況下的電壓值:ro=R2(UO1-UO2)/UO2

        放大倍數(shù)為:Auu=UO1/(US-U1)

        輸出電阻和放大倍數(shù)的測(cè)量這里用到了輸出調(diào)理電路,將待測(cè)電路的輸出信號(hào)進(jìn)行縮小,也是衰減到單片機(jī)能采集到的范圍。

        此外,我們小組采用單片機(jī)生成正弦波的方法,經(jīng)過一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)(加權(quán)網(wǎng)絡(luò))再通過一個(gè)低通濾波電路就得到輸入信號(hào)。簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試儀有一個(gè)OLED 顯示屏,采用四個(gè)按鍵進(jìn)行測(cè)試儀功能的控制,如圖6 所示。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        本次設(shè)計(jì)用到了立創(chuàng)EDA、Protues、Multisim 和keil 這四個(gè)工具。其中硬件設(shè)計(jì)環(huán)境是通過Multisim 和Protues 設(shè)計(jì)電路并將其仿真,以檢驗(yàn)電路功能,功能基本實(shí)現(xiàn)后再在立創(chuàng)EDA 平臺(tái)下來畫出硬件總電路原理圖,并適當(dāng)替換一些原件,使測(cè)試儀更實(shí)用可靠。該設(shè)計(jì)中軟件設(shè)計(jì)環(huán)境是keil uvision5 MDK,使用的語言是C。在程序編寫完畢后,將其導(dǎo)入ST-LINK 中,將驅(qū)動(dòng)連接至單片機(jī)即可。主要有以下幾個(gè)程序控制部分:采集輸入和輸出調(diào)理電路的控制、DDS 信號(hào)產(chǎn)生電路控制、OLED 屏幕顯示電路控制,按鍵電路控制。正弦波信號(hào)的產(chǎn)生:通過網(wǎng)上查找正弦表,創(chuàng)建主文件在其中輸入正弦表代碼,把正弦波信號(hào)經(jīng)過采樣,然后Z 變換,最后用差分方程形式去編程,計(jì)算出的DAC 值并輸出,也可以提前計(jì)算好,然后查表輸出。

        采集輸出信號(hào):設(shè)定定時(shí)器和輸出類型,再用定時(shí)器輸出事件觸發(fā)ADC,ADC 在觸發(fā)DMA 去搬運(yùn),具體如下:ADC 采集中斷,在通過DMA 方式讀取ADC 并通過串口中斷收集到單片機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)。OLED 屏幕顯示:在主函數(shù)寫下相關(guān)代碼,出錯(cuò)時(shí)顯示error,正常測(cè)試時(shí)會(huì)顯示其待測(cè)電路的增益,輸入輸出電阻。按鍵控制:在主函數(shù)中定義四個(gè)可以連接按鍵的端口,并賦予其功能為向上、向下、確定(主菜單)、選擇。本系統(tǒng)中單片機(jī)的作用是:檢測(cè)放大電路輸入信號(hào)幅值、放大電路輸出信號(hào)幅值,然后將這二者轉(zhuǎn)換為DMA 進(jìn)行存儲(chǔ)。此外,在進(jìn)行采集時(shí),單片機(jī)內(nèi)部也會(huì)對(duì)采集到的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,可以算出輸入輸出電阻及電路增益。

        程序流程如圖7 所示。

        首先,單片機(jī)中會(huì)根據(jù)ADC1 采樣得到的輸入調(diào)理電路的電壓,再根據(jù)戴維南定理等計(jì)算輸入電阻,并顯示輸入電阻;然后,同樣的方法計(jì)算輸出電阻,顯示輸出電阻;最后,單片機(jī)會(huì)采樣輸入輸出電壓計(jì)算出增益。

        圖7 軟件流程圖

        結(jié)束語

        本文介紹了基于STM32 單片機(jī)一款智能電路測(cè)試儀的設(shè)計(jì),該測(cè)試儀體積小、易攜帶且操作方便,可以很好地檢測(cè)放大電路的性能。使用STM32 單片機(jī)作為核心器件,不僅使測(cè)試儀功能強(qiáng)大,而且也有利于該產(chǎn)品在后期擴(kuò)展更多功能,這對(duì)于高校師生電路技術(shù)的教學(xué)和學(xué)習(xí)具有非常重要的意義。

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