简易电路特性测试仪的设计

靳涛

（哈尔滨工程大学 黑龙江省哈尔滨市 150001）

本测试仪是以2019年全国大学生电子设计竞赛D 题为原型，实现一套简单的简易电路特性测试仪，该系统应具有信号发生模块，信号检测模块，信号判断处理模块，示波器信号采集模块，以及显示模块等。系统整体模块图如图1 所示。技术难点在于输入信号幅值较大时经过放大器放大会变的更大，难以用ADC 采集和比较，输入信号幅值较小则难以采集，输出电压不固定造成难以通过分压的简单方式测量输入输出阻抗，此外显示幅频特性曲线对于小屏幕也难以操作。

1 方案比较与论证

1.1 整体设计方案选择

1.1.1 单片机的选择

方案一：采用STC89C51 单片机对各个模块进行控制。51 单片机程序设计简单容易入手，价格便宜。但是，51 单片机没有显示屏模块和AD 转化模块，用于本作品的话，还需要额外增加这两个模块，而且用51 单片机实现对这两个模块的控制难度大。

方案二：采用STM32F407 单片机作为系统控制核心。STM32单片机功能强大，附带有显示屏模块和AD 转化模块，可直接通过程序进行控制。

方案选择：考虑到程序设计的难易程度和电路连接的复杂程度，采用方案二。

1.1.2 信号发生模块的选择

方案一：测量输入阻抗，输出阻抗，增益时通过STM32F407单片机的DAC 产生需要的信号，测量幅频特性曲线时通过STM32单片机的PWM 扫频实现，两种波形的切换通过单片机的IO 口的不同电压改变三极管的导通情况控制继电器切换实现。

方案二：采用锁相环间接频率合成方案。锁相环频率合成在一定程度上解决了既要求频率稳定精确、又要求频率在较大范围可调的矛盾。但输出频率易受可变频率范围的影响，输出频率相对较窄。

方案三：选用单片压控函数发生器 MAX038.若将MAX038 输出设置在正弦波模式下，只需要很少的外部原件，就可以 输出高频特性较好、频率范围较宽的正弦波。但由于其为压控型芯片，产生信号 的频率稳定性差、精度低、抗干扰能力不强、灵活性差。

图1：系统整体模块图

图2：系统整体框图

方案选择：三种方案均可进行，但是方案一仅的关键是程序控制单片机运转，对于硬件电路要求较低，本着节省成本的原则，选择方案一。

1.1.3 信号检测模块的选择

方案一：使用以AD637 为核心的检波电路，由AD637 构成的转换电路具有准确度高、稳定性好、频带较宽等特点,无论对失真波形还是非周期波形都可以高准确度测量其有效值，先使用精密检波模块对电路波形的采集与检测转换为有效值，后期再经由模数转换交由主控芯片处理。

方案二：直接通过STM32 单片机的ADC 采集，不需要过于复杂的电路，简单快捷。

方案选择：单片机STM32 主控的ADC 采集具有采集速度快，配套程度高，外围电路简便，程序编写简便，稳定性强的优势，故选择方案二。

1.1.4 射极跟随器模块的选择

方案一：ADA4522-2 为双通道、零漂移、低噪声、低功耗、具有接地检测输入和轨到轨输出的运算放大器，并针对随时间、温度和电压条件变化的总精度进行了优化。这些器件具有宽工作电压和温度范围、高开环增益、极低直流和交流误差，适合在各种应用中放大极小的输入信号并精确再现较大的信号。

方案二：OPA695 是一种高带宽、电流反馈运算放大器，它结合了异常的4300 V/s 旋转速率和低输入电压噪声来提供精确、低成本、高动态范围的中频放大器。优化的高增益操作，OPA695 是理想的缓冲声表面波(SAW)滤波器在中频带，或提供高的输出功率在低失真的电缆调制解调器上行线路驱动器。

表1：检测功能故障分析表

方案选择：综上所述，为了连接两个电路，起到隔离作用，需要输入阻抗高，输出阻抗低，因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强的电路，我们运用了OPA695 运算放大器，做射极跟随器，减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用，以便测量，选择方案二。

1.2 系统整体方案的选择

方案一：由MCU 控制DDS 发出信号，由检波电路检测，模数转换后交由MCU 处理，三极管放大电路配以模拟开关，通过VCA821，加以固定运放检波，模数转换后即可测得。

方案二：由STM32F407 担任电路主控，加以PWM/ADC 切换模块，射随模块，与电源连接的三极管放大电路，再经射随模块，输出电压模块反馈，最后在OLED 屏幕上加以显示，整体电路主要通过程序控制硬件电路完成各项指标任务。

方案选择：方案一中的硬件电路搭建起来较为复杂，成本较高，仿真虽然容易实现，但是各级配合需要考虑到阻抗匹配等因素，不确定性较大，本着省时省力低成本的原则，采用方案二。

1.3 系统整体框图

如图2 所示。

2 理论分析与计算

由模拟电子技术基础理论分析，并在Multisim 上仿真得出输入电阻，输出电阻，增益，幅频特性曲线，具体分析如下：

2.1 输入、输出电阻

2.2 放大器的增益

图3：软件设计流程图

β 范围144-202，Au 范围95-134 计算放大倍数，输入信号Ui=20mVpp，输出信号Uo=2.44Vpp。Au=Uo/Ui=122，模拟结果在理论计算的范围内。

2.3 检测故障功能实现

首先分析电路各元件状态改变时电路参数对应产生的变化：

由表1 可知，在电路中电阻，电容状态发生改变时，电路中特定的物理参数会发生相应的改变，而这些变化是唯一的、互不相同的，基于此种现象，我们可以加以利用作为判断的依据，因此我们在程序中使用了大量的IF 条件函数，对于电路中发生的变化进行检测并设定相应的阈值，设定数据相对于阈值的变化也相应地进行判断，并且根据判断的结果产生相应的字符显示到OLED 屏幕上直观的反映出来。

3 电路与程序设计

3.1 PWM/ADC切换模块

通过单片机的一个io 口控制三极管9013 的通路情况操作继电器控制PWM 和DAC 的输出切换。

3.2 射随模块（100：10缩小）

射极跟随器将交流电流放大，提高整个放大电路的带负载能力，减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用。此外，为缩小输入信号的幅值采用分压的方式减小输入信号幅值。

3.3 待测三极管放大电路

3.4 输出阻抗测量模块

通过单片机的一个io 口控制三极管9013 的通路情况实现2k电阻是否连入电路中，从而利用分压的方式测量输出电阻。

3.5 射随模块（100：33）

射极跟随器将交流电流放大，提高整个放大电路的带负载能力，减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用。此外，为测量输出电压采用分压的方式减小电压。

3.6 输出电压测量模块

利用二极管峰值检测测量峰峰值，利用滤波器测量平均值，从而计算出输出电压。

3.7 软件设计流程图

如图3。

3.8 程序功能描述与设计思路

（1）通过STM32F407 开发板设计程序，实现被测电路的输入输出以及增益和频率特性的测量。

1.按键实现输入输出阻抗和增益，扫频功能，清零复位功能。

2.显示部分，通过液晶显示屏显示出测量值以及频率特性曲线。

（2）程序设计思路。输入输出阻抗部分通过电路测量被测电路的电压电流最终在液晶屏上显示出测量值，频率特性曲线通过扫频来确定。

4 系统测试

4.1 测试仪器及测试方法

4.1.1 测试仪器

电源、示波器、信号发生器。

4.1.2 测试方法

（1）输入、输出电阻测量。测试方法：用示波器测量出放大器电路输入和输出端对地的电压值，再测出输入输出端串联电阻两端的电压，通过欧姆定律计算出输入和输出端的电流值。再通过欧姆定律求得输入、输出电阻。

（2）放大器增益测量。测试方法：将放大器模块单独拿出，输入端接信号发生器，输出端接示波器。令信号源发出频率为1kНz、幅度范围为0-130kНz 的正弦波。观察示波器信号放大后幅值大小。放大器增益Au=Uo/Ui。

（3）幅频特性曲线测试。测试方法：放大器输入端接信号发生器，输出端接示波器。手动调节正弦信号的输出频率，使其从大到小变化。观察示波器上信号幅值的变化，记录一组数据（幅频特性），画出幅频特性曲线。

4.2 误差分析

在测试过程中，发现有许多处地方存在误差。主要有：

（1）在电路连接过程中，电路显示不稳定，存在着波形失真、不稳定等情况，测试存在着误差。

（2）单片机读取数值本身存在着误差，需要对单片机的数值进行校准，单片机测试次数过少也会使得测量存在不稳定性。

（3）连接电路方式多性，测试存在很强的不稳定性，各处不同的连接可能会引起短路、断路等问题，使测量出现错误。

（4）模块在刚开始搭建过程中，未加高低通滤波器，使得测量值存在各种谐波分量，测试结果存在很大误差。

（5）DDS 在产生信号过程中，并非一直稳定，产生不稳定的信号将使得后期测量的结果不稳定。

（6）不同的示波器存在着不同的内阻，且老式示波器无法调节阻抗，部分时候会使得测量得到的信号不能得到完整的测量。

5 结论

通过合理设置电路参数，作品可以较好的实现对输入，输出量的采集，并且可以通过变频等方式检测电路参数变化情况，解决题目要求首先需要对三级管电路的原理进行精确分析，构建其参数方程，通过采样数据求得未知量，还需要充分考虑AD 采样的范围需求，对信号中的交直流量进行合理调整，还要注意对正弦信号的采样位置，尽量避免幅值采样中负电平对采样数据的干扰。