秦紹明,程登良

(湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰 442002)

0 引言

晶體管或者場(chǎng)管效應(yīng)組成的各類(lèi)基本放大電路是理解電子線路的基礎(chǔ)，對(duì)它的掌握顯得尤為重要[1].在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，測(cè)量基本放大電路特性需要用到各類(lèi)相關(guān)儀器.對(duì)輸入、輸出電阻測(cè)量主要借助數(shù)字萬(wàn)用表，可以獲得電路的電壓特性和輸出直流電壓分量等.對(duì)于電路幅頻特性曲線的測(cè)量，主要是用頻譜儀.對(duì)于電路輸入輸出特性的測(cè)量，主要利用信號(hào)源產(chǎn)生輸入信號(hào)，從示波器上讀出電路的相關(guān)輸入輸出特性曲線[2-3].

傳統(tǒng)的電路特性測(cè)量?jī)x器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在一個(gè)系統(tǒng)中對(duì)電路的多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量.本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103單片機(jī)的簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試系統(tǒng)，以單片機(jī)為核心，輔以信號(hào)處理電路、ADC轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理電路等，不僅可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電路特性測(cè)試，還具有測(cè)量精度高、輸出穩(wěn)定和自動(dòng)故障測(cè)試等優(yōu)點(diǎn).

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試系統(tǒng)選用了高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列芯片作為系統(tǒng)的嵌入式控制單元[4].被測(cè)電路測(cè)試板是虛線框內(nèi)的“分壓式共射極三極管放大電路”，本測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)電路測(cè)試板的“輸入-輸出電阻”的測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其放大電路幅頻特性的測(cè)量，還具備故障診斷功能，能較好實(shí)現(xiàn)電路特性的自動(dòng)化測(cè)試.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示.首先使用“DDS信號(hào)發(fā)生器”中的AD9851產(chǎn)生相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)，送往“輸入信號(hào)處理及采集”模塊，將信號(hào)進(jìn)行放大或衰減等預(yù)處理后得到Vi[5]，輸入到給定的被測(cè)電路測(cè)試板.測(cè)試板輸出響應(yīng)信號(hào)Vo，經(jīng)“輸出信號(hào)處理及采集”模塊，使用儀表放大器和OP放大器設(shè)計(jì)信號(hào)采集處理電路進(jìn)行處理后，在“AD模數(shù)轉(zhuǎn)換”模塊利用AD7324對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便單片機(jī)讀取各個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電壓數(shù)據(jù)的處理和分析，并將信號(hào)處理結(jié)果使用LCD顯示屏顯示.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Overall system design block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 輸入阻抗測(cè)試電路

根據(jù)對(duì)被測(cè)電路板的理論分析和實(shí)際測(cè)量，輸入信號(hào)不能超過(guò)30 mV峰峰值，否則輸出信號(hào)會(huì)嚴(yán)重失真.放大電路的增益為138，輸出信號(hào)峰值最大為9.7 V.輸入阻抗檢測(cè)電路如圖2所示.

圖2 輸入阻抗檢測(cè)電路Fig.2 Input impedance detection circuit

將通過(guò)AD轉(zhuǎn)換后的電壓值定義為ch0,ch1,ch2,ch3.實(shí)際測(cè)量精密儀表運(yùn)放AD8428的增益系數(shù)為2023.8，因此實(shí)際輸入信號(hào)的被采樣電阻R6分壓得到的電壓V1的電壓峰值為：

(1)

同理，實(shí)際輸入到被測(cè)電路板的正弦波信號(hào)經(jīng)由兩級(jí)TL082組成的增益為102.36倍的同相放大電路后放大為CH1，被AD轉(zhuǎn)換成ch1，即V2的電壓峰值：

(2)

由兩者分壓關(guān)系可得輸入阻抗：

(3)

式(3)中，Ri為電路的輸入阻抗.

2.2 輸出檢測(cè)電路和均方根檢測(cè)電路

因被測(cè)電路板的輸出信號(hào)Vout經(jīng)過(guò)THS4211進(jìn)行信號(hào)跟隨得到的CH2點(diǎn)的信號(hào)含有直流信號(hào)，可用于測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)，所以測(cè)量輸出阻抗R0時(shí)，需要對(duì)經(jīng)AD637后再被均方根處理的CH點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行兩次測(cè)量.第一次測(cè)量時(shí)繼電器K1斷開(kāi)，被測(cè)電路板輸出信號(hào)無(wú)負(fù)載時(shí)的輸出信號(hào)幅度，測(cè)得電壓轉(zhuǎn)換值為V3；第二次測(cè)量時(shí)K1閉合，測(cè)量電路接入阻值為2 KΩ的負(fù)載R20時(shí)的輸出信號(hào)幅度，得到第二次測(cè)量CH3的電壓轉(zhuǎn)換值為V4.均方根檢測(cè)電路如圖3所示.

圖3 均方根檢測(cè)電路Fig.3 Root mean square detection circuit

CH3點(diǎn)的信號(hào)經(jīng)過(guò)隔直處理和均方根轉(zhuǎn)換，輸出的信號(hào)是被測(cè)電路交流信號(hào)有效峰峰值，輸出信號(hào)檢測(cè)電路如圖4所示.由V3和V4推導(dǎo)得輸出電阻R0:

(4)

圖4 輸出阻抗檢測(cè)電路Fig.4 Output impedance detection circuit

輸出信號(hào)峰值：

(5)

因?yàn)檩斎腚妷篣1=V2,U0=V3,由放大電路電壓增益定義得增益系數(shù)為：

(6)

對(duì)應(yīng)測(cè)得的ADC測(cè)量值推導(dǎo)出增益為：

(7)

2.3 系統(tǒng)電源模塊

簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試系統(tǒng)中不同的模塊需要用到±12 V、±5 V、+3.3 V五相電源，微控制器通過(guò)程序管理協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)各部分的電源供給，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，且系統(tǒng)中有小到微伏級(jí)的信號(hào)需要處理，必須保證電源供電穩(wěn)定性高且紋波極小.為滿足供電要求，設(shè)計(jì)了線性穩(wěn)壓電源電路[6-7]，如圖5所示.

圖5 線性穩(wěn)壓電源電路Fig.5 Linear regulated power supply circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體程序設(shè)計(jì)框架

簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試系統(tǒng)整體程序設(shè)計(jì)框架如圖6所示，主要包含電路特性測(cè)量、幅頻特性測(cè)量和電路故障診斷三個(gè)功能模塊以及對(duì)應(yīng)的ADC數(shù)據(jù)采集和算法處理.

3.2 電路特性測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

電路特性測(cè)量軟件設(shè)計(jì)如圖7所示.驅(qū)動(dòng)DDS模塊產(chǎn)生1 kHZ的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)電路處理后，再用AD7324對(duì)ch0,ch1,ch2,ch3這四個(gè)點(diǎn)的電壓進(jìn)行采集與ADC轉(zhuǎn)換.通過(guò)多次采集和數(shù)字信號(hào)濾波處理，得到輸入和輸出阻抗.

圖6 系統(tǒng)整體程序設(shè)計(jì)框架Fig.6 Framework of overall system programming design圖7 電路特性測(cè)量軟件設(shè)計(jì)Fig.7 Design of circuit characteristic measurement software

3.3 幅頻特性測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

使用函數(shù)發(fā)生器和示波器對(duì)被測(cè)電路進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)試板的上限頻率在125 KHz至128 KHz之間，所以在進(jìn)行掃頻時(shí)，選擇輸出幅度固定不變，在0 Hz到1 MHz范圍內(nèi)，以對(duì)數(shù)步進(jìn)的方式增加輸出的頻率進(jìn)行第一輪掃描.對(duì)第一次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐次對(duì)比，找出峰峰值最大點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的頻率，以此頻率作為電路通頻帶的中心頻率.并求出電路輸入頻率增加時(shí)，輸出幅度衰減到-3 dB點(diǎn)的可能區(qū)間，在此區(qū)間進(jìn)行第二輪掃描，找到上限頻率點(diǎn).測(cè)試流程如圖8所示.

圖8 幅頻特性測(cè)量軟件設(shè)計(jì)Fig.8 Software design of amplitude frequency characteristic measurement

3.4 電路故障診斷軟件設(shè)計(jì)

電路故障診斷軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示.對(duì)于被測(cè)電路中的電子元件，電阻R1和R2的變化會(huì)影響輸入阻抗及電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，因此可以通過(guò)測(cè)量這兩個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)R1和R2是否存在故障.R3的變化會(huì)直接影響電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，輸出阻抗和增益，因此可以通過(guò)測(cè)量這三個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)R3是否存在故障.R4在交流狀態(tài)下是被電容C3短路的，但R4的變化會(huì)影響電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和輸入阻抗.在電容C1斷開(kāi)時(shí)，電路無(wú)輸出信號(hào)，即取樣電阻R6沒(méi)有信號(hào)通過(guò)，此時(shí)AD8428儀表放大器差分放大輸出無(wú)限接近0.而電容C2容值變化時(shí)，將直接影響電路的輸入阻抗和交流增益系數(shù).但由于C3只對(duì)電路的上限頻率有較大影響，其容值變化對(duì)被測(cè)電路的信號(hào)輸出不會(huì)有明顯的影響，所以需要通過(guò)測(cè)量幅頻特性變化來(lái)判斷其是否存在故障.

圖9 故障診斷軟件設(shè)計(jì)流程Fig.9 Flow of fault diagnosis software design

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)論

4.1 電路特性測(cè)量

改變R1,R2,R3,R4的阻值，進(jìn)而改變電路的輸入、輸出阻抗和電路增益.通過(guò)對(duì)比理論計(jì)算數(shù)值和測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，得到輸入、輸出電阻測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示.通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，測(cè)量值與理論值的誤差在1.5%以?xún)?nèi)，具備良好的準(zhǔn)確性.電路增益的測(cè)量值與理論值誤差都在3%至3.5%之內(nèi)，可以確定雖然理論增益與實(shí)際增益偏差較大，但其偏差是線性的.電路增益測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示.

4.2 幅頻特性測(cè)量

控制DDS產(chǎn)生掃頻信號(hào)對(duì)被測(cè)電路板進(jìn)行掃頻測(cè)試得到的數(shù)據(jù)如表3所示.數(shù)據(jù)可以通過(guò)串口傳遞到電腦上進(jìn)行記錄分析，還可以通過(guò)單片機(jī)處理形成幅頻特性曲線在LCD屏上顯示.

4.3 故障診斷測(cè)量

改變各器件的數(shù)值，產(chǎn)生相應(yīng)的“故障”用于診斷測(cè)試.故障診斷記錄如表4所示，“√”表示能正確診斷并把準(zhǔn)確的故障點(diǎn)打印出來(lái)，“×”表示未能正確診斷出故障.從測(cè)試記錄看，故障診出率為95%，能夠在1.34 s內(nèi)快速完成診斷響應(yīng).

表4 故障診斷表Tab.4 Fault diagnosis table

5 結(jié)論

基于STM32單片機(jī)控制的簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電路特性和幅頻特性測(cè)量，以及電路故障的診斷，實(shí)現(xiàn)了電路測(cè)量工具的集成，提高了測(cè)量效率.對(duì)輸出電阻的測(cè)量誤差可控制在1.5%以?xún)?nèi)，電路增益的誤差可控制在3%至3.5%之內(nèi)，故障診斷效率達(dá)95%以上，比較傳統(tǒng)電路測(cè)試儀而言，整體性能優(yōu)良.