基于STM32的简易电路特性测试系统设计

秦绍明,程登良

(湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北十堰 442002)

0 引言

晶体管或者场管效应组成的各类基本放大电路是理解电子线路的基础，对它的掌握显得尤为重要[1].在实验教学中，测量基本放大电路特性需要用到各类相关仪器.对输入、输出电阻测量主要借助数字万用表，可以获得电路的电压特性和输出直流电压分量等.对于电路幅频特性曲线的测量，主要是用频谱仪.对于电路输入输出特性的测量，主要利用信号源产生输入信号，从示波器上读出电路的相关输入输出特性曲线[2-3].

传统的电路特性测量仪器，无法实现在一个系统中对电路的多个数据进行测量.本文设计了一种基于STM32F103单片机的简易电路特性测试系统，以单片机为核心，辅以信号处理电路、ADC转换器、数据处理电路等，不仅可以实现自动化电路特性测试，还具有测量精度高、输出稳定和自动故障测试等优点.

1 系统总体设计

简易电路特性测试系统选用了高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3内核的STM32F103系列芯片作为系统的嵌入式控制单元[4].被测电路测试板是虚线框内的“分压式共射极三极管放大电路”，本测试系统能够实现对被测电路测试板的“输入-输出电阻”的测量，可以实现对其放大电路幅频特性的测量，还具备故障诊断功能，能较好实现电路特性的自动化测试.系统总体设计框图如图1所示.首先使用“DDS信号发生器”中的AD9851产生相应的标准测试信号，送往“输入信号处理及采集”模块，将信号进行放大或衰减等预处理后得到Vi[5]，输入到给定的被测电路测试板.测试板输出响应信号Vo，经“输出信号处理及采集”模块，使用仪表放大器和OP放大器设计信号采集处理电路进行处理后，在“AD模数转换”模块利用AD7324对信号进行模数转换，以便单片机读取各个采样点的信号，实现对各个电压数据的处理和分析，并将信号处理结果使用LCD显示屏显示.

图1 系统总体设计框图Fig.1 Overall system design block diagram

2 系统硬件设计

2.1 输入阻抗测试电路

根据对被测电路板的理论分析和实际测量，输入信号不能超过30 mV峰峰值，否则输出信号会严重失真.放大电路的增益为138，输出信号峰值最大为9.7 V.输入阻抗检测电路如图2所示.

图2 输入阻抗检测电路Fig.2 Input impedance detection circuit

将通过AD转换后的电压值定义为ch0,ch1,ch2,ch3.实际测量精密仪表运放AD8428的增益系数为2023.8，因此实际输入信号的被采样电阻R6分压得到的电压V1的电压峰值为：

(1)

同理，实际输入到被测电路板的正弦波信号经由两级TL082组成的增益为102.36倍的同相放大电路后放大为CH1，被AD转换成ch1，即V2的电压峰值：

(2)

由两者分压关系可得输入阻抗：

(3)

式(3)中，Ri为电路的输入阻抗.

2.2 输出检测电路和均方根检测电路

因被测电路板的输出信号Vout经过THS4211进行信号跟随得到的CH2点的信号含有直流信号，可用于测量静态工作点，所以测量输出阻抗R0时，需要对经AD637后再被均方根处理的CH点的信号进行两次测量.第一次测量时继电器K1断开，被测电路板输出信号无负载时的输出信号幅度，测得电压转换值为V3；第二次测量时K1闭合，测量电路接入阻值为2 KΩ的负载R20时的输出信号幅度，得到第二次测量CH3的电压转换值为V4.均方根检测电路如图3所示.

图3 均方根检测电路Fig.3 Root mean square detection circuit

CH3点的信号经过隔直处理和均方根转换，输出的信号是被测电路交流信号有效峰峰值，输出信号检测电路如图4所示.由V3和V4推导得输出电阻R0:

(4)

图4 输出阻抗检测电路Fig.4 Output impedance detection circuit

输出信号峰值：

(5)

因为输入电压U1=V2,U0=V3,由放大电路电压增益定义得增益系数为：

(6)

对应测得的ADC测量值推导出增益为：

(7)

2.3 系统电源模块

简易电路特性测试系统中不同的模块需要用到±12 V、±5 V、+3.3 V五相电源，微控制器通过程序管理协调实现各部分的电源供给，实现系统的低功耗，且系统中有小到微伏级的信号需要处理，必须保证电源供电稳定性高且纹波极小.为满足供电要求，设计了线性稳压电源电路[6-7]，如图5所示.

图5 线性稳压电源电路Fig.5 Linear regulated power supply circuit

3 系统软件设计

3.1 系统整体程序设计框架

简易电路特性测试系统整体程序设计框架如图6所示，主要包含电路特性测量、幅频特性测量和电路故障诊断三个功能模块以及对应的ADC数据采集和算法处理.

3.2 电路特性测量软件设计

电路特性测量软件设计如图7所示.驱动DDS模块产生1 kHZ的标准信号，经电路处理后，再用AD7324对ch0,ch1,ch2,ch3这四个点的电压进行采集与ADC转换.通过多次采集和数字信号滤波处理，得到输入和输出阻抗.

图6 系统整体程序设计框架Fig.6 Framework of overall system programming design图7 电路特性测量软件设计Fig.7 Design of circuit characteristic measurement software

3.3 幅频特性测量软件设计

使用函数发生器和示波器对被测电路进行测试时发现测试板的上限频率在125 KHz至128 KHz之间，所以在进行扫频时，选择输出幅度固定不变，在0 Hz到1 MHz范围内，以对数步进的方式增加输出的频率进行第一轮扫描.对第一次扫描的数据进行逐次对比，找出峰峰值最大点和对应的频率，以此频率作为电路通频带的中心频率.并求出电路输入频率增加时，输出幅度衰减到-3 dB点的可能区间，在此区间进行第二轮扫描，找到上限频率点.测试流程如图8所示.

图8 幅频特性测量软件设计Fig.8 Software design of amplitude frequency characteristic measurement

3.4 电路故障诊断软件设计

电路故障诊断软件设计流程如图9所示.对于被测电路中的电子元件，电阻R1和R2的变化会影响输入阻抗及电路的静态工作点，因此可以通过测量这两个数据来检测R1和R2是否存在故障.R3的变化会直接影响电路的静态工作点，输出阻抗和增益，因此可以通过测量这三个数据来检测R3是否存在故障.R4在交流状态下是被电容C3短路的，但R4的变化会影响电路的静态工作点和输入阻抗.在电容C1断开时，电路无输出信号，即取样电阻R6没有信号通过，此时AD8428仪表放大器差分放大输出无限接近0.而电容C2容值变化时，将直接影响电路的输入阻抗和交流增益系数.但由于C3只对电路的上限频率有较大影响，其容值变化对被测电路的信号输出不会有明显的影响，所以需要通过测量幅频特性变化来判断其是否存在故障.

图9 故障诊断软件设计流程Fig.9 Flow of fault diagnosis software design

4 系统测试及结论

4.1 电路特性测量

改变R1,R2,R3,R4的阻值，进而改变电路的输入、输出阻抗和电路增益.通过对比理论计算数值和测试得到的数据，得到输入、输出电阻测量数据如表1所示.通过数据对比分析，测量值与理论值的误差在1.5%以内，具备良好的准确性.电路增益的测量值与理论值误差都在3%至3.5%之内，可以确定虽然理论增益与实际增益偏差较大，但其偏差是线性的.电路增益测量数据如表2所示.

4.2 幅频特性测量

控制DDS产生扫频信号对被测电路板进行扫频测试得到的数据如表3所示.数据可以通过串口传递到电脑上进行记录分析，还可以通过单片机处理形成幅频特性曲线在LCD屏上显示.

4.3 故障诊断测量

改变各器件的数值，产生相应的“故障”用于诊断测试.故障诊断记录如表4所示，“√”表示能正确诊断并把准确的故障点打印出来，“×”表示未能正确诊断出故障.从测试记录看，故障诊出率为95%，能够在1.34 s内快速完成诊断响应.

表4 故障诊断表Tab.4 Fault diagnosis table

5 结论

基于STM32单片机控制的简易电路特性测试系统，能够实现电路特性和幅频特性测量，以及电路故障的诊断，实现了电路测量工具的集成，提高了测量效率.对输出电阻的测量误差可控制在1.5%以内，电路增益的误差可控制在3%至3.5%之内，故障诊断效率达95%以上，比较传统电路测试仪而言，整体性能优良.