楊旻薈，田澄睿，顧浚哲

（南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京，210044）

0 引言

放大電路是應(yīng)用最廣泛的電路之一，大量電子元器件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中包含放大電路，研究其產(chǎn)生故障或者發(fā)生變化的原因，進(jìn)行不失真的放大在信號(hào)處理領(lǐng)域有著重要的意義。輸入輸出電阻是衡量放大器性能的重要指標(biāo)。輸入電阻越大表明放大器從信號(hào)源取得的電流越小，信號(hào)源的電壓衰減越小，反應(yīng)了放大電路對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生影響的大小，因此電壓表、示波器等儀器中的放大器需要更大的輸入電阻。輸出電阻可以用來(lái)衡量放大電路帶負(fù)載的能力，即反應(yīng)了放大電路在不同負(fù)載條件下保持輸出電壓穩(wěn)定的能力。本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能精準(zhǔn)的測(cè)定放大電路的輸入輸出電阻及其增益，可全面的反應(yīng)放大電路的性能，為工藝選擇提供參考。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路主要由STM32F103ZET6單片機(jī)，DDS模塊、射頻衰減模塊、固定放大電路、有效值檢波模塊組成。首先由單片機(jī)控制DDS模塊輸出特定頻率特定賦值的正弦波，經(jīng)過(guò)射頻衰減模塊后接入被測(cè)放大器的輸入回路。在輸入回路中串入一電阻，通過(guò)繼電器換路測(cè)量電阻兩端電位，繼電器后的信號(hào)接入固定放大電路，隨后通過(guò)有效值檢波模塊將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)傳給單片機(jī)ADC。被測(cè)放大電路的輸出端接一電容隔離直流，在輸出回路中串入一電阻，接繼電器測(cè)其兩端電位。經(jīng)一電壓跟隨器后進(jìn)行有效值檢波與單片機(jī)ADC信號(hào)采集。單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理后的輸入輸出電阻與增益顯示在LCD屏幕上。并在屏幕上顯示被測(cè)放大器的幅頻特性曲線。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)旨在設(shè)計(jì)一種能測(cè)定被測(cè)放大電路的特性參數(shù)的測(cè)試儀，包括輸入輸出電阻及增益等指標(biāo)，且測(cè)量誤差均小于10%。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)發(fā)生模塊

本文采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）方案[1]。本文選用AD9850作為信號(hào)發(fā)生模塊。其核心部分由DAC高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器、DDS可編程系統(tǒng)和高速比較器構(gòu)成。正弦波查表和相位累加器共同構(gòu)成了AD9850的DDS系統(tǒng)，其內(nèi)核在內(nèi)部邏輯單元的控制下，不斷進(jìn)行高速數(shù)模轉(zhuǎn)換，在輸出端得到波形信號(hào)。且AD9850集成了DSP技術(shù)和ROM表，極大的減小了本模塊的功耗和面積[2]。本模塊具有輸出頻率相對(duì)較寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率分辨率高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，以及相關(guān)波形參數(shù)（頻率、相位、幅度）均可實(shí)現(xiàn)程控的優(yōu)點(diǎn)。若相位累加器的位數(shù)為N，改變頻率控制字K或參考時(shí)鐘fr，即可改變輸出正弦波的頻率f0，具體表達(dá)式如下：

由單片機(jī)程控，給AD9850輸入控制字，生成指定正弦波的基本原理入圖2所示。

圖2 DDS原理

綜上，采用集成DDS芯片AD9850輸出波形頻率幅值穩(wěn)定，頻率范圍可滿足題目要求，且其可通過(guò)STM32單片機(jī)進(jìn)行程控，便捷高效可移植?

2.2 射頻衰減模塊

本系統(tǒng)的被測(cè)定放大電路經(jīng)檢驗(yàn)在不失真放大的情況下，輸入電壓應(yīng)≤60mv，因此AD9850產(chǎn)生的DDS信號(hào)不能直接接入被測(cè)放大電路的輸入回路，需要先通過(guò)衰減器將電壓降至放大器可不失真放大的范圍內(nèi)。衰減器是一種提供衰減的電子元器件，電子設(shè)備衰減器的主要用途是調(diào)整電路中信號(hào)的大小，緩沖阻抗變化，并改善阻抗匹配。在射頻領(lǐng)域，阻抗匹配有著重要意義。射頻衰減器相對(duì)于一般的電阻做分壓衰減有高頻更好的匹配特性和線性度。PE4302是一款高線性度，6位數(shù)字射頻步進(jìn)衰減器，其衰減范圍為0.5dB～31.5dB，最大輸入射頻信號(hào)幅值為24dBm，并支持串并行數(shù)據(jù)控制衰減量。其原理圖如圖3所示。

圖3 PE4302原理圖

本文采用射頻衰減模塊濾除直流量，并將信號(hào)縮小到60mv。隨后經(jīng)過(guò)串聯(lián)分壓，使得輸入特定放大電路的激勵(lì)源控制在1kHz 20mv左右的信號(hào)。

2.3 直流檢波模塊

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要將被測(cè)定放大電路前后的信號(hào)傳給STM32F103ZET6單片機(jī)做數(shù)據(jù)處理，然而單片機(jī)無(wú)法承受負(fù)壓輸入，因此需要對(duì)放大前后的正弦波信號(hào)做一定的解調(diào)或檢波處理，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)以供單片機(jī)采樣。解調(diào)與檢波即是將調(diào)制信號(hào)從已調(diào)信號(hào)中檢出的過(guò)程。對(duì)于本系統(tǒng)而言，即是將正弦信號(hào)通過(guò)積分手段變換為直流信號(hào)。

本文采用的直流檢波模塊為AD637，其輸出阻抗很小，因此輸出信號(hào)在傳給單片機(jī)時(shí)不再需要運(yùn)算放大器，對(duì)本系統(tǒng)電路而言減輕了負(fù)擔(dān)。該模塊輸出的直流信號(hào)為輸入正弦波信號(hào)的有效值，因此又稱有效值檢波模塊。該直流檢波模塊可由±5～±15V的電壓供電，根據(jù)供電電壓不同，可測(cè)電壓有效值的范圍介于0～3V和0～6V之間。輸入信號(hào)既可測(cè)純交流信號(hào)的有效值，也可測(cè)疊加有直流信號(hào)的交流信號(hào)有效值。同時(shí)，其帶負(fù)載能力強(qiáng)，為100～+∞?。由此可見(jiàn)本系統(tǒng)選用的AD637直流檢波模塊可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，性能優(yōu)良。其原理圖如圖4所示。

圖4 AD637原理圖

2.4 抗干擾措施

（1）模塊之間用電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)分立，減少模塊之間參數(shù)的影響。在被測(cè)放大電路的輸出回路中串入一隔直電容，并在繼電器選通后串入一電壓跟隨器，以減少分立電子元件的影響。

（2）盡可能增大接地面積，盡可能保證共地，實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。

（3）盡可能減少杜邦線的使用，在高頻信號(hào)環(huán)境中，杜邦線的使用可能會(huì)帶來(lái)極大的噪聲，影響模塊性能且會(huì)導(dǎo)致放大后信號(hào)波形不穩(wěn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件實(shí)現(xiàn)方法

（1）將繼電器1拉低，測(cè)量串聯(lián)電阻上端電壓，之后將繼電器1拉高，測(cè)量被測(cè)電路分得的電壓。之后使用分壓公式計(jì)算出電阻值。

（2）將繼電器2拉低，計(jì)算負(fù)載電壓；將繼電器2拉高，再次計(jì)算負(fù)載電壓。

（3）再次使用分壓公式計(jì)算輸出電阻阻值。用負(fù)載電壓除以輸入特定放大器的信號(hào)峰峰值，從而計(jì)算出放大倍數(shù)。

（4）將計(jì)算得到的放大倍數(shù)和輸入輸出電阻顯示在屏幕上。

3.2 STM32F103ZET6單片機(jī)ADC設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)共需兩路ADC，分別測(cè)量被測(cè)放大器前后的信號(hào)。而STM32f103系列有3個(gè)精度為12位的ADC，精度為12位，且各個(gè)的ADC之間的轉(zhuǎn)換可以間斷或連續(xù)執(zhí)行，ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果可被儲(chǔ)存在單片機(jī)特定寄存器部位。需要注意的是，STM32f103單片機(jī)的ADC輸入電壓范圍為? VREF≤VIN≤+VREF，當(dāng)?VREF接地，+VREF接3.3V時(shí)，單片機(jī)ADC可承受的輸入電壓范圍為0～3.3V，即不可承受負(fù)壓。DDS模塊產(chǎn)生的正弦波信號(hào)有負(fù)壓部分，為使單片機(jī)ADC能夠承受一種方式是通過(guò)增加直流分量將正弦信號(hào)抬升，另一種方式是通過(guò)直流檢波模塊將正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成等于其有效值的直流信號(hào)輸出。第二種方式可省去單片機(jī)內(nèi)部對(duì)正弦信號(hào)的處理，增加模擬電路穩(wěn)定性的同時(shí)，簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

電壓輸入后，經(jīng)過(guò)ADC可將信號(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)12位的二進(jìn)制數(shù)，即將0～3.3V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～4096的數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換公式可表示成如下形式：

其中，Vin為輸入的模擬電壓，Vout為其該模擬電壓對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。

3.3 單片機(jī)LCD顯示

單片機(jī)LCD屏幕上需要顯示的是經(jīng)過(guò)處理后的被測(cè)放大器的輸入輸出電阻與增益，并顯示幅頻特性曲線。本系統(tǒng)采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)TFTLCD液晶屏顯示以上內(nèi)容。TFTLCD為薄膜晶體管液晶顯示器，可極大降低非選通時(shí)的串?dāng)_，使液晶屏顯示的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無(wú)關(guān)，進(jìn)而大幅度提高圖像的質(zhì)量[3]。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)TFTLCD的流程如圖5所示。

圖5 TFTLCD驅(qū)動(dòng)原理

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的電路特性測(cè)試儀可實(shí)時(shí)顯示被測(cè)放大電路的輸入輸出電阻與增益，并顯示其幅頻特性曲線。測(cè)試指標(biāo)的相對(duì)誤差均小于10%。測(cè)量結(jié)果如圖6所示。圖7為被測(cè)放大電路的輸出信號(hào)。

圖6 系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果

圖7 放大電路輸出信號(hào)