基于STM32的简易电路测试仪的设计

吴坤洋 吴广栋 高鉴

摘 要：

以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的第三代 EDA 工具为依托，以实现复杂电路内部故障原因的诊断为目的，提出了基于STM32单片机的简易电路测试仪。测试仪通过AD采集获得计算所需的电压数值，转换为电路参量后判断故障原因。主控板采用 STM32F103ZET6，实现整个电路的控制。该测试仪可以对故障电路进行单一故障的诊断。应用了电压跟随器，使电路性能保持稳定。与人工检测相比，该设计具有灵活可控、可靠性高、智能诊断等优点。

关键词：

测试计量技术及仪器; 智能仪器仪表; STM32; 故障检测

中图分类号： TM 392

文献标志码： A

Design of Simple Circuit Tester Based on STM32

WU Kunyang， WU Guangdong， GAO Jian

（College of Instrumentation & Electrical Engineering， Jilin University， Changchun， Jilin  130012， China）

Abstract：

Based on the third generation electronic design automation （ EDA ） tools that are characterized by a high -level language description， system level simulation and synthesis technology， in order to realize the diagnosis of internal faults of complex circuits， a simple circuit tester based on STM32 is proposed. The tester acquires the voltage value required for calculation through AD acquisition， converts the voltage value into circuit parameters， and judges the cause of the fault. STM32F103ZET6 is adopted as the master panel to control the whole circuit. The tester can diagnose a single fault of the faulty circuit and uses a voltage follower to keep the circuit performance stable. Compared with the manual detection， the design is of flexible control， high reliability and intelligent diagnosis etc.

Key words：

testing and measuring techniques and instruments; intelligent instrumentation; STM32; fault detection

0 引言

随着大型仪器的普及，许多仪器的内部电路越发复杂。电路故障的诊断难度也随着电路复杂度的提高而增加[1]。为了简化复杂电路的判断过程，笔者设计了一款简易电路测试仪。先通过理论分析，判断出各个故障带来的电路参量的变化情况，并以此为依据对电路故障原因进行诊断。

1 方案设计与论证

1.1 信号源的论证与选择

方案一：模拟正弦波LC振荡电路。借助文氏桥电路组成正弦波振荡电路，使用分立元件搭建虽然制作简单，但不便于调试，频率稳定度较差，失真度较高，难以达到高精度调节，也不能滿足扫频所需要的快速频率调节要求。

方案二：AD9910集成芯片。AD9910作为DDS芯片，内置14位DAC，具有1GSPS的高采样率，频率分辨率低于0.23 Hz，频率变化速度极快，且能够实现程控电压幅度输出。

在实际测试中，方案一由于反馈电压取自电容的两端，它对高次谐波的阻抗大，反馈也强，因此在输出波形中含有较多的高次谐波成份，电路频率的平均稳定度[2]约为66 Hz/h，输出波形不理想。方案二则能实现高速的大范围扫频，且频率平均稳定度为8 Hz/h，故选方案二。

1.2 双端电压调理模块的论证与选择

方案一：CMOS模拟开关和TPS54062DGKR有源降压芯片。CMOS模拟开关作为一种可控开关，有开关速度快、功耗低、寿命长等特点，但是不能工作在电压或者信号幅值较大的场合，容易损坏，且需额外增加程序模块进行控制。TPS芯片有着极大的电压转化范围，体积小、功耗低、集成度很高，但是内部转化的函数关系不明确，会给后期的数据处理带来困难。

方案二：电磁继电器和无源降压模块。电磁继电器作为十分常用的开关控制组件，能够适应大电压、大电流的工作场合，控制方便，易于操作，但开关速度较慢、寿命相对较短。无源降压模块在本次方案设计中主要由电阻构成，利用电阻的分压原理将高电压降低到主控制器能够采集的范围，其转化关系十分明确，但转化范围相对有限。

综合比较，考虑到实际设计中对于开关转换速度和元件寿命的要求并不高，电磁继电器30 ms的转换速度以及10万次的触点寿命满足设计要求。且被测电路输出信号幅值接近15 V，远低于电磁继电器耐受电压，再考虑数据的后期处理以及成本等因素，选择方案二。

1.3 电压采集与处理装置的论证与选择

方案一：FPGA采集和STM32处理与显示。FPGA工作频率极高，作为前端电路进行信号采集时具有高速度的特点，但是受内部逻辑门阵列的数量限制，其数字处理的能力有限，而STM32F103ZET6作为功能强劲的MCU，具有很强的数据处理能力和良好的人机交互功能，故FPGA结合STM32进行数字处理与显示可以同时兼顾二者的优点。

方案二：利用STM32进行信号采集、数据处理与显示。STM32F103ZET6自身拥有3个ADC通道，这些ADC可以独立使用，也可以使用双重/三重ADC采样模式自行采集模拟信号并实现模数转换，但是速度较慢，采样频率较低。

虽然方案一在工作频率方面更有优势，但由于设计指标中对于信号采集速度的要求在2秒以内，STM32的ADC模块完全可以达到要求，且免除了FPGA结合STM32时需要用到的SPI通信模块，在系统设计上相对简单，更容易实现。本着系统设计精简有效以及成本尽可能降低的原则，选择方案二。

2 系统理论分析与计算

2.1 信号发生器部分理论分析

信号源发生的正弦波由DDS生成。DDS相位累加器的输出为线性增加的阶梯信号，经波形查询表后将相位信息转化成相应的正弦波幅度信息，经数模转换器后输出近似正弦波的波形，最后经过低通滤波器滤除量化噪声，得到平滑正弦波[3]。正弦波频率为

fout=k·fc/2N

（1）

其中fout为DDS输出频率，k为二进制控制频率字，fc为内部参考时钟频率，N为相位累加器长度[4]。

2.2 双端电压调理部分理论分析

如果信号源的输出过大，经过放大器放大后会发生失真现象，经过测试，信号源的输出为10 mV左右即可，但STM32在采集小信号时存在一定误差，故将信号源输出调至500 mV，之后经过一个阻值较大的分压电路分出10 mV的小信号输入给被测电路。另外， STM32的所能够采集的电压最大不超过3.3 V，故测量输出部分也需要采用电阻分压电路，但若直接采用电阻分压电路，会引入负载效应，导致测量结果不精确，因此需要在电阻分压电路前加上一个电压跟随器，减小负载效应带来的影响。

2.3 测试电路理论分析

测试电路仿真电路，如图1所示。运用模电所学小信号模型进行理论推演，并结合Multisim软件进行仿真我们得到了被测电路的输入电阻（约为1.2千欧姆）、输出电阻（约为2千欧姆）及增益（约为30），如式（1）—式（3）。

3 电路与程序设计

3.1 系统总体框图

系统总体框图，如图2所示。

3.2 输入端信号调理电路的设计

在前期理论分析和后期的综合调试过程中，我们发现DDS产生的正弦波信号带有较高的直流偏置，同时由于正弦波信号幅值较小，周围环境的噪声对其干扰也较严重，故此，我们在被测电路输入端（即测试仪器输出端）添加了图3中的信号调理电路，通过前端的RLC带通滤波电路滤去输入信号中的高频干扰和直流分量，同时为了增大信噪比，我们采用了生成较大幅值信号并采样而后降压输入的方式，如图3所示。

3.3 输出端信号调理电路的设计

在理论分析过程中，通过对放大电路的仿真测试发现放大电路输出信号幅值过大，超过了STM32电压采集0～3.3 V的范围，故设置了电阻分压模块来进行等比例降压，同时为了减小该模块对原放大电路输出电阻的影响，添加了UA741运算放大器组成的电压跟随器。输出端信号调理电路，如图4所示。

3.4 程序设计

程序分为电路参数测试模块、幅频特性测试模块和故障判断模块三大模块。

首先启动电路测试模块。该模块有两大电路，分别对输入电阻和输出电阻进行测量。我们通过单片机输出高低电平控制继电器开关以切换两个测量电路，再根据分压原理分别求得输入电阻和输出电阻的阻值，并将数据显示在屏幕上。

随后幅频特性测试模块开始工作。首先给予被测電路稳定的电压，再通过DDS模块输出1 HZ-1 MHZ的正弦波，主控板通过采集固定频率点位的输出电压并加以处理得到幅频特性曲线。

将数据采集完成后，启动故障判断模块。依次将输出电压、输入电阻和输出电阻3个数据与给定阈值加以比对，并分析幅频特性曲线采样点位的数据是否与测试电路预期曲线点位一致。综合以上分析结果，单片机通过给定程序判断出电路故障原因将结果显示在屏幕上。

4 测试

4.1 电路搭建

由DDS产生的高速扫频信号接入输入端信号调理电路输入至被测黑箱电路双端输入端，黑箱输出端接入输出端调理电路进行降压。单片机对输入输出调理电路进行电压采集，最终将测试结果输出到TFT屏幕上进行显示。实际电路与仿真电路相同。

4.2 测试方案

通过TFT屏实时显示被测放大电路的输入电阻、输出电阻、增益、上限频率等题目要求的电路参数，同步实时显示被测放大电路的幅频特性曲线。

4.3 测试仪器

数字存储示波器GDS-2202A、信号发生器AFG-2225、数字万用表C9807A+、直流稳压电源GPS3303C。

4.4 测试结果

按计算，理论输入电阻为0.973 kΩ，理论输出电阻为2 kΩ，理论增益为38，电路参数测试结果如表2所示。进行故障判断检测，测试六种故障情况，测试结果如表3所示，均判断成功。幅频特性曲线，如图5所示。

结果显示，输入电阻和输出电阻的测量结果都能保持在平均相对误差为4%的范围内，幅频特性曲线显示良好，与理论幅频特性曲线保持高度吻合。

4.5 问题及解决措施

问题一：电压采集过程中STM32测量误差过大。

解决方案：① 给VREF+接入稳定的电压参考：由图6

供电图可知，存在VREF-和VREF+引脚，ADC是由这两个引脚供电。ADC的电压采集范围为：VREF-

1024 ADC 转换，在标称 Vcc=5 V 情况下其 ADC 值是 511; 则AD_value = 2495 / （5000 / 1024）; 再利用 TL431B 的输出基准电压反推实际 VCC 值。[6]

问题二：测试仪器输出端和输入端信号调理电路对被测电路的输入电阻和输出电阻影响较大。解决方案：场效应晶体管跟随器的转移因数接近于1 （ 0.999或更大），且具有很高的输入阻杭（几十到几百 kM），通过电压跟随器减小级间的相互影响，增强电路的稳定性。[7]结合数据处理成功将相对误差减小到5%的范围之内。

5 总结

文中提出了一种基于STM32以及集成运放器件的简易电路测试仪。电路由DDS信号源、双端电压调理模块和电压采集与處理装置等器件组成，价格低廉，简单可靠，且易于实现。实验结果与理论分析及仿真结果一致，验证了所设计仪器的可行性，为电测仪表等领域快速实现故障检测提供了一种简易可行的方案。

参考文献

[1] 杨银堂. 现代半导体集成电路[M]. 北京：电子工业出版社，2009.

[2] 叶树亮，李东升.改进型高稳定度LC振荡电路的研究[J].中国计量学院学报，2003（3）：12-15.

[3] 包玉树，叶加星，程健林，等.输变电一次设备试验器具环境电磁兼容评价系统研究[J].微型电脑应用，2016，32（5）：50-52.

[4] 张林行，尚小虎，赵美聪，等.一种基于FPGA的DDS信号源实现[J].微型电脑应用，2015，31（12）：16-18.

[5] 康华光. 电子技术基础？模拟部分 [M]. （第六版）. 北京：高等教育出版社，2006.

[6] 侯志伟，包理群.基于STM32的多重ADC采样技术研究与应用[J].工业仪表与自动化装置，2019（3）：28-32.

[7] 谢直山，何自成.测量设备中的电压跟随器[J].电测与仪表，1981（1）：30-34.

（收稿日期： 2019.07.28）