一種基于STM32單片機(jī)的放大電路特性測(cè)試儀*

任青蓮,陶 瓏,郭燕飛,陳東良

(1.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024;2.太原科技大學(xué) 華科學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

輸入電阻、輸出電阻、放大倍數(shù)和頻率特性是放大器的重要性能指標(biāo)，通過對(duì)這些指標(biāo)的測(cè)量可以確定該放大器能否在特定的系統(tǒng)中發(fā)揮其正常功能。傳統(tǒng)的測(cè)試方法需要用到信號(hào)發(fā)生器、萬用表、毫伏表、示波器等，操作過程比較復(fù)雜，而且對(duì)電路故障的判斷比較繁瑣。為此，設(shè)計(jì)一種基于STM32單片機(jī)的放大電路特性測(cè)試儀，可以解決傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足，大大提高電路設(shè)計(jì)和調(diào)試的效率[1-3]。

1 放大電路特性測(cè)試儀總體方案設(shè)計(jì)

本放大電路特性測(cè)試儀采用單片機(jī)作為控制及數(shù)據(jù)處理的核心，將設(shè)計(jì)任務(wù)分解為單片機(jī)最小系統(tǒng)、DDS信號(hào)源、被測(cè)電路、輸入/輸出信號(hào)采樣、按鍵輸入、測(cè)試結(jié)果顯示等功能模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[4]。

圖1 基于STM32單片機(jī)的放大電路特性測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖

單片機(jī)接收從鍵盤輸入的任務(wù)命令，送出指令和數(shù)據(jù)給DDS信號(hào)發(fā)生器，由DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生所需的正弦信號(hào)或掃頻信號(hào)；經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò)，將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)源調(diào)理成小信號(hào)，以確定被測(cè)電路工作在線性區(qū)；輸入信號(hào)采樣電路和輸出信號(hào)采樣電路采集被測(cè)放大電路的輸入電壓、輸入電流和輸出電壓；采樣信號(hào)由單片機(jī)采集、存儲(chǔ)、處理及顯示，完成放大電路輸入電阻、輸出電阻、放大倍數(shù)、幅頻特性曲線和電路故障診斷等結(jié)果的顯示[5-7]。

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控單元

采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為主控核心，其內(nèi)核為32位高性能處理器，時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz，內(nèi)部集成了時(shí)鐘、電源管理、通信接口、定時(shí)器、3個(gè)12位ADC、2個(gè)12位DAC、DMA、豐富的I/O口等資源，能快速、高效地讀取、計(jì)算和傳輸數(shù)據(jù)，而且功耗低，價(jià)格低廉。

主控單元主要集成了STM32F103RCT6單片機(jī)、4個(gè)按鍵模塊、液晶顯示模塊、電源模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊、一鍵下載電路模塊、復(fù)位按鍵模塊等[8-10]。

2.2 DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模塊

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生被測(cè)電路所需的正弦信號(hào)和掃頻信號(hào)，其性能的優(yōu)劣直接影響后續(xù)電路的工作狀態(tài)和測(cè)量精度。本設(shè)計(jì)選用高性能的DDS集成芯片AD9850作為信號(hào)發(fā)生器的核心器件，該芯片在125 MHz時(shí)鐘頻率下輸出信號(hào)頻率分辨率可達(dá)0.029 1 Hz，最高輸出頻率可達(dá)40 MHz。

信號(hào)發(fā)生器由AD9850芯片外加時(shí)鐘電路、七階橢圓低通濾波電路、電源濾波電路和指示電路構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 函數(shù)信號(hào)發(fā)生電路

AD9850的IOUTB和IOUT外接電阻100 Ω，這樣AD9850輸出信號(hào)的峰峰值為1 V。AD9850的字輸入時(shí)鐘信號(hào)端W_CLK、頻率更新時(shí)鐘信號(hào)端FQ_UD、復(fù)位端RESET與單片機(jī)PC口的相應(yīng)管腳及NRST管腳連接，40位頻率/相位控制字采用串行方式由單片機(jī)PA0送入AD9850的D7管腳。通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率控制字、字輸入時(shí)鐘、頻率更新時(shí)鐘信號(hào)及DDS復(fù)位的控制，產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦信號(hào)和掃頻信號(hào)，掃頻信號(hào)可在50 Hz～4 MHz范圍內(nèi)根據(jù)需要任意設(shè)置，掃頻步長(zhǎng)可以在10 Hz～10 kHz內(nèi)調(diào)整。

2.3 輸出衰減電路

DDS輸出信號(hào)經(jīng)濾波后峰值基本還是1 V，考慮到不同的被測(cè)電路所能承受的輸入電壓不同，以及在對(duì)被測(cè)電路測(cè)試時(shí)有時(shí)需要測(cè)量不同輸入電壓下的響應(yīng)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減。程控衰減電路如圖3所示，通過單片機(jī)控制模擬開關(guān)CD4066中四個(gè)開關(guān)SWA～SWD的接通或斷開可實(shí)現(xiàn)0 dB～30 dB衰減，衰減步長(zhǎng)2 dB，可根據(jù)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)需要通過單片機(jī)控制其衰減量。

圖3 程控衰減電路

2.4 輸入電流采樣電路

圖4為輸入電流采樣電路，左側(cè)虛線框中us為等效衰減之后的信號(hào)源，Ri為等效被測(cè)電路的輸入電阻，ui為電阻Ri兩端的電壓值，R為采樣電阻；右側(cè)部分為所設(shè)計(jì)的采樣電路，其中運(yùn)放A1～A3和電阻R1～R4構(gòu)成精密儀用差分放大電路，其輸入為采樣電阻兩端電壓，其輸出電壓為uo1，電阻R5、R6和電源Vcc形成分壓電路，將uo1疊加一偏置電壓，輸入到電壓跟隨器A4，獲得合適的電壓uo，送給單片機(jī)A/D端口。

圖4 輸入電流采樣電路

采樣電阻R過大容易引入干擾，過小會(huì)使測(cè)量誤差較大。在實(shí)際測(cè)量中，一般取R接近放大電路輸入電阻Ri，在此取2 kΩ。由于采樣電阻兩端電壓很小，為提高測(cè)試精度，差分放大電路電阻取為：R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=33 kΩ，R4=330 kΩ，則增益為34 dB。

2.5 輸出電壓采樣電路

圖5為輸出電壓采樣電路，因繼電器導(dǎo)通電阻近似為0，斷開電阻為無窮大，選用繼電器作為開關(guān)接通或斷開負(fù)載，由單片機(jī)控制其通斷，分別檢測(cè)放大電路有載和空載輸出電壓，由此計(jì)算輸出電阻。在判斷電路故障時(shí)需采集被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的直流分量，其值遠(yuǎn)大于單片機(jī)ADC所允許的輸入信號(hào)范圍，為滿足需要將輸出電壓信號(hào)衰減并移位。圖5中，電阻取值為：R′=500 Ω，R7=10 kΩ，R8=10 kΩ，R9=R10=10 kΩ，R11=R14=20 kΩ，R12=R13=10 kΩ，RL=2 kΩ，輸出信號(hào)衰減6 dB并向下移3 V。

圖5 輸出電壓采樣電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

本測(cè)試儀主程序和按鍵中斷相互獨(dú)立，4個(gè)按鍵分別為進(jìn)入任務(wù)、任務(wù)選擇上、任務(wù)選擇下、任務(wù)結(jié)束進(jìn)入下一任務(wù)選擇，主程序流程如圖6所示。開機(jī)后程序自動(dòng)完成各硬件初始化，進(jìn)入主界面，經(jīng)過任務(wù)選擇后進(jìn)入所選的測(cè)試項(xiàng)目開始自動(dòng)測(cè)量及顯示，保持?jǐn)?shù)據(jù)顯示后即可按任務(wù)結(jié)束鍵退出當(dāng)前任務(wù)進(jìn)行下一項(xiàng)測(cè)試。

圖6 主程序流程

3.2 故障判斷

當(dāng)被測(cè)電路發(fā)生故障時(shí)，單片機(jī)控制DDS輸出中頻正弦信號(hào)到被測(cè)電路，根據(jù)采集到的輸入電流、輸出電壓直流分量、輸出電壓交流分量進(jìn)行判斷，根據(jù)靜態(tài)工作點(diǎn)偏移、輸入電阻的增大或減小、電壓放大倍數(shù)的變化初步判斷被測(cè)電路中電阻或電容是否短路或開路。

如果經(jīng)過判斷發(fā)現(xiàn)該電路的輸入電流、輸出直流電壓、輸出交流電壓都為正常值，則使用高頻信號(hào)和低頻信號(hào)判斷其上、下限截止頻率是否發(fā)生改變，進(jìn)一步確定電容值是否發(fā)生變化。

由于只是對(duì)電路故障進(jìn)行分析，不進(jìn)行精確采樣計(jì)算，對(duì)采樣精度要求不高，因此進(jìn)行故障分類分析時(shí)，每次輸出固定頻率后采樣時(shí)間縮短為0.5 s，最多經(jīng)過3次不同頻率信號(hào)輸出和采樣分析，約1.5 s即可將故障原因進(jìn)行分類。

4 測(cè)試與結(jié)果分析

4.1 被測(cè)電路

為了驗(yàn)證本電路特性測(cè)試儀的功能和性能，建立的被測(cè)電路如圖7所示。

圖7 被測(cè)電路

4.2 測(cè)試結(jié)果

用所設(shè)計(jì)的電路特性測(cè)試儀通過任務(wù)按鍵選擇測(cè)量被測(cè)電路的輸入電阻Ri、輸出電阻Ro、電壓放大倍數(shù)Au、上限截止頻率fH、下限截止頻率fL，與所給被測(cè)電路的理論值進(jìn)行比較，計(jì)算得出各指標(biāo)的測(cè)量誤差，結(jié)果如表1所示。

表1 被測(cè)電路的實(shí)際測(cè)量與理論計(jì)算數(shù)據(jù)

由于該被測(cè)電路的通頻帶為幾百赫茲到幾千赫茲，因此測(cè)試其幅頻特性時(shí)單片機(jī)控制DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的掃頻信號(hào)范圍為50 Hz～1 MHz，DDS輸出掃頻信號(hào)如圖8所示。電路特性測(cè)試儀自動(dòng)測(cè)量并顯示該放大器的頻幅特性曲線，結(jié)果如圖9所示。當(dāng)電路發(fā)生故障時(shí)，如電阻開路或短路，電容開路或電容量增大時(shí)，系統(tǒng)可快速判斷并顯示故障原因，所有性能基本滿足預(yù)期要求。

圖8 DDS輸出掃頻信號(hào)(50 Hz～1 MHz)

圖9 被測(cè)電路的幅頻特性曲線

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試儀硬件電路簡(jiǎn)單，程序設(shè)計(jì)靈活，便于操作，能準(zhǔn)確快速地分析電路特性，并可對(duì)電路進(jìn)行故障診斷，還可以根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展和性能改進(jìn)，可用于相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，簡(jiǎn)化操作過程，提高電路測(cè)試和調(diào)試效率。