基于FPGA和STM32的放大電路特性測試儀設計?

孫艷麗 林星瑞 葉李銳 王國慶

（海軍航空大學 煙臺 264000）

1 引言

設計了一種簡易的電路功能檢測儀，可以利用輸入端與輸出端信息來檢測特定放大器的功能特性，從而自動判別因為元器件不同而產生問題的根源。該測試儀器中的信號源，既能夠產生單一頻率的正弦波信號，還能產生掃頻信號，而且具有強大的數據分析處理功能，能對數據進行實時控制以及提取同步信息。

2 系統總體結構

以FPGA、STM32 為核心搭建必要模塊構建出整體系統如圖1 所示。信號源由STM32 產生，經信號驅動輸入到被測電路。被測電路外接Rs、RL，開關接于放大電路輸出端，輸出電壓一路直接經電壓跟隨器進入數據采集模塊，另一路經精密整流濾波后進入數據采集，同時Rs兩端電壓作為信號源電壓和輸入電壓進行AD 數據采集，將采集后的數據由FPGA 進行處理并儲存，在進行故障判別時進行對比分析，再將數據給STM32進行顯示。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

圖2 被測電路仿真圖

3 理論分析與計算

3.1 總體原理分析

該電路為分壓偏置放大電路，其輸入阻抗、輸出阻抗、電壓增益和頻率響應等主要特性可由放大電路的輸入電壓和輸出電壓由一定公式［1］分析計算得到。相關數據通過數據采集模塊采集信號源電壓、電路輸入端電壓、空載輸出端電壓、負載電壓。在故障檢測過程中，當故障與正常狀態不同時，通過比較輸入輸出信號可以確定故障原因。這就需要對各種故障進行整理分類，利用Multisim 仿真建立故障數據庫，并通過遍歷故障數據庫來驗證故障電路原因。

3.2 基本特性測試理論分析

輸入電阻、輸出電阻、電壓增益是放大電路的主要性能指標。

1）輸入電阻

輸入電阻是從放大電路輸入端看進去的等效電路，定義為輸入電壓有效值Ui和輸入電流有效值Ii之比，可得：

2）輸出電阻

每一個放大電路的輸出都可以等效于具有內阻的電壓源，輸出端的等效內阻為輸出電阻ro。空載時放大電路輸出電壓的有效值為Uo'，帶負載后輸出電壓的有效值為Uo，因此輸出電阻為

3）電壓增益

電壓增益是衡量放大電路放大能力的指標，是輸出電壓Uo與輸入電壓Ui之比，記作Au。

3.3 數據采集理論分析

在本設計中，數據采集就是要獲取放大電路的輸入輸出端的模擬量，并將其轉換成MCU 可以處理的數字量，即實現模數模擬量和數字量的實時轉換功能。通過模數轉換，可以將復雜的信號量程劃分為多個不同的等級，從而實現對其進行有效的處理。這些等級可以用唯一的數字碼來表示，而且可以根據需要給出相應的代碼，以便更好地處理復雜的信號。二進制是一種常見的數字編碼形式，它有2 的n 次方個量級，其中n 表示位數，并且可以按照順序給每一位編號。由于測量的放大電路的特性，需要采集信號源電壓、電路輸入端電壓、輸出端空載時的電壓和帶載時的電壓，因此需要四通道的模數轉換器。

3.4 幅頻特性測量理論分析

由于電容、電感和放大管PN結的電容效應，信號頻率越低和越高，都會導致放大電路的電壓增益下降。放大電路對不同頻率信號的適應能力可以采用幅頻特性來衡量。改變耦合電容、旁路電容會引起幅頻特性的變化，仿真如表1 所示。由仿真數據可定性分析得，耦合電容C1增加時下限頻率基本不變，而旁路電容C2增加時下限頻率明顯減少，上限頻率降低。可以由頻譜特性的下限頻率判斷C2的變化。

表1 電容參數變化對頻率響應的影響

4 硬件電路

4.1 硬件電路整體框圖

硬件電路框圖主要由整流檢波電路、AD 數據采集、FPGA信號處理電路、STM32信號產生及顯示電路和三極管驅動電路構成。1kHz 信號源由STM32產生，經信號驅動輸入到被測電路。被測電路外接Rs、RL，開關接于放大電路輸出端，輸出電壓一路直接經電壓跟隨器進入數據采集模塊，另一路經精密整流濾波后進入數據采集，同時R1兩端電壓作為信號源電壓和輸入電壓進行AD 數據采集，將采集后的數據由FPGA 進行處理并儲存，在進行故障判別時進行對比分析，再將數據給STM32進行顯示［2］。

4.2 數據采集模塊

AD7366 是雙核12 位、高速、低功耗、逐次逼近型模數轉換器（ADC），4 個AD 轉化通道。該器件的兩個ADC 輸入級都配備有一個雙通道多路復用器和一個具有采樣保持功能的寬采樣寬帶、低噪聲放大器。AD7366 可以在±10V、±5V 和0 至10V 范圍內輸入真雙極性模擬信號［3］。

信號源的幅值us，放大器的輸入信號ui，放大器的輸出uo，及對uo進行整流檢波后的輸出信號uo2，四個信號分別經輸入隔離模塊接至AD7366四個輸入端口VA1、VA2、VB1、VB2，AD7366 輸出接至FP?GA。數據采集電路如圖3所示。

圖3 數據采集模塊

4.3 電壓隔離器

電壓隔離器即電壓跟隨器，起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。其輸出電壓跟隨輸入電壓幅度，并對輸入電路呈高阻狀態，對輸出電路呈低阻狀態，保持原輸入信號波形與幅值，并在前級與后級電路之間實現“隔離”效果。一個對前級電路相當于開路，輸出電壓又不受后級阻抗影響，使前、后級電路之間互不影響，這在實際電路設計中應用廣泛。在測試電壓接入AD7366 時先進行電壓隔離，確保前后級電路互不影響，使得測試結果更準確。具體電路如圖4所示。

圖4 電壓隔離模塊

4.4 精密整流濾波電路

為使幅頻特性測試簡單快速，對輸出信號通過精密整流濾波電路進行檢波，再經電壓隔離器進行AD 采樣。采用電路如圖5 所示，主要由整流電路及電壓跟隨器構成。當輸入電壓為正時，D3 截止，D2 導通，輸出電壓為0；當輸入電壓為負時，D3 導通，D2 截止，該電路此時為反向比例運算放大器，放大倍數約為-4 倍，即輸出是將輸入的正半軸濾掉，將輸入的負半軸反向到正半軸上并進行幅值放大。

圖5 整流濾波電路

圖6 故障診斷流程圖

5 程序設計

放大倍數、輸出電阻、輸入電阻、幅頻特性、故障診斷通過人機交互判斷后進行測試。均主要測試vi、vs來實現對于輸入、輸出電阻與放大倍數的測量，帶負載及不帶負載時的vo，通過公式進行計算［4～5］。

在故障診斷時，根據實測電路的故障特性對STM32 芯片進行程序設計。STM32 芯片首先對輸入信號進行判斷是否為零，如果為零，然后判斷直流輸出與電源電壓的大小關系從而區分出部分故障點：R1短路，R2短路，R3斷路；若輸入信號不為零則再判斷是否有直流輸出、輸出交流信號的大小等區分出電容C1，C2，C3的開路故障；若沒有交流輸入信號則判斷直流輸出與電源電壓的關系若直流輸出電壓不等于電源電壓且輸入信號不接近于零則為R2斷路，若在此基礎上的直流輸出等于電源電壓且輸入信號接近零則為R4短路；相反，直流輸出等于電源電壓時，繼續判斷輸入信號是否增大，若增大則R3短路，在輸入信號不增大的基礎上判斷是否不變，若不變則為R1斷路，否則R4斷路。

6 測試結果

該測試儀能輸出1kHz正弦波并自動測試放大器的輸入、輸出電阻、增益、幅頻特性曲線等特性，幅頻特性曲線測試值誤差與STM32 產生的信號源的頻率幅值誤差有關，見表2～4。并根據放大器基本特性在開路或短路任意電阻、開路任意電容時能夠進行準確的故障判斷，在增加旁路電容時也能準確判斷。而在耦合電容容值變化特性改變僅幅頻特性曲線上限頻率有所改變，不易測試。

表2 STM32信號源頻率測試

表3 幅度測試

表4 頻率分析

7 結語

該測試儀使用FPGA 和STM32 作為核心，并采用了模數轉換模塊、精密整流電路、電壓隔離器等電路來完成特性測試和故障判斷。在測試結果方面，該測試儀能夠準確測量放大器的輸入、輸出電阻、增益、幅頻特性曲線等特性，并能夠根據特性數據進行故障判斷，有效驗證了本文所設計的放大電路特性測試儀。