一種基于STM32的簡易電路特性測試儀

張以凝 馬馨童

摘要：隨著電子行業(yè)的不斷發(fā)展，電子元器件的使用規(guī)模以及元器件損壞的數量也日益增長，本次設計意在設計一個電路特性測試儀。可以根據用戶所寫程序，通過輸出信號的變化，判斷元器件是否損壞以及分析故障原因。本設計以STM32單片機為核心，輔助以FPGA等實現信號的頻譜分析。系統主要由：本機振蕩器模塊，混頻器模塊，信號采集模塊，頻譜顯示模塊，輔助電源模塊等模塊組成。

關鍵詞：STM32;FPGA;混頻;數字波形合成;信號采集

簡易電路特性測試儀

本系統主要由振蕩器模塊，混頻模塊，信號采集模塊，頻譜顯示模塊，輸入端電路模塊，輸出端電路模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

采用stm32單片機內部電路產生高頻的方波信號和低頻的正弦波信號。信號產生簡單，噪聲干擾小，適合于本系統。

采用AD835乘法器專用芯片。將本振信號和輸入信號相乘得到二者頻率的和差信號，達到混頻的效果。AD835對小信號的乘法精度較高，不易產生新的頻率分量，混頻帶寬大，噪聲系數低，傳輸函數簡單，外圍元件少。

采用AM非相干檢波電路。檢波器由二極管和RC電路組成，二極管兩端的電壓高低變化，可對電容充放電。該電路結構簡單，選取適當的C，R即可構成需要的檢波電路。

頻幅特性曲線與故障原因由OLED模塊顯示，由四路AD采集電路采集輸入輸出信號，經過運算，可以顯示出輸入輸出電阻阻值、放大器電路增益和頻率上限，并繪制出頻幅特性曲線。并可判斷出故障情況以及故障原因。

本題的放大器電路是以三極管VTI9013為放大器的共射極放大電路。

2.1.1 基本參數測量

（1）輸入電阻測量

測量輸入電阻時，放大器內部電路可以等效于在輸入端接一個輸入電阻Rin到地，因此在放大器電路的輸入端串聯一個10K左右的電阻Rs，向Rs輸入一個低頻正弦小信號，采集輸入端的電壓信號，根據串聯電路上電流相等的原理，可以算出輸入電阻Rin。

（2）輸出電阻測量

放大器電路可以等效于一個放大后的交流源加一個電阻連接輸出端，因此測量輸出電阻時，在輸出端串聯一個2K左右的電阻并接地，利用二極管和RC電路，采集輸出端口的交流電壓信號的均值和峰值，從而算出輸出電阻阻值。

（3）增益測量

采集得到輸入電壓信號、輸出電壓均值和峰值，把輸出電壓峰值與均值，再將得數倍增，得到輸出電壓峰峰值，再與輸入電壓的峰峰值相除，即可得到電路增益Q。

（4）幅頻特性的測量與顯示

在測輸出側的幅頻特性曲線時，需要測輸出的頻率上限值，測輸出電壓的頻率響應幅度響應下降3dB時對應的頻率，測量頻率從1kHz增大，控制正弦波和方波作為輸入信號，不斷采集電路增益，并連續(xù)顯示并繪制，即可得到幅頻特性曲線。

2.1.2 故障測量

（1）電阻故障分析

若將R1開路，則三極管發(fā)射級兩端的開啟電壓將全部由輸入信號提供，難以開啟三極管，所以輸出電壓波形失真，且集電極電流很小。若將R1短路，則無法使集電極反偏，三極管無法正常工作在放大狀態(tài)，使輸出為0。

若將R2開路，則三極管的基極點位降低，使得輸出電壓波形出現底部失真，輸出交流電流放大。若將R2短路，則輸入信號直接去地，輸出端交流信號為0。

若將R3開路，則三極管的集電極正偏，三極管起到開關作用，電路增益減小，輸出信號減小。若將R3短路，則信號采集模塊與VCC直接相連，輸出直流電壓為12V，在動態(tài)分析中，輸出交流電壓為0，但三極管仍處于放大狀態(tài)，所以輸出電流正常放大。

若將R4開路，則直流電流難以通過發(fā)射極流向地，三極管的發(fā)射極未導通，輸出交流電壓很小且波形失真，輸出交流電流也很小。若將R4短路，R2上分得的電壓全部加在三極管的發(fā)射極兩端，則共射放大電路的帶負載能力減弱，輸出交流電壓出現底部失真;因為R4被短路，所以發(fā)射級電流很小，信號不能正常放大。

（2）電容開路故障分析

若將C1開路，則放大器電路輸入端無信號輸入，因此輸出信號為0。

若將C2開路，則三極管的發(fā)射級電阻缺少旁路電容，放大后的交流電流會通過射極電阻到地，使得放大后的交流電流減小，使得放大倍數減小。

若將C3開路，則放大器電路的輸出端缺少去耦電容，使得輸出端放大倍數降低，也使輸出信號中噪聲分量增大，放大器電路的輸出信噪比降低。

（3）電容倍增故障分析

若將電容C1的容量增大兩倍，則濾除低頻信號中高頻噪聲分量的能力降低，輸入噪聲增大，經過放大電路后輸出噪聲干擾增大，使放大器電路的輸入輸出信噪比降低。

若將電容C2的容量增大兩倍，則電路放大倍數增加，但當輸入信號頻率較大時，旁路電容C2對高頻信號的感抗增加，因而影響到高頻濾波效果。

若將電容C3的容量增大兩倍，則當輸入信號頻率較大時，去耦電容C3對放大器輸出的高頻信號的濾波影響增大，使得輸出信號的幅值減小。

2.2.1 根據串聯電路電流相等的原理，可得輸入電阻 ：

2.2.2 在低頻信號輸入條件下，輸出電阻Ro可得：

2.2.3 在低頻信號輸入條件下，輸入電壓峰峰值為Ui-p，輸出交流電壓最大值為Uo-max，輸出直流電壓為Uo-av，電路增益Q的計算：

系統總體框圖如圖1所示，主要包括輔助電源模塊、放大器電路模塊、stm32單片機，輸入端電路模塊、輸出端電路模塊和顯示模塊六個部分。本系統可實現自動檢測放大器電路中電阻電容的工作狀況，以及顯示出電路的頻譜特性。

系統總電路圖如下：

主程序首先進行各項功能的初始化，包括STM32系統時鐘配置、ADC及DMA配置、定時器（PWM控制器、PID調節(jié)器中斷）初始化等。通過按鍵控制繼電器，切換輸入信號，再對輸入端和輸出端共四路的AD信號采集并運算，并從OLED屏幕中顯示，從而可直觀的得到需要的誤差分析的數據與誤差原因判斷的結果。

測試方案

在放大器電路輸入端，給若干合適的信號，觀測輸出端的電壓電流波形與參數。

輸入端電路模塊測試：先在測試電路輸入端連接降壓電路和繼電器模塊，輸入合適的信號，測試繼電器模塊功能，觀測降壓輸出信號，以及放大器電路輸出信號是否正常。再接上繼電器的控制電路和兩路輸入信號電路，測試不同放大器電路輸出是否正常。

輸出端電路模塊測試：先在放大器的輸出端接上測試電阻以及降壓電路，觀測降壓輸出是否正常。再接上電壓峰值和電壓均值采集電路，觀察采集波形數據是否正常。

參考文獻：

[1]譚浩強.C語言程序設計[M].北京：清華大學出版社，2012.

[2]清華大學電子學教研室閻石主.數字電子技術基礎，（第三版）[M].1989.