基于MSP430F149 的电路特性测试仪设计

张亚周，孙艳丽，任博琳

（1.海军航空大学 航空基础学院，山东 烟台 264001；2.海军航空大学 学员4 队，山东 烟台 264001）

如今的测量仪器在处理数据时的实时性和准确性难以兼顾，数据量较大时难以反映电路特性参数和稳定的测量指标[1-3]。该文针对电路检测中的常见问题，以MSP430F149 单片机为控制和数据处理核心，设计一个用来测量特定放大电路性能并能判断该放大器由于元器件变化而引起故障原因的简易电路特性测试仪，将电路的Multisim 仿真结果和实际仪器测量结果进行对比，绝对误差在5%以内，验证了该方案的有效性和可行性。

1 系统设计方案

该系统以MSP430F149 单片机为控制和数据处理核心。信号源模块采用直接数字合成法（DDS），该方法采用AD9834 DDS 芯片不仅可以产生不同频率的稳定正弦波，还可以控制幅值大小，频率分辨率高，易于控制，电路简单易行[4-6]。

系统设计框图如图1 所示，MSP430F149 控制AD9834 发出特定频率和电压的正弦波信号，信号经放大器电路放大后通过AD637 模块输出直流信号，ADC 模块采样后再经过MSP430F149 进行信号处理，处理结果显示在液晶显示屏上。

图1 系统设计框图

2 理论分析与计算

2.1 总体原理分析

给定电路如图2 所示，该电路是一个分压式偏置放大电路，它的输入电阻、输出电阻、电压增益和幅频特性等基本性能，可由放大电路输入端的电压和输出端的电压根据特定的公式来分析计算。故障检测时，将故障时的输入信号、输出信号与正常值进行比较，判断故障原因。这就需要对各类故障进行梳理归类，通过Multisim 仿真，建立一个故障库，通过遍历故障库来排查电路存在的故障及原因[7-9]。

图2 被测电路仿真图

2.2 动态参数的理论分析

1）输入电阻测量

输入电阻测量示意图如图3 所示，R为已知的外接电阻，测出测试仪输入端电压Vi，测试电压源输出电压Vs（DDS 直接输出或经运放电路缩小），则输入电阻[10]如式（1）：

图3 输入电阻测量示意图

2）输出电阻测量

输出电阻测量示意图如图4 所示，设放大器输出电阻为Ro，其空载输出正弦电压的有效值为Uo；再加阻值为RL的负载，测量输出正弦电压的有效值变为UL，则根据电阻串联分压原理有RL/(Ro+RL)×Uo=UL，由此计算Ro=(Uo/UL-1)RL，需要采用一个继电器控制负载电阻RL是否接入[11]。

图4 输出电阻测量示意图

3）电压增益

电压增益是衡量放大电路放大能力的指标，是输出电压Uo与输入电压Ui之比，记作

2.3 Multisim软件仿真结果验证

在面包板上搭建图2 所示放大器电路的实际电路，利用信号发生器输出频率为1 kHz 的正弦波信号，并在20～40 mV 之间变化，将其连接到放大器电路的输入端，测量其输入电阻、输出电阻以及增益，将理论值与Multisim 软件仿真结果进行对比，进而验证Multisim 软件仿真结果是否正确。经计算，电阻相对误差的绝对值不超过2%，电容相对误差的绝对值不超过10%，如表1 和表2 所示。

表1 电阻的相对误差

表2 电容的相对误差

实际电路放大器参数测试结果如表3 所示。利用Multisim 搭建电路进行仿真，得到的仿真结果如表4所示。把实际放大器电路实验的结果与Multisim搭建电路仿真结果进行对比，可以认为Multisim 的仿真结果可以模拟实际电路。

表3 实际电路放大器参数测试结果

表4 Multisim搭建电路仿真结果

3 系统软件设计分析

3.1 主要模块程序设计

该测试仪共用一个MSP430F149 单片机，作为信号输出控制端和信号接收处理端。信号输出端通过对AD9834 的设置，实现信号输出，并在12864 液晶屏上显示交互界面，进行频率模式选择以及参数显示。在扫频模式中，通过单片机内部时钟控制，使DDS 扫频更新与接收端的AD 采样同步进行[13-14]。信号接收端将采集的数据经过平滑滤波，对其进行解析并保存，最后将其显示在液晶屏上。其流程图如图5 所示。

图5 软件设计流程图

3.2 程序设计

通过人机交互测试输入电阻、输出电阻、放大倍数、幅频特性、故障诊断，在测试输入电阻、输出电阻及放大倍数时，均主要测试Vi、Vs[15-16]。

故障诊断时，首先由MP430F149 判断输入信号是否为零：

1）当输入为零时，进一步判断输出电压值，各器件对应故障情况如下：

①R1短路：UB=12 V，UE=11.3 V，此时三极管处于饱和状态，因此集电极电压UC=11.6 V ≈VCC，此时输出电压值接近

②R2短路：UB=0，三极管截止，UC=VCC。

③C1开路，此时输出电压值位于7～8.5 V 之间。

2）若输入信号不为零，判断有无输出信号，若输出为零，说明C3断路。

3）若输入输出信号都不为零，则通过判断输出电压值与输入电阻值进一步确定故障点：

①若输出电压有效值小于11 V，根据输出电压有效值判断故障点：

a.R2开路：对于分压偏执电路，分析时近似认为流过R2的电流远远大于基级电流IB，R2开路后，原来流过R2的电流不得不流过基级，而三极管的基级电流受电流增益的限制，其值通常较小，这就导致R1的压降减小，从而使得基级电位升高，导致集电结正偏，使三极管进入饱和状态，此时输出电压有效值为4～4.5 V。

b.R3开路：R3开路后，集电极电流IC=0，输出电压约为150～250 mV。

c.C2开路：此时输出电压值位于7～8.5 V 之间，输入电阻Ri=9～11 kΩ。

②若输出电压有效值大于11 V，进一步结合输入电阻值判断故障点：

a.R1开路：当R1开路时，基级电流IB=0，此时三极管截止，则IC=0，因此R3上无压降，因此集电极电位UC=VCC，对应输入电阻值Ri=14～16 kΩ。

b.R3短路：此时集电极电位UC=VCC，对应输入电阻值Ri=2～3 kΩ。

c.R4开路：R4开路后，发射极与地之间断开，电流IE=0，因此集电极电流IC=0，电阻上没有压降，集电极电位UC=VCC，输入电阻值Ri=10～12 kΩ。

具体过程如图6 所示。

图6 故障检测树状图

4 测试结果

4.1 动态参数测量

主要测量输入电阻、输出电阻及电压增益3 个参数。电路特性测试仪输出频率为1 kHz，有效值为30 mV 正弦波信号时，自动测量的输入电阻值、输出电阻值及放大电路电压增益测试与实际电路测试的结果如表5 所示。

表5 动态参数测量结果对比

4.2 故障诊断

1）电路故障。任意开路或短路R1～R4中的一个电阻，电路特性测试仪能够判断并显示故障原因。

2）电容故障。开路C1～C3中的一个电容，电路特性测试仪可判断并显示故障原因。

两者故障实测结果如表6 所示。

表6 电阻、电容故障实测结果

5 结束语

该测试仪采用MSP430F149 单片机作为中央处理器,使用AD9834、AD637 和LCD 显示模块等器件完成了放大电路的输入、输出电阻和电压增益的测量，并可以对电路进行故障诊断，经过实际放大电路的检验可知，简易电路特性测试仪的各项判断时间不超过2 s，能够快速准确地给出放大电路的输入、输出电阻及电压增益等参数并显示出来，在电阻发生短路或开路故障或者电容发生开路故障时，该测试仪能够进行准确的故障判断，并通过显示屏显示故障原因。