基于DDS的BJT放大器特性測試系統的設計

石夢航　黃松

摘 ?要： 由BJT構成的放大器電路目前廣泛應用于各類電子電路，而輸入、輸出電阻，增益，截止頻率，幅頻特性等作為BJT放大器的重要性能指標，對電路特性的測量和工作狀況的判斷具有重要意義。本文設計了一種基于STM32和DDS的BJT放大器特性測試系統，其中包括硬件電路搭建和軟件設計。系統通過按鍵實現多種測量模式的切換，利用采樣電路完成數據采集，通過STM32進行數據處理并將相應性能指標參數顯示在OLED上。測試結果證明，在誤差允許范圍內系統實現了對BJT放大器電路特性的有效自動測量。

關鍵詞：?放大器電路;直接數字式頻率合成器;性能指標

中圖分類號： TP23????文獻標識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.002

【Abstract】： Input resistance， output resistance， gain， cut-off frequency and amplitude-frequency characteristic are used to understand the important performance indicators of BJT amplifier， which is of great significance to the measurement of circuit characteristics and the judgment of working conditions. On that basis， a BJT amplifier characteristic test system based on STM32 and DDS is designed， including hardware circuit and software design. The switch of virous measurement modes is realized by pressing the button. The voltage collection is completed by the input and output voltage sampling circuit and the data is processed through STM32 and the relevant information is displayed on the OLED screen. The experiment and test results show that the device can automatically test the circuit characteristics of BJT amplifier.

【Key words】： Amplifier circuit; Direct digital synthesizer; Performance index

0??引言

由雙極結型晶體管構成的放大器電路廣泛應用于各種儀器儀表[1]，其輸入、輸出電阻，增益，截止頻率等各項參數指標的測量在工程應用中具有重要意義[2]。然而傳統的測量方法必須同時借助示波器等多種測試儀器進行反復測量和理論計算，成本較高且過程繁瑣。因此，設計能夠自動測量放大器各項性能指標的測試系統對簡化測量過程，提高檢測效率具有重要意義。本文設計的基于DDS的BJT放大器特性測試系統，能夠通過外接端口對BJT放

大電路的電路特性進行有效自動測量。

1??系統硬件設計

1.1??系統方案

系統硬件采用模塊化設計[3]，其硬件結構主要包括STM32單片機模塊，DDS信號發生模塊[4]、輸入電壓采樣模塊、輸出電壓采樣模塊、電源模塊[5]。系統通過按鍵進行模式選擇后，由STM32控制DDS輸出測試信號，同時采集由采樣模塊反饋的數據，將數據進行相關處理后得到相應性能指標，并直接通過OLED顯示。電路特性測試系統框圖如圖1所示。

1.2 ?DDS信號發生模塊

該模塊由以AD9833芯片為核心的信號發生電路及信號調理電路[6]構成，如圖2。信號發生部分可受STM32控制輸出帶寬為1?kHz～200?kHz且有效值穩定在500?mV左右的正弦波信號。考慮測量放大電路的電路特性對輸入信號的特殊要求，故需要設計調理電路對初始正弦波信號進行電壓調理。調理電路通過電壓放大電路和電壓跟隨電路將初始正弦

波信號電壓有效值縮小至10?mV左右。

1.3 ?輸入電壓采樣模塊

如圖3，該模塊用于測量待測放大電路前端串聯的1?kΩ分壓電阻R1兩端的電壓信號。

利用電壓跟隨電路和減法電路得到兩端電壓，為實現測量準確性，經由比例運算電路將放大5倍。由于STM32單片機端口輸入電壓范圍為0?V～3.3?V，不能接受負電壓，因此需對放大后的交流電壓5附加1.56?V的直流偏置以便測量。在測量放大電路輸入電阻時，利用DDS信號發生模塊輸出的電壓有效值以及該電壓采樣模塊所采集的分壓電阻電壓有效值即可由分壓原理計算得出放大電路的輸入電阻[7]即：

1.4 ?輸出電壓采樣模塊

該模塊由以AD637芯片[8]為核心的運算電路和輸出電壓直流采樣電路組成，如圖4。

受測放大電路輸出端口通過由STM32控制的繼電器與輸出電壓采樣模塊相連，運算電路可計算并輸出電壓交流有效值，直流采樣電路可測量電壓直流偏置大小。在測量放大電路輸出電阻時，STM32通過繼電器開關控制分壓電阻是否串入采樣電路。利用運算電路分別采樣串入電路與斷開時交流輸出有效值和即可計算得出放大電路輸出電阻Ro即：

2??系統軟件設計

測試系統軟件結構采用模塊化設計[9]，主體框架包含主程序模塊，模式選擇模塊，電路特性檢測模塊[10]。其中電路特性檢測模塊包含DDS配置模塊、輸入輸出電阻測量及增益計算模塊、頻幅特性測量模塊。

2.1 ?主程序模塊

當測試系統接通電源時，首先對系統進行初始化，隨后主程序不斷循環執行模式選擇和電路特性檢測這兩個模塊，如圖5所示。

2.2 ?模式選擇模塊

模式選擇流程如圖6所示。進入模式選擇后首先判斷運行標志位，即此時是否有其他工作未完成。若運行標志位為0則結束模式選擇，若為1則繼續進行模式選擇按鍵判斷。程序循環掃描判斷按鍵狀態，進行相應模式選擇和標志位操作。

2.3??電路特性檢測模塊

經模式選擇后，系統進入相應模式工作，分別為測量放大器輸入電阻、輸出電阻、放大器在特定輸入頻率下的增益和放大器的頻幅特性。每個模式均通過不同模塊完成，且模塊之間進行相應隔離以減少電磁干擾。

2.3.1 ?輸入電阻測量模塊

若按下按鍵一，則程序進入輸入電阻測量模塊，如圖7。由DDS信號發生模塊輸出頻率為1?kHz的正弦波，輸入電壓采樣模塊取得電壓并計算放大電路輸入電壓有效值。由串聯電阻分壓原理計算放大電路輸入電阻，最終測量結果顯示在OLED上[11]。最終清除運行標志位和模式一標志位并關閉信號發生模塊的輸出，結束此模塊。

2.3.2 ?輸出電阻測量模塊

若按下按鍵二，則程序進入輸出電阻測量模塊，如圖8。由STM32控制DDS信號發生模塊輸出頻率為1?kHz的正弦波并依次打開、關閉電磁繼電???器[12]，通過有效值運算電路分別取得輸出電壓有效值和。利用和求出放大器輸出電阻并在OLED上顯示，最后清除運行標志位和模式二標志位并關閉信號發生模塊的輸出，結束此模塊。

2.3.3 ?增益測量模塊

若按下按鍵三，則程序進入增益測量模塊，如圖9。進入模塊后首先控制DDS信號發生模塊輸出1?kHz正弦波，此后分別多次采樣得出輸入和輸出電壓有效值的平均值，以此計算得出放大器此時的增益并在OLED屏幕上顯示。最后清除運行標志位和模式三標志位并關閉信號發生模塊的輸出，結束此模塊。

2.3.4 ?頻幅特性測量模塊

若按下按鍵四，則程序進入頻幅特性測量模塊，如圖10。基于測量電路頻率特性的掃頻法[13]，此時DDS信號發生模塊輸出的正弦波將按照頻率數組Fre[ ]中儲存的頻率數值進行不等幅掃頻，直至掃完所存所有頻率值。每次掃頻時均將對放大器輸入、輸出電壓進行多次采樣并分別取其平均值，以此求得該頻率下放大器的增益并將數值存入增益數組。同時在OLED屏幕上以頻率為橫坐標，增益為縱坐標描點。掃頻結束后通過遞歸算法尋找增益最大值，并找出數組兩端與其3dB減小后最接近的兩個增益值F_U、F_D。而后在頻率數組Fre[ ]中找到與F_U、F_D相對應的頻率數值作為該放大器的上下限截止頻率，并在OLED屏幕上顯示。最后清零運行標志位和模式四標志位，結束此模塊。

3 ?實驗驗證

如圖11所示為本測試系統對應的放大器測試電路。

使用測試系統測量該BJT放大電路的各項特性。如圖12a，圖12b，圖12c，圖12d所示分別為所測得該測試電路輸入電阻、輸出電阻、增益、上限截止頻率及幅頻特性曲線。

如表1所示，測試結果表明在一定誤差允許范圍內，該測試系統能夠較為精準地測量放大電路輸入、輸出電阻，增益以及上限截止頻率，同時能夠較為精準地描繪測試放大電路的幅頻特性曲線，符合設計要求。

4 ?結束語

本文設計了基于DDS的BJT放大器特性測試系統，并搭建了相應測試電路。實驗測試結果表明，在較小誤差范圍內，系統能夠較高精度自動測量放大電路的輸入、輸出電阻，增益，上限截止頻率并繪制其幅頻特性曲線，直接顯示在OLED上。與傳統測量方法相比，該測試系統具有高精度、智能化、易操作等優點，滿足工程測量的需求。

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