基于STM32的電路特性檢測儀

摘 要：本文介紹了一種基于STM32F407核心板的電路特性檢測儀，主要針對以BJT、FET和運放為核心的簡單電路。設計以DDS信號發生器作為信號源，可產生1kH的正弦波信號;以電壓跟隨、差分放大電路以及峰值檢測電路組成輸入檢測電路，以電壓跟隨、峰值檢測電路、RC低通濾波、運放輸出、開關電路組成輸出測試電路;以STM32F407作為系統控制和數據處理的核心，并控制信號發生器產生源信號，同時對測試電路產生的電路特性進行檢測和處理得到被檢測電路特性數據值。此檢測儀可較精準地檢測出電路的各項數據。

關鍵詞：STM32F407單片機;DDS信號發生器;自制PCB檢測電路;電阻分壓法

在電路設計過程中，電路檢測儀是必不可少的，它不僅可以測量電路的各項參數，還可以檢測電路的故障。但其中適用于學生的、低成本的，且是針對BJT、FET和運放的電路特性測試儀還是比較少的。本設計則在滿足上述條件的同時，又保證了低成本——選用NE5532、LMD358和AD620等低成本芯片，還通過優化電路使得測量的結果達到較高的精度，且同時兼備操作方便、檢測結果直觀明了的優點。

一、檢測儀的硬件組成及原理

檢測儀主要由控制部分和外圍電路兩部分組成。控制部分的核心是STM32F407控制板，外圍電路由DDS函數信號發生器、輸入檢測電路、輸出檢測電路和輸出顯示屏組成。外圍電路的主要功能是得到輸入、輸出電阻和增益的數據信息并傳給控制中心，控制部分的主要功能是收集和處理信息得到具體數據值，分析被測電路的變化和故障，最后將數據和分析結果顯示在LCD屏上。

（一）硬件電路的第一部分為輸入測試電路。輸入測試電路由一個可變電阻Rg和測量電路并聯組成。采用電阻分壓法，將測試電路與待測電路串聯后，測試電路可得Rg兩端電壓，通過AD620進行差分放大，增益為G=49.4/KΩ/Rg+1，再將放大后的信號通過峰值檢測電路轉換成直流輸出，可得到所需電壓Vg。令輸入為Vs，被測電路實際輸入為Vi，測量電路分壓為Vg，輸入電阻具體計算公式如下：Ri = Rg（Vs/Vg - 1）。

（二）硬件電路的第二部分為輸出測試電路。輸出測試電路由直流測量和交流測量兩大回路組成。直流測量端可得到無負載下的輸出電壓，先通過電壓跟隨器保證輸入電壓和輸出電壓是相同的，再經過4級RC無源濾波濾除，有效濾除交流分量，最后經過5倍的衰減得到Vdc，Vdc=Vpp/5（Vpp是待測電路的輸出電壓直流分量）。交流測量端可得到有負載下的輸出電壓，先經過電壓跟隨器，再通過交直流轉換電路得到Vac，Vac=Vpp/2。根據電路原理相關公式可求得兩種情況下的Re，由輸出電阻和負載是并聯的可求得Ro，由已知條件也可求得電壓增益Vo。

二、硬件設計的的元件選擇

信號源選擇以AD9854為核心的DDS信號發生器，精度高、功耗低，可產生1kHz的正弦波和方波。輸入、輸出測試電路中，采用NE5532和LM358D作為電壓跟隨器的核心，使用以AD620為核心的差分放大電路G=49.4/KΩ/Rg+1和LM358D的放大電路進行信號的放大，使用無源濾波濾除交流分量，成本低且簡單。選用的各類元件成本低且使用方便。

三、軟件設計

本測試儀的程序設計是結合實際測試電路來配置程序的底層，各個模塊間的數據是相互調用的，具體流程為——STM32通過多次逼進采集正弦信號峰峰值，計算平均值獲得所需電壓值，再經過相關計算獲得輸入阻抗、輸出阻抗和放大倍數，之后通過產生正弦掃頻信號，獲取不同頻率下的放大倍率，由此確定放大電路的上限截止頻率并繪制幅頻特性曲線，最后將數據結果傳給LCD程序進行顯示。

四、測試與結果分析

（一）利用自制的簡易電路特性測試儀對BJT、FET和運放放大電路參數進行測試并檢驗對故障狀態的監測效果，本文將展示對單管BJT放大電路的測試結果，另兩類電路的測試步驟結果與此相似，不再進行說明。測試所使用到的儀器有——GPD-33030型號的穩壓電源、DS1102CA型號的示波器、DG1022U型號的函數信號發生器和VC890D型號的萬用表。

（二）測試的說明如下：測試的輸入信號為1kHz，輸入阻抗理論值為2000Ω，輸出阻抗理論值為2000Ω，理論增益值為160dB，該信號的理論上限頻率為161kHz。表1的測試結果可說明——本設計可有效測出輸入、輸出阻抗、電路增益。雖然電子元器件、人為測試造成了一定的誤差，但此誤差在可接受范圍內。

五、結論

本測試儀以STM32F407嵌入式處理器為核心，搭配自制的電壓跟隨器、放大電路和峰值檢測電路，實現了對輸入、輸出電阻、增益和截止頻率的測量和對故障的分析檢測，可采用LCD屏幕顯示，使結果更直觀。經測試本儀器達到了工作穩定、測試準確、精度較高、操作簡單的設計目標，適用于低成本情況下對簡單電路的檢測。

參考文獻

[1]婁建安，馮衛，譚玉生. 數字頻率特性測試儀在教學中的典型應用[J]. 華北航天工業學院學報，2006.

[2]李裕. 基于零中頻正交解調頻率特性測試儀的設計與實現[D]. 武漢：華中師范大學，2015.

[3]童詩白. 模擬電子技術基礎[M].5版. 北京：高等教育出版社，2015.

[4]陳松，榮軍.一種簡易數字控制頻率特性測試儀的設計[J].電子器件，2015，38（4）：868-875.

作者簡介：

游依婷（1999—），女，漢族，四川成都人，學生，單位：西南石油大學電氣信息學院電子信息工程專業，研究方向：嵌入式控制和信號處理。