羅駿

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西桂林，541004）

0 引言

運(yùn)算放大器參數(shù)測(cè)試及其故障檢測(cè)對(duì)于電子領(lǐng)域特別是功放領(lǐng)域，有著極其重要的作用，能夠高效的排查故障，保障運(yùn)算放大器的使用便捷、有效。

針對(duì)上述問題設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)運(yùn)算放大器特性測(cè)試儀，以STM32單片機(jī)為主控芯片,通過DDS產(chǎn)生被測(cè)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)構(gòu)建輸入測(cè)量和輸出測(cè)量網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)被測(cè)電路的基本參數(shù)的測(cè)量以及故障的判別。在故障判別電路中，通過輸入端的小信號(hào)結(jié)合大信號(hào)驅(qū)動(dòng)以及輸出端加入負(fù)載電阻來判斷電阻開路和短路故障；通過測(cè)量頻帶外某兩點(diǎn)的電壓增益實(shí)現(xiàn)電容開路以及容值改變的迅速判別，在進(jìn)度和速度上都有較大提高。

1 原理概述

1.1 通用型運(yùn)算放大器特性以及參數(shù)

常見的單運(yùn)放還有場效應(yīng)管為輸入級(jí)都是通用型運(yùn)算放大器，僅僅只有級(jí)數(shù)不同而已。

下面列出這些通用型放大器的基本參數(shù)：

（1）共模輸入電阻：這一參數(shù)是運(yùn)算放大器在線性區(qū)工作時(shí)，輸入端的共模電壓區(qū)間和這個(gè)區(qū)間內(nèi)偏置電流的變化量的比值。

（2）直流共模抑制：這一參數(shù)主要用于評(píng)判運(yùn)算放大器對(duì)兩個(gè)輸入端口的相同直流的抑制能力。

（3）交流共模抑制：主要是用來計(jì)算運(yùn)算放大器對(duì)兩個(gè)輸入端口的相同交流電壓的抑制力。

1.2 測(cè)試儀的基本構(gòu)成

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

1.2.1 DDS信號(hào)源

AD9833:頻率、相位可編程，低功耗（20Mw/3V）。輸出的頻率范圍一般是0.1～12.5MHz在這一個(gè)范圍內(nèi)可以使用軟件控制。還可以通過編程是輸出信號(hào)在正弦波，三角波以及方波中間切換，正常工作時(shí)電壓2.3V～5.5V之間,通信方式 SPI通信方式，SPI通信速率最高可達(dá)到40MHz。

1.2.2 數(shù)控放大器

AD8051通用運(yùn)算放大器芯片，使用反向比例放大功能。

1.2.3 信號(hào)源控制原理

ARM控制板通過SPI通信對(duì)DDS進(jìn)行頻率、幅度、波形的設(shè)置spi通信，片選低有效，16bit通信模式，下降沿采集數(shù)據(jù)，ARM通信頻率，2.5MHz。分別對(duì)ad9833內(nèi)的寄存器進(jìn)行讀寫，控制波形、頻率以及相位等。

圖2 stm32F767核心板

1.2.4 模擬開關(guān)控制

ARM控制板通過IO口高低切換控制模擬開關(guān)的斷開切換，從而達(dá)到輸入信號(hào)500mV和10mV的切換以及輸入電阻，輸出電阻的切換。

1.2.5 ADC

ARM控制板通過IO口高低切換控制模擬開關(guān)的斷開切換，從而達(dá)到輸入信號(hào)500mV和10mV的切換以及輸入電阻，輸出電阻的切換。

2 整體方案硬件測(cè)試與仿真

2.1 stm32F767的參數(shù)及核心板資源

主控芯片STM32F767IGT 采用Cortex M7內(nèi)核，外圍flash 1024KB,SARM 512KB。

2.2 AD9833的外圍電路

輸入電壓2.3-5.5V,以及外圍電源濾波電容，外加一個(gè)CAP參考電壓，通信口接入SPI通訊線與控制板普通IO口相連，在輸出端口加入一個(gè)SPI協(xié)議的數(shù)字電位模塊，可用來實(shí)現(xiàn)在線調(diào)控輸出波形的功率。

2.3 數(shù)控放大器的外圍電路

數(shù)控放大器模塊實(shí)際就是一個(gè)電位器，可以通過SPI進(jìn)行時(shí)序通訊，并且通過控制命令，可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)電壓的一個(gè)模塊。

2.4 正向檢波電路原理

檢波器，主要就是用來提取出波動(dòng)信號(hào)里面的一個(gè)有用的特殊的信號(hào)一種電路。檢波就是從一個(gè)不斷變化的信號(hào)之中提取出一個(gè)有用信號(hào)的過程，有包絡(luò)檢波和同向檢波兩種方式進(jìn)行檢波。

圖3 AD9833的外圍電路

2.5 AD8361原理及外圍電路設(shè)計(jì)

AD8361是一個(gè)通過集成的模式來提供均方根(RMS)響應(yīng)功率的器件的檢波器，這個(gè)器件可以檢出2.5GHz的信號(hào)的均方根的值，主要用于于CDMA、QAM等其他復(fù)合調(diào)制的檢波。

2.6 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

（1）輸入輸出電阻測(cè)量原理

輸入阻抗的測(cè)量可以通過測(cè)量輸入端短接時(shí)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓有效值Uo，與輸入端串接一個(gè)電阻Rs時(shí)的輸出電壓有效值Uo’，通過公式Ri=Rs*Uo’/(Uo-Uo’)來計(jì)算出輸入電阻。同理，測(cè)量輸出電阻時(shí)可以通過輸出空接時(shí)的輸出電壓Uo和接入負(fù)載電阻時(shí)輸出電壓Uo’，再通過公式Ro=RL*(Uo-Uo’)/Uo’來計(jì)算輸出阻抗，求得的誤差經(jīng)過算法修正可使得測(cè)量值接近真實(shí)值。

圖4 AD8361真有效值檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

（2）增益計(jì)算

單片機(jī)通過控制DDS輸出1Khz，10mv的交流電壓Ui到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，后級(jí)檢測(cè)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出電壓Uo，利用放大倍數(shù)公式Au=Uo/Ui計(jì)算出放大倍數(shù)，然后利用公式Gu=20lgAu計(jì)算出增益。

（3）增益與幅頻特性的計(jì)算

單片機(jī)通過控制DDS輸出不同頻率下的電壓Ui到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，后級(jí)檢測(cè)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出電壓Uo，結(jié)合DDS輸出頻率從而畫出幅頻特性曲線。

（4）誤差分析計(jì)算

通過實(shí)測(cè)得到其真實(shí)輸入輸出電阻Rr，通過測(cè)量儀測(cè)得的輸入輸出阻抗為Rt,所以求得其相對(duì)誤差為(Rt-Rr)/Rr。

3 整體方案軟件設(shè)計(jì)部分

3.1 STM32F767

平臺(tái)keil 5，使用hal庫，使用C語言編寫代碼，采用C51譯碼器生成機(jī)器語言，裝入寄存器進(jìn)行執(zhí)行命令。

圖5 流程圖

3.2 AD9833的程序編寫

首先將引腳配置為普通IO口使用

圖6 AD9833的程序流程圖

使用普通io模擬SPI通訊協(xié)議，NSS低電平有效，時(shí)鐘空閑時(shí)位低電平，通過查AD9833資料獲取寄存器的地址，通過SPI時(shí)序的調(diào)試，嘗試通信，通過讀寫測(cè)試，與其進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，進(jìn)行代碼的的封裝，固定。通過循環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)掃頻輸出信號(hào)，達(dá)到自動(dòng)測(cè)試的理想結(jié)果，經(jīng)過掃頻測(cè)試，測(cè)試通用型運(yùn)算放大器的基本特性，基本實(shí)現(xiàn)要求的功能。最后通過模擬時(shí)序?qū)D9833進(jìn)行通信。

*函數(shù)名:AD9833_Write

*功能說明:向SPI總線發(fā)送16個(gè)bit數(shù)據(jù)

3.3 數(shù)控放大器的程序編寫

圖7 數(shù)控放大器流程圖

與AD9833,通過模擬SPI進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由于其寄存器地址不同，所以掛載SPI總線。通過數(shù)據(jù)的傳輸使其有不同的阻值切換，改變其電阻值。達(dá)到與電位器相同的結(jié)果。

3.4 ADC電壓采集的程序編寫

圖8 ADC電壓采集流程圖

ADC設(shè)置，通過hal庫函數(shù)，配置ADC參數(shù)，其中，包括采樣時(shí)間，采樣速率，和輪詢次數(shù)，通過多次采集數(shù)據(jù)，加入簡單的濾波，使數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)ADC引腳進(jìn)行以下配置。

ADC1_Handler.Instance=ADC1;

ADC1_Handler.Init.ClockPrescaler=ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4; //4分頻，ADCCLK=PCLK2/4=108/4=27MHZ

ADC1_Handler.Init.Resolution=ADC_RESOLUTION_12B;//12位模式

ADC1_Handler.Init.DataAlign=ADC_DATAALIGN_RIGHT;//右對(duì)齊

ADC1_Handler.Init.ScanConvMode=DISABLE;//非掃描模式

ADC1_Handler.Init.EOCSelection=DISABLE;//關(guān)閉EOC中斷

ADC1_Handler.Init.ContinuousConvMode=DISABLE;//關(guān)閉連續(xù)轉(zhuǎn)換

ADC1_Handler.Init.NbrOfConversion=1;//1個(gè)轉(zhuǎn)換在規(guī)則序列中 也就是只轉(zhuǎn)換規(guī)則序列1

ADC1_Handler.Init.DiscontinuousConvMode=DISABLE;//禁止不連續(xù)采樣模式

ADC1_Handler.Init.NbrOfDiscConversion=0;//不連續(xù)采樣通道數(shù)為0

ADC1_Handler.Init.ExternalTrigConv=ADC_SOFTWARE_START; ADC1_Handler.Init ExternalTrigConv Edge=ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;//使用軟件觸發(fā)

ADC1_Handler.Init.DMAContinuousRequests=DISABLE;//關(guān)閉DMA請(qǐng)求

HAL_ADC_Init(&ADC1_Handler); //初始化

DA輸出濾去整流輸出電壓中的紋波的電路有兩種方案可以選擇，一種是APF，一種是LC濾波器。

3.5 串口屏的使用以及程序編寫部分

選用3.5寸串口屏，通過TTL與控制板的IO口相連，還可以通過USB轉(zhuǎn)TTL與串口屏相連接。

3.6 漢字的顯示

串口屏內(nèi)部有字庫提供，直接使用。字體的顯示常用的就兩種方法，一是在控件里面直接輸入要顯示的漢字內(nèi)容。二是通過控制板發(fā)送指令集，調(diào)用字庫里面的漢字進(jìn)行顯示。在界面設(shè)計(jì)的時(shí)候用到了第一種方法，第二種是在進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試的時(shí)候，進(jìn)行漢字的顯示，測(cè)量出誤差通過串口返回給串口屏控件，進(jìn)行數(shù)據(jù)于漢字的顯示。

3.7 圖片背景設(shè)計(jì)

在串口屏上加上背景圖片，加入到串口屏之中再進(jìn)行選擇、調(diào)整模糊度設(shè)置。

3.8 曲線描點(diǎn)

在串口屏上加上曲線描點(diǎn)控件，設(shè)置描點(diǎn)的方式、方向、速度等等，其次選擇表格的類型、格數(shù)，要設(shè)置背景、表格、畫線顏色，預(yù)先通過設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)好之后下載到屏幕，描點(diǎn)直接通過串口發(fā)送y軸的值，將這些值放在連續(xù)的循環(huán)函數(shù)里面就可以實(shí)現(xiàn)不斷地循環(huán)描點(diǎn)。

printf(“add 2,1,%dxffxffxff”,ch1);向串口屏發(fā)送指令，使其不斷的進(jìn)行描點(diǎn)畫線。

4 整體方案仿真與測(cè)試結(jié)果

采用實(shí)測(cè)與理論數(shù)據(jù)結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)量與測(cè)試。以運(yùn)算放大器的特性參數(shù)測(cè)量為準(zhǔn)，用示波器測(cè)量電壓幅度值，在和ADC采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，顯示基本平滑。使用頻譜儀測(cè)量dds的輸出功率，和adc采集的值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)送給串口屏，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受和顯示，完成數(shù)據(jù)的描點(diǎn)的畫線。通過采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，本模塊輸入電阻，輸出電阻，增益等數(shù)據(jù)誤差不超過10%，得到了一下數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)基于stm32放大器測(cè)試儀，對(duì)單片機(jī)程序編寫，完成SPI、串口的通信，完成ADC的使用，電路方面主要是檢波電路，以及濾波器的設(shè)計(jì)。完成系統(tǒng)架構(gòu)要求后，對(duì)方案的理論進(jìn)行模擬與仿真測(cè)試。

之后對(duì)整體的理論方案軟件部分的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行程序編寫，首先控制板自身的整體框架的實(shí)現(xiàn)，后面再加上ADC的功能的實(shí)現(xiàn)，和引腳功能的映射，然后實(shí)現(xiàn)與DDS信號(hào)源的通信，還有數(shù)控衰減器的SPI通信。最后通過串口與串口屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，實(shí)現(xiàn)顯示功能、控制功能。再加上顯示動(dòng)態(tài)Adc值，與故障的檢測(cè)功能的判定。然后通過串口的的數(shù)據(jù)發(fā)送，在串口屏上進(jìn)行描點(diǎn)的操作。最終完成了整個(gè)軟件的編寫過程。