靳濤

（哈爾濱工程大學 黑龍江省哈爾濱市 150001）

本測試儀是以2019年全國大學生電子設計競賽D 題為原型，實現一套簡單的簡易電路特性測試儀，該系統應具有信號發生模塊，信號檢測模塊，信號判斷處理模塊，示波器信號采集模塊，以及顯示模塊等。系統整體模塊圖如圖1 所示。技術難點在于輸入信號幅值較大時經過放大器放大會變的更大，難以用ADC 采集和比較，輸入信號幅值較小則難以采集，輸出電壓不固定造成難以通過分壓的簡單方式測量輸入輸出阻抗，此外顯示幅頻特性曲線對于小屏幕也難以操作。

1 方案比較與論證

1.1 整體設計方案選擇

1.1.1 單片機的選擇

方案一：采用STC89C51 單片機對各個模塊進行控制。51 單片機程序設計簡單容易入手，價格便宜。但是，51 單片機沒有顯示屏模塊和AD 轉化模塊，用于本作品的話，還需要額外增加這兩個模塊，而且用51 單片機實現對這兩個模塊的控制難度大。

方案二：采用STM32F407 單片機作為系統控制核心。STM32單片機功能強大，附帶有顯示屏模塊和AD 轉化模塊，可直接通過程序進行控制。

方案選擇：考慮到程序設計的難易程度和電路連接的復雜程度，采用方案二。

1.1.2 信號發生模塊的選擇

方案一：測量輸入阻抗，輸出阻抗，增益時通過STM32F407單片機的DAC 產生需要的信號，測量幅頻特性曲線時通過STM32單片機的PWM 掃頻實現，兩種波形的切換通過單片機的IO 口的不同電壓改變三極管的導通情況控制繼電器切換實現。

方案二：采用鎖相環間接頻率合成方案。鎖相環頻率合成在一定程度上解決了既要求頻率穩定精確、又要求頻率在較大范圍可調的矛盾。但輸出頻率易受可變頻率范圍的影響，輸出頻率相對較窄。

方案三：選用單片壓控函數發生器 MAX038.若將MAX038 輸出設置在正弦波模式下，只需要很少的外部原件，就可以 輸出高頻特性較好、頻率范圍較寬的正弦波。但由于其為壓控型芯片，產生信號 的頻率穩定性差、精度低、抗干擾能力不強、靈活性差。

圖1：系統整體模塊圖

圖2：系統整體框圖

方案選擇：三種方案均可進行，但是方案一僅的關鍵是程序控制單片機運轉，對于硬件電路要求較低，本著節省成本的原則，選擇方案一。

1.1.3 信號檢測模塊的選擇

方案一：使用以AD637 為核心的檢波電路，由AD637 構成的轉換電路具有準確度高、穩定性好、頻帶較寬等特點,無論對失真波形還是非周期波形都可以高準確度測量其有效值，先使用精密檢波模塊對電路波形的采集與檢測轉換為有效值，后期再經由模數轉換交由主控芯片處理。

方案二：直接通過STM32 單片機的ADC 采集，不需要過于復雜的電路，簡單快捷。

方案選擇：單片機STM32 主控的ADC 采集具有采集速度快，配套程度高，外圍電路簡便，程序編寫簡便，穩定性強的優勢，故選擇方案二。

1.1.4 射極跟隨器模塊的選擇

方案一：ADA4522-2 為雙通道、零漂移、低噪聲、低功耗、具有接地檢測輸入和軌到軌輸出的運算放大器，并針對隨時間、溫度和電壓條件變化的總精度進行了優化。這些器件具有寬工作電壓和溫度范圍、高開環增益、極低直流和交流誤差，適合在各種應用中放大極小的輸入信號并精確再現較大的信號。

方案二：OPA695 是一種高帶寬、電流反饋運算放大器，它結合了異常的4300 V/s 旋轉速率和低輸入電壓噪聲來提供精確、低成本、高動態范圍的中頻放大器。優化的高增益操作，OPA695 是理想的緩沖聲表面波(SAW)濾波器在中頻帶，或提供高的輸出功率在低失真的電纜調制解調器上行線路驅動器。

表1：檢測功能故障分析表

方案選擇：綜上所述，為了連接兩個電路，起到隔離作用，需要輸入阻抗高，輸出阻抗低，因而從信號源索取的電流小而且帶負載能力強的電路，我們運用了OPA695 運算放大器，做射極跟隨器，減少電路間直接相連所帶來的影響，起緩沖作用，以便測量，選擇方案二。

1.2 系統整體方案的選擇

方案一：由MCU 控制DDS 發出信號，由檢波電路檢測，模數轉換后交由MCU 處理，三極管放大電路配以模擬開關，通過VCA821，加以固定運放檢波，模數轉換后即可測得。

方案二：由STM32F407 擔任電路主控，加以PWM/ADC 切換模塊，射隨模塊，與電源連接的三極管放大電路，再經射隨模塊，輸出電壓模塊反饋，最后在OLED 屏幕上加以顯示，整體電路主要通過程序控制硬件電路完成各項指標任務。

方案選擇：方案一中的硬件電路搭建起來較為復雜，成本較高，仿真雖然容易實現，但是各級配合需要考慮到阻抗匹配等因素，不確定性較大，本著省時省力低成本的原則，采用方案二。

1.3 系統整體框圖

如圖2 所示。

2 理論分析與計算

由模擬電子技術基礎理論分析，并在Multisim 上仿真得出輸入電阻，輸出電阻，增益，幅頻特性曲線，具體分析如下：

2.1 輸入、輸出電阻

2.2 放大器的增益

圖3：軟件設計流程圖

β 范圍144-202，Au 范圍95-134 計算放大倍數，輸入信號Ui=20mVpp，輸出信號Uo=2.44Vpp。Au=Uo/Ui=122，模擬結果在理論計算的范圍內。

2.3 檢測故障功能實現

首先分析電路各元件狀態改變時電路參數對應產生的變化：

由表1 可知，在電路中電阻，電容狀態發生改變時，電路中特定的物理參數會發生相應的改變，而這些變化是唯一的、互不相同的，基于此種現象，我們可以加以利用作為判斷的依據，因此我們在程序中使用了大量的IF 條件函數，對于電路中發生的變化進行檢測并設定相應的閾值，設定數據相對于閾值的變化也相應地進行判斷，并且根據判斷的結果產生相應的字符顯示到OLED 屏幕上直觀的反映出來。

3 電路與程序設計

3.1 PWM/ADC切換模塊

通過單片機的一個io 口控制三極管9013 的通路情況操作繼電器控制PWM 和DAC 的輸出切換。

3.2 射隨模塊（100：10縮小）

射極跟隨器將交流電流放大，提高整個放大電路的帶負載能力，減少電路間直接相連所帶來的影響，起緩沖作用。此外，為縮小輸入信號的幅值采用分壓的方式減小輸入信號幅值。

3.3 待測三極管放大電路

3.4 輸出阻抗測量模塊

通過單片機的一個io 口控制三極管9013 的通路情況實現2k電阻是否連入電路中，從而利用分壓的方式測量輸出電阻。

3.5 射隨模塊（100：33）

射極跟隨器將交流電流放大，提高整個放大電路的帶負載能力，減少電路間直接相連所帶來的影響，起緩沖作用。此外，為測量輸出電壓采用分壓的方式減小電壓。

3.6 輸出電壓測量模塊

利用二極管峰值檢測測量峰峰值，利用濾波器測量平均值，從而計算出輸出電壓。

3.7 軟件設計流程圖

如圖3。

3.8 程序功能描述與設計思路

（1）通過STM32F407 開發板設計程序，實現被測電路的輸入輸出以及增益和頻率特性的測量。

1.按鍵實現輸入輸出阻抗和增益，掃頻功能，清零復位功能。

2.顯示部分，通過液晶顯示屏顯示出測量值以及頻率特性曲線。

（2）程序設計思路。輸入輸出阻抗部分通過電路測量被測電路的電壓電流最終在液晶屏上顯示出測量值，頻率特性曲線通過掃頻來確定。

4 系統測試

4.1 測試儀器及測試方法

4.1.1 測試儀器

電源、示波器、信號發生器。

4.1.2 測試方法

（1）輸入、輸出電阻測量。測試方法：用示波器測量出放大器電路輸入和輸出端對地的電壓值，再測出輸入輸出端串聯電阻兩端的電壓，通過歐姆定律計算出輸入和輸出端的電流值。再通過歐姆定律求得輸入、輸出電阻。

（2）放大器增益測量。測試方法：將放大器模塊單獨拿出，輸入端接信號發生器，輸出端接示波器。令信號源發出頻率為1kНz、幅度范圍為0-130kНz 的正弦波。觀察示波器信號放大后幅值大小。放大器增益Au=Uo/Ui。

（3）幅頻特性曲線測試。測試方法：放大器輸入端接信號發生器，輸出端接示波器。手動調節正弦信號的輸出頻率，使其從大到小變化。觀察示波器上信號幅值的變化，記錄一組數據（幅頻特性），畫出幅頻特性曲線。

4.2 誤差分析

在測試過程中，發現有許多處地方存在誤差。主要有：

（1）在電路連接過程中，電路顯示不穩定，存在著波形失真、不穩定等情況，測試存在著誤差。

（2）單片機讀取數值本身存在著誤差，需要對單片機的數值進行校準，單片機測試次數過少也會使得測量存在不穩定性。

（3）連接電路方式多性，測試存在很強的不穩定性，各處不同的連接可能會引起短路、斷路等問題，使測量出現錯誤。

（4）模塊在剛開始搭建過程中，未加高低通濾波器，使得測量值存在各種諧波分量，測試結果存在很大誤差。

（5）DDS 在產生信號過程中，并非一直穩定，產生不穩定的信號將使得后期測量的結果不穩定。

（6）不同的示波器存在著不同的內阻，且老式示波器無法調節阻抗，部分時候會使得測量得到的信號不能得到完整的測量。

5 結論

通過合理設置電路參數，作品可以較好的實現對輸入，輸出量的采集，并且可以通過變頻等方式檢測電路參數變化情況，解決題目要求首先需要對三級管電路的原理進行精確分析，構建其參數方程，通過采樣數據求得未知量，還需要充分考慮AD 采樣的范圍需求，對信號中的交直流量進行合理調整，還要注意對正弦信號的采樣位置，盡量避免幅值采樣中負電平對采樣數據的干擾。