基于DDS的BJT放大器特性测试系统的设计

石梦航　黄松

摘  要： 由BJT构成的放大器电路目前广泛应用于各类电子电路，而输入、输出电阻，增益，截止频率，幅频特性等作为BJT放大器的重要性能指标，对电路特性的测量和工作状况的判断具有重要意义。本文设计了一种基于STM32和DDS的BJT放大器特性测试系统，其中包括硬件电路搭建和软件设计。系统通过按键实现多种测量模式的切换，利用采样电路完成数据采集，通过STM32进行数据处理并将相应性能指标参数显示在OLED上。测试结果证明，在误差允许范围内系统实现了对BJT放大器电路特性的有效自动测量。

关键词： 放大器电路;直接数字式频率合成器;性能指标

中图分类号： TP23    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.002

【Abstract】： Input resistance， output resistance， gain， cut-off frequency and amplitude-frequency characteristic are used to understand the important performance indicators of BJT amplifier， which is of great significance to the measurement of circuit characteristics and the judgment of working conditions. On that basis， a BJT amplifier characteristic test system based on STM32 and DDS is designed， including hardware circuit and software design. The switch of virous measurement modes is realized by pressing the button. The voltage collection is completed by the input and output voltage sampling circuit and the data is processed through STM32 and the relevant information is displayed on the OLED screen. The experiment and test results show that the device can automatically test the circuit characteristics of BJT amplifier.

【Key words】： Amplifier circuit; Direct digital synthesizer; Performance index

0  引言

由双极结型晶体管构成的放大器电路广泛应用于各种仪器仪表[1]，其输入、输出电阻，增益，截止频率等各项参数指标的测量在工程应用中具有重要意义[2]。然而传统的测量方法必须同时借助示波器等多种测试仪器进行反复测量和理论计算，成本较高且过程繁琐。因此，设计能够自动测量放大器各项性能指标的测试系统对简化测量过程，提高检测效率具有重要意义。本文设计的基于DDS的BJT放大器特性测试系统，能够通过外接端口对BJT放

大电路的电路特性进行有效自动测量。

1  系统硬件设计

1.1  系统方案

系统硬件采用模块化设计[3]，其硬件结构主要包括STM32单片机模块，DDS信号发生模块[4]、输入电压采样模块、输出电压采样模块、电源模块[5]。系统通过按键进行模式选择后，由STM32控制DDS输出测试信号，同时采集由采样模块反馈的数据，将数据进行相关处理后得到相应性能指标，并直接通过OLED显示。电路特性测试系统框图如图1所示。

1.2  DDS信號发生模块

该模块由以AD9833芯片为核心的信号发生电路及信号调理电路[6]构成，如图2。信号发生部分可受STM32控制输出带宽为1 kHz～200 kHz且有效值稳定在500 mV左右的正弦波信号。考虑测量放大电路的电路特性对输入信号的特殊要求，故需要设计调理电路对初始正弦波信号进行电压调理。调理电路通过电压放大电路和电压跟随电路将初始正弦

波信号电压有效值缩小至10 mV左右。

1.3  输入电压采样模块

如图3，该模块用于测量待测放大电路前端串联的1 kΩ分压电阻R1两端的电压信号。

利用电压跟随电路和减法电路得到两端电压，为实现测量准确性，经由比例运算电路将放大5倍。由于STM32单片机端口输入电压范围为0 V～3.3 V，不能接受负电压，因此需对放大后的交流电压5附加1.56 V的直流偏置以便测量。在测量放大电路输入电阻时，利用DDS信号发生模块输出的电压有效值以及该电压采样模块所采集的分压电阻电压有效值即可由分压原理计算得出放大电路的输入电阻[7]即：

1.4  输出电压采样模块

该模块由以AD637芯片[8]为核心的运算电路和输出电压直流采样电路组成，如图4。

受测放大电路输出端口通过由STM32控制的继电器与输出电压采样模块相连，运算电路可计算并输出电压交流有效值，直流采样电路可测量电压直流偏置大小。在测量放大电路输出电阻时，STM32通过继电器开关控制分压电阻是否串入采样电路。利用运算电路分别采样串入电路与断开时交流输出有效值和即可計算得出放大电路输出电阻Ro即：

2  系统软件设计

测试系统软件结构采用模块化设计[9]，主体框架包含主程序模块，模式选择模块，电路特性检测模块[10]。其中电路特性检测模块包含DDS配置模块、输入输出电阻测量及增益计算模块、频幅特性测量模块。

2.1  主程序模块

当测试系统接通电源时，首先对系统进行初始化，随后主程序不断循环执行模式选择和电路特性检测这两个模块，如图5所示。

2.2  模式选择模块

模式选择流程如图6所示。进入模式选择后首先判断运行标志位，即此时是否有其他工作未完成。若运行标志位为0则结束模式选择，若为1则继续进行模式选择按键判断。程序循环扫描判断按键状态，进行相应模式选择和标志位操作。

2.3  电路特性检测模块

经模式选择后，系统进入相应模式工作，分别为测量放大器输入电阻、输出电阻、放大器在特定输入频率下的增益和放大器的频幅特性。每个模式均通过不同模块完成，且模块之间进行相应隔离以减少电磁干扰。

2.3.1  输入电阻测量模块

若按下按键一，则程序进入输入电阻测量模块，如图7。由DDS信号发生模块输出频率为1 kHz的正弦波，输入电压采样模块取得电压并计算放大电路输入电压有效值。由串联电阻分压原理计算放大电路输入电阻，最终测量结果显示在OLED上[11]。最终清除运行标志位和模式一标志位并关闭信号发生模块的输出，结束此模块。

2.3.2  输出电阻测量模块

若按下按键二，则程序进入输出电阻测量模块，如图8。由STM32控制DDS信号发生模块输出频率为1 kHz的正弦波并依次打开、关闭电磁继电   器[12]，通过有效值运算电路分别取得输出电压有效值和。利用和求出放大器输出电阻并在OLED上显示，最后清除运行标志位和模式二标志位并关闭信号发生模块的输出，结束此模块。

2.3.3  增益测量模块

若按下按键三，则程序进入增益测量模块，如图9。进入模块后首先控制DDS信号发生模块输出1 kHz正弦波，此后分别多次采样得出输入和输出电压有效值的平均值，以此计算得出放大器此时的增益并在OLED屏幕上显示。最后清除运行标志位和模式三标志位并关闭信号发生模块的输出，结束此模块。

2.3.4  频幅特性测量模块

若按下按键四，则程序进入频幅特性测量模块，如图10。基于测量电路频率特性的扫频法[13]，此时DDS信号发生模块输出的正弦波将按照频率数组Fre[ ]中储存的频率数值进行不等幅扫频，直至扫完所存所有频率值。每次扫频时均将对放大器输入、输出电压进行多次采样并分别取其平均值，以此求得该频率下放大器的增益并将数值存入增益数组。同时在OLED屏幕上以频率为横坐标，增益为纵坐标描点。扫频结束后通过递归算法寻找增益最大值，并找出数组两端与其3dB减小后最接近的两个增益值F_U、F_D。而后在频率数组Fre[ ]中找到与F_U、F_D相对应的频率数值作为该放大器的上下限截止频率，并在OLED屏幕上显示。最后清零运行标志位和模式四标志位，结束此模块。

3  实验验证

如图11所示为本测试系统对应的放大器测试電路。

使用测试系统测量该BJT放大电路的各项特性。如图12a，图12b，图12c，图12d所示分别为所测得该测试电路输入电阻、输出电阻、增益、上限截止频率及幅频特性曲线。

如表1所示，测试结果表明在一定误差允许范围内，该测试系统能够较为精准地测量放大电路输入、输出电阻，增益以及上限截止频率，同时能够较为精准地描绘测试放大电路的幅频特性曲线，符合设计要求。

4  结束语

本文设计了基于DDS的BJT放大器特性测试系统，并搭建了相应测试电路。实验测试结果表明，在较小误差范围内，系统能够较高精度自动测量放大电路的输入、输出电阻，增益，上限截止频率并绘制其幅频特性曲线，直接显示在OLED上。与传统测量方法相比，该测试系统具有高精度、智能化、易操作等优点，满足工程测量的需求。

参考文献

李玉玺. 三极管放大电路在汽车中的应用[J]. 电子技术与软件工程， 2017（13）： 243-244.

康华光. 模拟电子电路基础[M]. 北京： 高等教育出版社， 2014.

陈鑫. 软硬件集成过程输出的评审分析方法[J]. 软件， 2018， 39（05）： 101-105.

孙超， 林占江. 基于DDS的雷达任意波形信号源的研究[J]. 电子测量与仪器学报， 2008（02）： 31-36.

张娟荣. 基于protel99SE的单相直流稳压电源的仿真教学实践[J]. 软件， 2018， 39（07）： 121-123.

邓月. X光信号采集模块的设计与实现[J]. 软件， 2013， 34（08）： 88-91+107.

见其拓. 某导弹便携式通用测试系统研制[D]. 哈尔滨工业大学， 2014.

陈仁伟， 朱长青， 岳夕彪. 高准确度有效值转换电路的设计与实现[J]. 电子测量技术， 2010， 33（06）： 20-22+26.

丁月林. 基于STM32的低功耗温湿度采集器实现[J]. 软件， 2015， 36（05）： 84-88.

刘火良， 杨森. STM32库开发实战指南[M]. 北京： 机械工业出版社， 2013.

郑中华， 柳煌达， 项凯， 林章达， 熊建辉. 嵌入式智能云签到系统的设计与实现[J]. 软件， 2018， 39（11）： 21-25.

张乾， 王飞， 杜向阳. 基于STM32的雨水发电测量装置设计[J]. 软件， 2019， 40（05）： 93-97.

郭伟然， 刘耀， 汤勇明. 基于FPGA的频率特性测试仪的设计[J]. 电子器件， 2011， 34（06）： 713-717.