放大電路特性測試裝置設計

王明全，楊佳欣，唐鈺

（東北大學計算機科學與工程學院，遼寧沈陽，110000）

0 引言

放大器是電子行業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，對這些指標的測量在科研過程中尤為重要，因此需要一個針對放大器的性能指標的測量工具。

目前傳統的測量方法需要用到信號發生器、萬用表、毫伏表、示波器等以及一系列工具以及繁瑣的計算過程，操作非常復雜。而市場上的一些測量裝置大多只能夠測量某一項指標，不能夠做到所有指標全方面測量。所以需要設計一個放大電路特性測試裝置[1]，能夠集成對放大器特性指標的測量、故障判斷以及失真情況判斷的功能，解決傳統測量方法的不足，并廣泛應用于市場以及科研過程中。

1 系統總體方案

1.1 設計基本要求

設計并制作一個簡易放大電路特性測試裝置。使用時將待測的特定放大器接入電路特性測試儀，測試儀向待測放大器輸入1kHz正弦波信號[2]，自動測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。另外還具有學習與判斷故障的功能，能夠學習電路的故障原因，并自動判斷該放大器由于元器件變化而引起故障的原因。同時能夠測量放大電路輸出信號失真度，如果輸出信號有失真，能夠判斷其非線性失真的情況。

本測試裝置適合于絕大多數放大電路的特性測試，測試裝置與待測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試儀連接圖

1.2 系統總體方案

系統主要由單片機模塊、信號發生器模塊、測量顯示模塊、有效值測量模塊、電阻測量模塊、調制模塊等部分構成。主要設計思路將待測電路接入測試儀[3]，單片機模塊在完成初始化后，接收按鍵的功能選擇，再控制信號發生器模塊產生適當的信號或者掃頻作為放大電路的輸入信號，輸入信號經過衰減網絡、被測電路、跟隨器模塊、輸出采集模塊等后，根據功能的不同輸送至電阻測量模塊、增益測量模塊、故障檢測模塊、失真情況分析模塊進行數據處理，然后經過單片機經計算處理后將結果輸出在顯示屏幕上。系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖

1.3 硬件設計

硬件方面主要包括信號發生器模塊、電阻測量模塊、有效值測量模塊、增益測量模塊、濾波模塊、頻率特性測量模塊、失真判斷模塊等。

1.3.1 信號發生器模塊

信號發生器模塊圍繞芯片AD9850設計。AD9850是一款高性能DDS芯片，能夠產生0～40MHz的2路正弦信號，且能夠產生掃頻信號，完全滿足設計需求。通過單片機對信號發生器模塊的控制[4]，輸出相應幅值、頻率的正弦信號以及兩路正交信號，在測量頻率特性時，產生從低頻到高頻的掃頻信號。

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

1.3.2 電阻測量模塊

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

圖3 輸入輸出電阻測量電路

在待測電路前串聯一個大小合適的電阻R，其中U1、U2分別為T1、T2兩點測得的電壓值。在測量輸入電阻時，將開關1S斷開，測量T1、T2兩點的電壓，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單計算得到：

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

1.3.3 有效值測量模塊

有效值測量模塊由主要芯片AD637組成。AD637是一款真有效值/直流變換集成芯片，可以計算各種復雜波形的真有效值，并輸出與有效值等比例的直流電壓，使用簡單、讀數準確穩定[6]。AD637外圍電路如圖4所示。

圖4 有效值測量模塊原理圖

經過測試，該模塊對信號有效值測量誤差在2%以內，配合隔離交流成分的低通濾波器能夠實現對輸出的直流信號中的較小交流分量的有效隔離，增大ADC測量精度。

1.3.4 增益測量模塊

增益測試電路只需要將待測電路的輸出電壓經過有效值測量模塊電路后使用ADC測量后輸入到單片機當中[7]，與輸入信號有效值相除即可得到相應增益，仿真測試以后電路較為穩定，測量精度對不同電路均保持在98%以上。

1.3.5 頻率特性測量模塊

幅頻特性的測量只需要通過DDS模塊輸入掃頻信號，通過增益測量模塊測量每個頻率對應的增益，畫在坐標軸上即可。

相頻特性主要采用調制測量的方法，調制模塊主要采用高精度乘法器AD835搭建。測量原理如圖5所示。

圖5 調制測量原理圖

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

經過濾波器模塊，留下直流量為：

然后可得相頻響應計算公式如下：

調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，保證實驗信號損失盡可能最小，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芯片設計四階有源濾波器。采用專業濾波器設計軟件Filter Solution設計截止頻率為1Hz的四階切比雪夫濾波器，濾波器模塊電路圖以及頻率響應如圖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 失真情況測量模塊

失真情況測量主要測量輸出信號的總諧波失真（THD），同時能夠區分無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時，其非線性失真表現為輸出信號中出現諧波分量，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

此次測量對THD做近似處理，取到前五次諧波，則有THD計算公式：

無明顯失真，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THD小于2%時，可以認為無明顯失真。當有較大失真度時根據最大值附近點數、最小值附近點數、和中間值附近點數來判斷非線性失真的類型。圖10是對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

通過以上流程能夠實現對絕大多數非線性失真情況的判斷，經過實物測試準確率在90%以上。

1.3.7 故障檢測模塊

本設計采用基于歐式距離的監督式學習方法，進而對放大器不同的故障情況的時域特征進行識別。首先要對參數進行歸一化處理，假設選取n個特征電參數，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，設待測數據為jx=(1jx,2jx,3jx,…,jnx),對原始數據進行 Z-score 標準化，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 種特征值的標準差）。在引入歐式距離時，需要對考慮每種特征值的權值，即特征量對故障情況相似性判別的貢獻不同，設權值為Z=(1Z,2Z,3Z, … ,nZ)，若樣本數據為i，待測數據為j，二者的歐式距離為：

相似系數定義為 c(ix,jx)= 1/( 1+d(ix,jx)) ，相似系數范圍在（0,1），相似系數 越接近 1 則相似程度越高，設定相似閾值 m，當 c>m 時判定為該樣本庫中的故障原因。這種方法簡潔高效，對存儲性能要求不高，即使采用三維特征識別，存儲的特征參數也很少，缺點是特征參數波動較大時識別時間很長。進過測試，用單片機對兩組數據進行計算，能夠在較短的時間里完成分析存儲，因此本系統采用歐式距離法分析數據。

故障檢測分為儲存和分析兩個部分。首先，儲存最多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。然后，當發生故障時，利用歐式距離法分別計算此時的電路參數向量和已經存儲的最多14個向量的相似度，從而判斷故障情況。

1.4 軟件設計

軟件部分主要由STM32F407ZGT6作為主控芯片，首先對整體系統的各個模塊進行初始化，然后檢測按鍵中斷來選擇功能，再根據各個功能的不同控制DDS信號發生模塊生成不同幅值、頻率的正弦信號或者從低頻到高頻進行掃頻，經過電阻測試模塊、調制模塊、增益測試模塊等后輸出回單片機[8]，經過計算分析以后就可以在液晶屏顯示對應測試結果或圖像。總體流程圖如圖11所示。

圖11 軟件設計流程圖

2 性能測試

2.1 輸入電阻、輸出電阻、增益、截止頻率測量

用特定放大電路進行測試，特定放大電路如圖12所示。

圖12 測試用放大電路

其中輸入信號頻率1kHz，峰峰值20mV，測試其各項輸入輸出指標，如表1所示。

表1 測試結果匯總

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

2.2 故障檢測

用圖12所示電路進行故障檢測，故障檢測包括各電阻短路、開路以及各電容開路、加倍一共14種情況，對每一種故障情況進行檢測，都準確檢測出故障情況，檢測正確率達到100%。

2.3 失真情況檢測

綜合運用THD、最大值點數、最小值點數、中間值點數，對無明顯失真、頂部失真、底部失真、雙向失真、交越失真分別進行檢測，其中無明顯失真檢測準確率達100%，其他四種情況檢測準確率達到90%，檢測準確率較高，其中，后四種失真情況由于電壓不穩定等特殊情況會出現小概率的檢測出錯。

3 結論

本文提出了放大電路特性測試裝置的設計與實現，經過實驗測試，能夠測量一般放大器的輸入輸出電阻、增益、截止頻率，精確率均達到95%以上；同時能夠清晰地畫出輸出的波形、放大器的頻率特性；能夠實現對故障原因的學習與檢測，準確率達到90%，能夠學習與識別大部分的故障原因；同時能夠測量輸出的信號的失真度，并判斷失真情況。通過實驗證明達到了設計要求。