王明全，楊佳欣，唐鈺

（東北大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽，110000）

0 引言

放大器是電子行業(yè)最為重要且常用的科研裝置之一，而輸入輸出電阻、增益、截止頻率、頻率特性以及輸出失真情況等是放大器的重要性能指標(biāo)，對這些指標(biāo)的測量在科研過程中尤為重要，因此需要一個針對放大器的性能指標(biāo)的測量工具。

目前傳統(tǒng)的測量方法需要用到信號發(fā)生器、萬用表、毫伏表、示波器等以及一系列工具以及繁瑣的計算過程，操作非常復(fù)雜。而市場上的一些測量裝置大多只能夠測量某一項指標(biāo)，不能夠做到所有指標(biāo)全方面測量。所以需要設(shè)計一個放大電路特性測試裝置[1]，能夠集成對放大器特性指標(biāo)的測量、故障判斷以及失真情況判斷的功能，解決傳統(tǒng)測量方法的不足，并廣泛應(yīng)用于市場以及科研過程中。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 設(shè)計基本要求

設(shè)計并制作一個簡易放大電路特性測試裝置。使用時將待測的特定放大器接入電路特性測試儀，測試儀向待測放大器輸入1kHz正弦波信號[2]，自動測量并顯示特定放大器電路的輸入輸出電阻、增益并將輸出波形繪制在液晶屏上，繪制放大電路的頻率特性（幅頻與相頻特性）曲線，判斷放大電路的截止頻率。另外還具有學(xué)習(xí)與判斷故障的功能，能夠?qū)W習(xí)電路的故障原因，并自動判斷該放大器由于元器件變化而引起故障的原因。同時能夠測量放大電路輸出信號失真度，如果輸出信號有失真，能夠判斷其非線性失真的情況。

本測試裝置適合于絕大多數(shù)放大電路的特性測試，測試裝置與待測放大器電路連接如圖1所示。

圖1 特定放大器電路與電路特性測試儀連接圖

1.2 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)主要由單片機模塊、信號發(fā)生器模塊、測量顯示模塊、有效值測量模塊、電阻測量模塊、調(diào)制模塊等部分構(gòu)成。主要設(shè)計思路將待測電路接入測試儀[3]，單片機模塊在完成初始化后，接收按鍵的功能選擇，再控制信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男盘柣蛘邟哳l作為放大電路的輸入信號，輸入信號經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò)、被測電路、跟隨器模塊、輸出采集模塊等后，根據(jù)功能的不同輸送至電阻測量模塊、增益測量模塊、故障檢測模塊、失真情況分析模塊進行數(shù)據(jù)處理，然后經(jīng)過單片機經(jīng)計算處理后將結(jié)果輸出在顯示屏幕上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 硬件設(shè)計

硬件方面主要包括信號發(fā)生器模塊、電阻測量模塊、有效值測量模塊、增益測量模塊、濾波模塊、頻率特性測量模塊、失真判斷模塊等。

1.3.1 信號發(fā)生器模塊

信號發(fā)生器模塊圍繞芯片AD9850設(shè)計。AD9850是一款高性能DDS芯片，能夠產(chǎn)生0～40MHz的2路正弦信號，且能夠產(chǎn)生掃頻信號，完全滿足設(shè)計需求。通過單片機對信號發(fā)生器模塊的控制[4]，輸出相應(yīng)幅值、頻率的正弦信號以及兩路正交信號，在測量頻率特性時，產(chǎn)生從低頻到高頻的掃頻信號。

由于輸出的信號幅度較大，需要通過衰減電路后再輸入到待測電路中。信號衰減采用電阻分壓法，衰減后的信號再通過由OPA2134組成的跟隨器[5]，增加帶負載能力。

1.3.2 電阻測量模塊

電阻測量模塊采用分壓法測量輸入、輸出電阻。通過繼電器開關(guān)在待測電路輸入輸出端接入合適的電阻，通過測量電壓就可以按照推導(dǎo)好的公式計算出輸入、輸出電壓。輸入輸出電阻測量具體方法如圖3所示。

圖3 輸入輸出電阻測量電路

在待測電路前串聯(lián)一個大小合適的電阻R，其中U1、U2分別為T1、T2兩點測得的電壓值。在測量輸入電阻時，將開關(guān)1S斷開，測量T1、T2兩點的電壓，已知采樣電阻值，即可求出放大電路的輸入阻抗。通過基爾霍夫定律可以簡單計算得到：

在測量輸出電阻時，將S1閉合，R被短路，輸出電阻可通過電路接入負載與不接入負載時，放大器的輸出電壓值和負載電阻阻值求得。設(shè)接入負載時，即 2S閉合時，放大電路輸出電壓為Uon，不接入負載即 2S斷開時，輸出電壓為Uoff。已知負載電阻阻值為RL，根據(jù)基爾霍夫定律可以得到：

1.3.3 有效值測量模塊

有效值測量模塊由主要芯片AD637組成。AD637是一款真有效值/直流變換集成芯片，可以計算各種復(fù)雜波形的真有效值，并輸出與有效值等比例的直流電壓，使用簡單、讀數(shù)準(zhǔn)確穩(wěn)定[6]。AD637外圍電路如圖4所示。

圖4 有效值測量模塊原理圖

經(jīng)過測試，該模塊對信號有效值測量誤差在2%以內(nèi)，配合隔離交流成分的低通濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出的直流信號中的較小交流分量的有效隔離，增大ADC測量精度。

1.3.4 增益測量模塊

增益測試電路只需要將待測電路的輸出電壓經(jīng)過有效值測量模塊電路后使用ADC測量后輸入到單片機當(dāng)中[7]，與輸入信號有效值相除即可得到相應(yīng)增益，仿真測試以后電路較為穩(wěn)定，測量精度對不同電路均保持在98%以上。

1.3.5 頻率特性測量模塊

幅頻特性的測量只需要通過DDS模塊輸入掃頻信號，通過增益測量模塊測量每個頻率對應(yīng)的增益，畫在坐標(biāo)軸上即可。

相頻特性主要采用調(diào)制測量的方法，調(diào)制模塊主要采用高精度乘法器AD835搭建。測量原理如圖5所示。

圖5 調(diào)制測量原理圖

首先由信號發(fā)生器模塊在1kHz下產(chǎn)生兩路正交信號Ac os (wt)和As in (wt)，按圖5所示輸入到被測電路中，被測放大電路輸出為Bcos (wt+φ)，經(jīng)過乘法器模塊相乘后，經(jīng)過低通濾波，濾除高頻分量，分別得到低通的I，Q信號如下式：

經(jīng)過濾波器模塊，留下直流量為：

然后可得相頻響應(yīng)計算公式如下：

調(diào)制過程需要用到乘法器模塊和濾波器模塊。乘法器模塊選用芯片AD835，AD835 是一款電壓輸出型四象限高帶寬乘法器，輸出噪聲典型值僅為，保證實驗信號損失盡可能最小，除此之外，AD835 需要的外圍電路較少。乘法器模塊原理圖如圖6所示。

圖6 乘法器模塊原理圖

濾波器模塊要求能夠提取信號直流成分，并且為了提高精確度，要盡量隔離交流成分，選用OPA2134芯片設(shè)計四階有源濾波器。采用專業(yè)濾波器設(shè)計軟件Filter Solution設(shè)計截止頻率為1Hz的四階切比雪夫濾波器，濾波器模塊電路圖以及頻率響應(yīng)如圖7、圖8所示。

圖7 濾波器模塊原理圖

圖8 濾波器模塊頻率特性圖

1.3.6 失真情況測量模塊

失真情況測量主要測量輸出信號的總諧波失真（THD），同時能夠區(qū)分無明顯失真以及頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真這五種情況。無明顯失真及四種具有非線性失真電壓的示意波形如圖9所示。

圖9 無明顯失真和四種非線性失真情況

線性放大器輸入為正弦信號時，其非線性失真表現(xiàn)為輸出信號中出現(xiàn)諧波分量，常用總諧波失真(THD：total harmonic distortion)衡量線性放大器的非線性失真程度。THD定義：若線性放大器輸入電壓ui=Uicosωt，其含有非線性失真的輸出交流電壓為

此次測量對THD做近似處理，取到前五次諧波，則有THD計算公式：

無明顯失真，其失真度較小，THD一般小于2%。而其他四種非線性失真，其THD一般大于2%，所以當(dāng)THD小于2%時，可以認為無明顯失真。當(dāng)有較大失真度時根據(jù)最大值附近點數(shù)、最小值附近點數(shù)、和中間值附近點數(shù)來判斷非線性失真的類型。圖10是對這幾種失真情況的具體判斷的流程圖。

圖10 失真情況判斷流程圖

通過以上流程能夠?qū)崿F(xiàn)對絕大多數(shù)非線性失真情況的判斷，經(jīng)過實物測試準(zhǔn)確率在90%以上。

1.3.7 故障檢測模塊

本設(shè)計采用基于歐式距離的監(jiān)督式學(xué)習(xí)方法，進而對放大器不同的故障情況的時域特征進行識別。首先要對參數(shù)進行歸一化處理，假設(shè)選取n個特征電參數(shù)，例如輸入輸出電阻、增益等， 一共有m種故障情況，則特征樣本為ix=(1ix,2ix,3ix, …,imx),i=1, 2, 3, … ,m，設(shè)待測數(shù)據(jù)為jx=(1jx,2jx,3jx,…,jnx),對原始數(shù)據(jù)進行 Z-score 標(biāo)準(zhǔn)化，處理ijx= (ijx-javrx)/jS(i=1, 2, 3, …,m; j=1,2,3,…,n)（其中javrx表示 j 種特征量的平均值，jS表示 j 種特征值的標(biāo)準(zhǔn)差）。在引入歐式距離時，需要對考慮每種特征值的權(quán)值，即特征量對故障情況相似性判別的貢獻不同，設(shè)權(quán)值為Z=(1Z,2Z,3Z, … ,nZ)，若樣本數(shù)據(jù)為i，待測數(shù)據(jù)為j，二者的歐式距離為：

相似系數(shù)定義為 c(ix,jx)= 1/( 1+d(ix,jx)) ，相似系數(shù)范圍在（0,1），相似系數(shù) 越接近 1 則相似程度越高，設(shè)定相似閾值 m，當(dāng) c>m 時判定為該樣本庫中的故障原因。這種方法簡潔高效，對存儲性能要求不高，即使采用三維特征識別，存儲的特征參數(shù)也很少，缺點是特征參數(shù)波動較大時識別時間很長。進過測試，用單片機對兩組數(shù)據(jù)進行計算，能夠在較短的時間里完成分析存儲，因此本系統(tǒng)采用歐式距離法分析數(shù)據(jù)。

故障檢測分為儲存和分析兩個部分。首先，儲存最多14種故障情況下的輸出直流電壓、輸出電壓、輸入電阻、增益電路參數(shù)。然后，當(dāng)發(fā)生故障時，利用歐式距離法分別計算此時的電路參數(shù)向量和已經(jīng)存儲的最多14個向量的相似度，從而判斷故障情況。

1.4 軟件設(shè)計

軟件部分主要由STM32F407ZGT6作為主控芯片，首先對整體系統(tǒng)的各個模塊進行初始化，然后檢測按鍵中斷來選擇功能，再根據(jù)各個功能的不同控制DDS信號發(fā)生模塊生成不同幅值、頻率的正弦信號或者從低頻到高頻進行掃頻，經(jīng)過電阻測試模塊、調(diào)制模塊、增益測試模塊等后輸出回單片機[8]，經(jīng)過計算分析以后就可以在液晶屏顯示對應(yīng)測試結(jié)果或圖像?？傮w流程圖如圖11所示。

圖11 軟件設(shè)計流程圖

2 性能測試

2.1 輸入電阻、輸出電阻、增益、截止頻率測量

用特定放大電路進行測試，特定放大電路如圖12所示。

圖12 測試用放大電路

其中輸入信號頻率1kHz，峰峰值20mV，測試其各項輸入輸出指標(biāo)，如表1所示。

表1 測試結(jié)果匯總

由表1得，輸入電阻、輸出電阻、增益、截止頻率的測量誤差都在3%～10%之間，均小于10%，測量精度較高。

2.2 故障檢測

用圖12所示電路進行故障檢測，故障檢測包括各電阻短路、開路以及各電容開路、加倍一共14種情況，對每一種故障情況進行檢測，都準(zhǔn)確檢測出故障情況，檢測正確率達到100%。

2.3 失真情況檢測

綜合運用THD、最大值點數(shù)、最小值點數(shù)、中間值點數(shù)，對無明顯失真、頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真分別進行檢測，其中無明顯失真檢測準(zhǔn)確率達100%，其他四種情況檢測準(zhǔn)確率達到90%，檢測準(zhǔn)確率較高，其中，后四種失真情況由于電壓不穩(wěn)定等特殊情況會出現(xiàn)小概率的檢測出錯。

3 結(jié)論

本文提出了放大電路特性測試裝置的設(shè)計與實現(xiàn)，經(jīng)過實驗測試，能夠測量一般放大器的輸入輸出電阻、增益、截止頻率，精確率均達到95%以上；同時能夠清晰地畫出輸出的波形、放大器的頻率特性；能夠?qū)崿F(xiàn)對故障原因的學(xué)習(xí)與檢測，準(zhǔn)確率達到90%，能夠?qū)W習(xí)與識別大部分的故障原因；同時能夠測量輸出的信號的失真度，并判斷失真情況。通過實驗證明達到了設(shè)計要求。