放大電路特性測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

王明全，楊佳欣，唐鈺

（東北大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)，110000）

0 引言

放大器是電子行業(yè)最為重要且常用的科研裝置之一，而輸入輸出電阻、增益、截止頻率、頻率特性以及輸出失真情況等是放大器的重要性能指標(biāo)，對(duì)這些指標(biāo)的測(cè)量在科研過程中尤為重要，因此需要一個(gè)針對(duì)放大器的性能指標(biāo)的測(cè)量工具。

目前傳統(tǒng)的測(cè)量方法需要用到信號(hào)發(fā)生器、萬(wàn)用表、毫伏表、示波器等以及一系列工具以及繁瑣的計(jì)算過程，操作非常復(fù)雜。而市場(chǎng)上的一些測(cè)量裝置大多只能夠測(cè)量某一項(xiàng)指標(biāo)，不能夠做到所有指標(biāo)全方面測(cè)量。所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)放大電路特性測(cè)試裝置[1]，能夠集成對(duì)放大器特性指標(biāo)的測(cè)量、故障判斷以及失真情況判斷的功能，解決傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足，并廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)以及科研過程中。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 設(shè)計(jì)基本要求

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡(jiǎn)易放大電路特性測(cè)試裝置。使用時(shí)將待測(cè)的特定放大器接入電路特性測(cè)試儀，測(cè)試儀向待測(cè)放大器輸入1kHz正弦波信號(hào)[2]，自動(dòng)測(cè)量并顯示特定放大器電路的輸入輸出電阻、增益并將輸出波形繪制在液晶屏上，繪制放大電路的頻率特性（幅頻與相頻特性）曲線，判斷放大電路的截止頻率。另外還具有學(xué)習(xí)與判斷故障的功能，能夠?qū)W習(xí)電路的故障原因，并自動(dòng)判斷該放大器由于元器件變化而引起故障的原因。同時(shí)能夠測(cè)量放大電路輸出信號(hào)失真度，如果輸出信號(hào)有失真，能夠判斷其非線性失真的情況。

本測(cè)試裝置適合于絕大多數(shù)放大電路的特性測(cè)試，測(cè)試裝置與待測(cè)放大器電路連接如圖1所示。

圖1 特定放大器電路與電路特性測(cè)試儀連接圖

1.2 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、信號(hào)發(fā)生器模塊、測(cè)量顯示模塊、有效值測(cè)量模塊、電阻測(cè)量模塊、調(diào)制模塊等部分構(gòu)成。主要設(shè)計(jì)思路將待測(cè)電路接入測(cè)試儀[3]，單片機(jī)模塊在完成初始化后，接收按鍵的功能選擇，再控制信號(hào)發(fā)生器模塊產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男盘?hào)或者掃頻作為放大電路的輸入信號(hào)，輸入信號(hào)經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò)、被測(cè)電路、跟隨器模塊、輸出采集模塊等后，根據(jù)功能的不同輸送至電阻測(cè)量模塊、增益測(cè)量模塊、故障檢測(cè)模塊、失真情況分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后經(jīng)過單片機(jī)經(jīng)計(jì)算處理后將結(jié)果輸出在顯示屏幕上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 硬件設(shè)計(jì)

硬件方面主要包括信號(hào)發(fā)生器模塊、電阻測(cè)量模塊、有效值測(cè)量模塊、增益測(cè)量模塊、濾波模塊、頻率特性測(cè)量模塊、失真判斷模塊等。

1.3.1 信號(hào)發(fā)生器模塊

信號(hào)發(fā)生器模塊圍繞芯片AD9850設(shè)計(jì)。AD9850是一款高性能DDS芯片，能夠產(chǎn)生0～40MHz的2路正弦信號(hào)，且能夠產(chǎn)生掃頻信號(hào)，完全滿足設(shè)計(jì)需求。通過單片機(jī)對(duì)信號(hào)發(fā)生器模塊的控制[4]，輸出相應(yīng)幅值、頻率的正弦信號(hào)以及兩路正交信號(hào)，在測(cè)量頻率特性時(shí)，產(chǎn)生從低頻到高頻的掃頻信號(hào)。

由于輸出的信號(hào)幅度較大，需要通過衰減電路后再輸入到待測(cè)電路中。信號(hào)衰減采用電阻分壓法，衰減后的信號(hào)再通過由OPA2134組成的跟隨器[5]，增加帶負(fù)載能力。

1.3.2 電阻測(cè)量模塊

電阻測(cè)量模塊采用分壓法測(cè)量輸入、輸出電阻。通過繼電器開關(guān)在待測(cè)電路輸入輸出端接入合適的電阻，通過測(cè)量電壓就可以按照推導(dǎo)好的公式計(jì)算出輸入、輸出電壓。輸入輸出電阻測(cè)量具體方法如圖3所示。

圖3 輸入輸出電阻測(cè)量電路

在待測(cè)電路前串聯(lián)一個(gè)大小合適的電阻R，其中U1、U2分別為T1、T2兩點(diǎn)測(cè)得的電壓值。在測(cè)量輸入電阻時(shí)，將開關(guān)1S斷開，測(cè)量T1、T2兩點(diǎn)的電壓，已知采樣電阻值，即可求出放大電路的輸入阻抗。通過基爾霍夫定律可以簡(jiǎn)單計(jì)算得到：

在測(cè)量輸出電阻時(shí)，將S1閉合，R被短路，輸出電阻可通過電路接入負(fù)載與不接入負(fù)載時(shí)，放大器的輸出電壓值和負(fù)載電阻阻值求得。設(shè)接入負(fù)載時(shí)，即 2S閉合時(shí)，放大電路輸出電壓為Uon，不接入負(fù)載即 2S斷開時(shí)，輸出電壓為Uoff。已知負(fù)載電阻阻值為RL，根據(jù)基爾霍夫定律可以得到：

1.3.3 有效值測(cè)量模塊

有效值測(cè)量模塊由主要芯片AD637組成。AD637是一款真有效值/直流變換集成芯片，可以計(jì)算各種復(fù)雜波形的真有效值，并輸出與有效值等比例的直流電壓，使用簡(jiǎn)單、讀數(shù)準(zhǔn)確穩(wěn)定[6]。AD637外圍電路如圖4所示。

圖4 有效值測(cè)量模塊原理圖

經(jīng)過測(cè)試，該模塊對(duì)信號(hào)有效值測(cè)量誤差在2%以內(nèi)，配合隔離交流成分的低通濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸出的直流信號(hào)中的較小交流分量的有效隔離，增大ADC測(cè)量精度。

1.3.4 增益測(cè)量模塊

增益測(cè)試電路只需要將待測(cè)電路的輸出電壓經(jīng)過有效值測(cè)量模塊電路后使用ADC測(cè)量后輸入到單片機(jī)當(dāng)中[7]，與輸入信號(hào)有效值相除即可得到相應(yīng)增益，仿真測(cè)試以后電路較為穩(wěn)定，測(cè)量精度對(duì)不同電路均保持在98%以上。

1.3.5 頻率特性測(cè)量模塊

幅頻特性的測(cè)量只需要通過DDS模塊輸入掃頻信號(hào)，通過增益測(cè)量模塊測(cè)量每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的增益，畫在坐標(biāo)軸上即可。

相頻特性主要采用調(diào)制測(cè)量的方法，調(diào)制模塊主要采用高精度乘法器AD835搭建。測(cè)量原理如圖5所示。

圖5 調(diào)制測(cè)量原理圖

首先由信號(hào)發(fā)生器模塊在1kHz下產(chǎn)生兩路正交信號(hào)Ac os (wt)和As in (wt)，按圖5所示輸入到被測(cè)電路中，被測(cè)放大電路輸出為Bcos (wt+φ)，經(jīng)過乘法器模塊相乘后，經(jīng)過低通濾波，濾除高頻分量，分別得到低通的I，Q信號(hào)如下式：

經(jīng)過濾波器模塊，留下直流量為：

然后可得相頻響應(yīng)計(jì)算公式如下：

調(diào)制過程需要用到乘法器模塊和濾波器模塊。乘法器模塊選用芯片AD835，AD835 是一款電壓輸出型四象限高帶寬乘法器，輸出噪聲典型值僅為，保證實(shí)驗(yàn)信號(hào)損失盡可能最小，除此之外，AD835 需要的外圍電路較少。乘法器模塊原理圖如圖6所示。

圖6 乘法器模塊原理圖

濾波器模塊要求能夠提取信號(hào)直流成分，并且為了提高精確度，要盡量隔離交流成分，選用OPA2134芯片設(shè)計(jì)四階有源濾波器。采用專業(yè)濾波器設(shè)計(jì)軟件Filter Solution設(shè)計(jì)截止頻率為1Hz的四階切比雪夫?yàn)V波器，濾波器模塊電路圖以及頻率響應(yīng)如圖7、圖8所示。

圖7 濾波器模塊原理圖

圖8 濾波器模塊頻率特性圖

1.3.6 失真情況測(cè)量模塊

失真情況測(cè)量主要測(cè)量輸出信號(hào)的總諧波失真（THD），同時(shí)能夠區(qū)分無(wú)明顯失真以及頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真這五種情況。無(wú)明顯失真及四種具有非線性失真電壓的示意波形如圖9所示。

圖9 無(wú)明顯失真和四種非線性失真情況

線性放大器輸入為正弦信號(hào)時(shí)，其非線性失真表現(xiàn)為輸出信號(hào)中出現(xiàn)諧波分量，常用總諧波失真(THD：total harmonic distortion)衡量線性放大器的非線性失真程度。THD定義：若線性放大器輸入電壓ui=Uicosωt，其含有非線性失真的輸出交流電壓為

此次測(cè)量對(duì)THD做近似處理，取到前五次諧波，則有THD計(jì)算公式：

無(wú)明顯失真，其失真度較小，THD一般小于2%。而其他四種非線性失真，其THD一般大于2%，所以當(dāng)THD小于2%時(shí)，可以認(rèn)為無(wú)明顯失真。當(dāng)有較大失真度時(shí)根據(jù)最大值附近點(diǎn)數(shù)、最小值附近點(diǎn)數(shù)、和中間值附近點(diǎn)數(shù)來(lái)判斷非線性失真的類型。圖10是對(duì)這幾種失真情況的具體判斷的流程圖。

圖10 失真情況判斷流程圖

通過以上流程能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)絕大多數(shù)非線性失真情況的判斷，經(jīng)過實(shí)物測(cè)試準(zhǔn)確率在90%以上。

1.3.7 故障檢測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)采用基于歐式距離的監(jiān)督式學(xué)習(xí)方法，進(jìn)而對(duì)放大器不同的故障情況的時(shí)域特征進(jìn)行識(shí)別。首先要對(duì)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，假設(shè)選取n個(gè)特征電參數(shù)，例如輸入輸出電阻、增益等， 一共有m種故障情況，則特征樣本為ix=(1ix,2ix,3ix, …,imx),i=1, 2, 3, … ,m，設(shè)待測(cè)數(shù)據(jù)為jx=(1jx,2jx,3jx,…,jnx),對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行 Z-score 標(biāo)準(zhǔn)化，處理ijx= (ijx-javrx)/jS(i=1, 2, 3, …,m; j=1,2,3,…,n)（其中javrx表示 j 種特征量的平均值，jS表示 j 種特征值的標(biāo)準(zhǔn)差）。在引入歐式距離時(shí)，需要對(duì)考慮每種特征值的權(quán)值，即特征量對(duì)故障情況相似性判別的貢獻(xiàn)不同，設(shè)權(quán)值為Z=(1Z,2Z,3Z, … ,nZ)，若樣本數(shù)據(jù)為i，待測(cè)數(shù)據(jù)為j，二者的歐式距離為：

相似系數(shù)定義為 c(ix,jx)= 1/( 1+d(ix,jx)) ，相似系數(shù)范圍在（0,1），相似系數(shù) 越接近 1 則相似程度越高，設(shè)定相似閾值 m，當(dāng) c>m 時(shí)判定為該樣本庫(kù)中的故障原因。這種方法簡(jiǎn)潔高效，對(duì)存儲(chǔ)性能要求不高，即使采用三維特征識(shí)別，存儲(chǔ)的特征參數(shù)也很少，缺點(diǎn)是特征參數(shù)波動(dòng)較大時(shí)識(shí)別時(shí)間很長(zhǎng)。進(jìn)過測(cè)試，用單片機(jī)對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，能夠在較短的時(shí)間里完成分析存儲(chǔ)，因此本系統(tǒng)采用歐式距離法分析數(shù)據(jù)。

故障檢測(cè)分為儲(chǔ)存和分析兩個(gè)部分。首先，儲(chǔ)存最多14種故障情況下的輸出直流電壓、輸出電壓、輸入電阻、增益電路參數(shù)。然后，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，利用歐式距離法分別計(jì)算此時(shí)的電路參數(shù)向量和已經(jīng)存儲(chǔ)的最多14個(gè)向量的相似度，從而判斷故障情況。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要由STM32F407ZGT6作為主控芯片，首先對(duì)整體系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后檢測(cè)按鍵中斷來(lái)選擇功能，再根據(jù)各個(gè)功能的不同控制DDS信號(hào)發(fā)生模塊生成不同幅值、頻率的正弦信號(hào)或者從低頻到高頻進(jìn)行掃頻，經(jīng)過電阻測(cè)試模塊、調(diào)制模塊、增益測(cè)試模塊等后輸出回單片機(jī)[8]，經(jīng)過計(jì)算分析以后就可以在液晶屏顯示對(duì)應(yīng)測(cè)試結(jié)果或圖像。總體流程圖如圖11所示。

圖11 軟件設(shè)計(jì)流程圖

2 性能測(cè)試

2.1 輸入電阻、輸出電阻、增益、截止頻率測(cè)量

用特定放大電路進(jìn)行測(cè)試，特定放大電路如圖12所示。

圖12 測(cè)試用放大電路

其中輸入信號(hào)頻率1kHz，峰峰值20mV，測(cè)試其各項(xiàng)輸入輸出指標(biāo)，如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果匯總

由表1得，輸入電阻、輸出電阻、增益、截止頻率的測(cè)量誤差都在3%～10%之間，均小于10%，測(cè)量精度較高。

2.2 故障檢測(cè)

用圖12所示電路進(jìn)行故障檢測(cè)，故障檢測(cè)包括各電阻短路、開路以及各電容開路、加倍一共14種情況，對(duì)每一種故障情況進(jìn)行檢測(cè)，都準(zhǔn)確檢測(cè)出故障情況，檢測(cè)正確率達(dá)到100%。

2.3 失真情況檢測(cè)

綜合運(yùn)用THD、最大值點(diǎn)數(shù)、最小值點(diǎn)數(shù)、中間值點(diǎn)數(shù)，對(duì)無(wú)明顯失真、頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真分別進(jìn)行檢測(cè)，其中無(wú)明顯失真檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)100%，其他四種情況檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到90%，檢測(cè)準(zhǔn)確率較高，其中，后四種失真情況由于電壓不穩(wěn)定等特殊情況會(huì)出現(xiàn)小概率的檢測(cè)出錯(cuò)。

3 結(jié)論

本文提出了放大電路特性測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，能夠測(cè)量一般放大器的輸入輸出電阻、增益、截止頻率，精確率均達(dá)到95%以上；同時(shí)能夠清晰地畫出輸出的波形、放大器的頻率特性；能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)故障原因的學(xué)習(xí)與檢測(cè)，準(zhǔn)確率達(dá)到90%，能夠?qū)W習(xí)與識(shí)別大部分的故障原因；同時(shí)能夠測(cè)量輸出的信號(hào)的失真度，并判斷失真情況。通過實(shí)驗(yàn)證明達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。