一種基于STM32單片機的放大電路特性測試儀*

任青蓮,陶 瓏,郭燕飛,陳東良

(1.太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原 030024;2.太原科技大學 華科學院，山西 太原 030024)

0 引言

輸入電阻、輸出電阻、放大倍數和頻率特性是放大器的重要性能指標，通過對這些指標的測量可以確定該放大器能否在特定的系統中發揮其正常功能。傳統的測試方法需要用到信號發生器、萬用表、毫伏表、示波器等，操作過程比較復雜，而且對電路故障的判斷比較繁瑣。為此，設計一種基于STM32單片機的放大電路特性測試儀，可以解決傳統測量方法的不足，大大提高電路設計和調試的效率[1-3]。

1 放大電路特性測試儀總體方案設計

本放大電路特性測試儀采用單片機作為控制及數據處理的核心，將設計任務分解為單片機最小系統、DDS信號源、被測電路、輸入/輸出信號采樣、按鍵輸入、測試結果顯示等功能模塊，其結構框圖如圖1所示[4]。

圖1 基于STM32單片機的放大電路特性測試儀結構框圖

單片機接收從鍵盤輸入的任務命令，送出指令和數據給DDS信號發生器，由DDS函數信號發生器產生所需的正弦信號或掃頻信號；經過衰減網絡，將信號發生器產生的信號源調理成小信號，以確定被測電路工作在線性區；輸入信號采樣電路和輸出信號采樣電路采集被測放大電路的輸入電壓、輸入電流和輸出電壓；采樣信號由單片機采集、存儲、處理及顯示，完成放大電路輸入電阻、輸出電阻、放大倍數、幅頻特性曲線和電路故障診斷等結果的顯示[5-7]。

2 功能模塊設計

2.1 主控單元

采用STM32F103RCT6單片機作為主控核心，其內核為32位高性能處理器，時鐘頻率高達72 MHz，內部集成了時鐘、電源管理、通信接口、定時器、3個12位ADC、2個12位DAC、DMA、豐富的I/O口等資源，能快速、高效地讀取、計算和傳輸數據，而且功耗低，價格低廉。

主控單元主要集成了STM32F103RCT6單片機、4個按鍵模塊、液晶顯示模塊、電源模塊、USB轉串口模塊、一鍵下載電路模塊、復位按鍵模塊等[8-10]。

2.2 DDS函數信號發生器模塊

信號發生器產生被測電路所需的正弦信號和掃頻信號，其性能的優劣直接影響后續電路的工作狀態和測量精度。本設計選用高性能的DDS集成芯片AD9850作為信號發生器的核心器件，該芯片在125 MHz時鐘頻率下輸出信號頻率分辨率可達0.029 1 Hz，最高輸出頻率可達40 MHz。

信號發生器由AD9850芯片外加時鐘電路、七階橢圓低通濾波電路、電源濾波電路和指示電路構成，如圖2所示。

圖2 函數信號發生電路

AD9850的IOUTB和IOUT外接電阻100 Ω，這樣AD9850輸出信號的峰峰值為1 V。AD9850的字輸入時鐘信號端W_CLK、頻率更新時鐘信號端FQ_UD、復位端RESET與單片機PC口的相應管腳及NRST管腳連接，40位頻率/相位控制字采用串行方式由單片機PA0送入AD9850的D7管腳。通過單片機實現對頻率控制字、字輸入時鐘、頻率更新時鐘信號及DDS復位的控制，產生穩定的正弦信號和掃頻信號，掃頻信號可在50 Hz～4 MHz范圍內根據需要任意設置，掃頻步長可以在10 Hz～10 kHz內調整。

2.3 輸出衰減電路

DDS輸出信號經濾波后峰值基本還是1 V，考慮到不同的被測電路所能承受的輸入電壓不同，以及在對被測電路測試時有時需要測量不同輸入電壓下的響應，需要對信號進行衰減。程控衰減電路如圖3所示，通過單片機控制模擬開關CD4066中四個開關SWA～SWD的接通或斷開可實現0 dB～30 dB衰減，衰減步長2 dB，可根據被測網絡需要通過單片機控制其衰減量。

圖3 程控衰減電路

2.4 輸入電流采樣電路

圖4為輸入電流采樣電路，左側虛線框中us為等效衰減之后的信號源，Ri為等效被測電路的輸入電阻，ui為電阻Ri兩端的電壓值，R為采樣電阻；右側部分為所設計的采樣電路，其中運放A1～A3和電阻R1～R4構成精密儀用差分放大電路，其輸入為采樣電阻兩端電壓，其輸出電壓為uo1，電阻R5、R6和電源Vcc形成分壓電路，將uo1疊加一偏置電壓，輸入到電壓跟隨器A4，獲得合適的電壓uo，送給單片機A/D端口。

圖4 輸入電流采樣電路

采樣電阻R過大容易引入干擾，過小會使測量誤差較大。在實際測量中，一般取R接近放大電路輸入電阻Ri，在此取2 kΩ。由于采樣電阻兩端電壓很小，為提高測試精度，差分放大電路電阻取為：R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=33 kΩ，R4=330 kΩ，則增益為34 dB。

2.5 輸出電壓采樣電路

圖5為輸出電壓采樣電路，因繼電器導通電阻近似為0，斷開電阻為無窮大，選用繼電器作為開關接通或斷開負載，由單片機控制其通斷，分別檢測放大電路有載和空載輸出電壓，由此計算輸出電阻。在判斷電路故障時需采集被測網絡的直流分量，其值遠大于單片機ADC所允許的輸入信號范圍，為滿足需要將輸出電壓信號衰減并移位。圖5中，電阻取值為：R′=500 Ω，R7=10 kΩ，R8=10 kΩ，R9=R10=10 kΩ，R11=R14=20 kΩ，R12=R13=10 kΩ，RL=2 kΩ，輸出信號衰減6 dB并向下移3 V。

圖5 輸出電壓采樣電路

3 軟件設計

3.1 主程序設計

本測試儀主程序和按鍵中斷相互獨立，4個按鍵分別為進入任務、任務選擇上、任務選擇下、任務結束進入下一任務選擇，主程序流程如圖6所示。開機后程序自動完成各硬件初始化，進入主界面，經過任務選擇后進入所選的測試項目開始自動測量及顯示，保持數據顯示后即可按任務結束鍵退出當前任務進行下一項測試。

圖6 主程序流程

3.2 故障判斷

當被測電路發生故障時，單片機控制DDS輸出中頻正弦信號到被測電路，根據采集到的輸入電流、輸出電壓直流分量、輸出電壓交流分量進行判斷，根據靜態工作點偏移、輸入電阻的增大或減小、電壓放大倍數的變化初步判斷被測電路中電阻或電容是否短路或開路。

如果經過判斷發現該電路的輸入電流、輸出直流電壓、輸出交流電壓都為正常值，則使用高頻信號和低頻信號判斷其上、下限截止頻率是否發生改變，進一步確定電容值是否發生變化。

由于只是對電路故障進行分析，不進行精確采樣計算，對采樣精度要求不高，因此進行故障分類分析時，每次輸出固定頻率后采樣時間縮短為0.5 s，最多經過3次不同頻率信號輸出和采樣分析，約1.5 s即可將故障原因進行分類。

4 測試與結果分析

4.1 被測電路

為了驗證本電路特性測試儀的功能和性能，建立的被測電路如圖7所示。

圖7 被測電路

4.2 測試結果

用所設計的電路特性測試儀通過任務按鍵選擇測量被測電路的輸入電阻Ri、輸出電阻Ro、電壓放大倍數Au、上限截止頻率fH、下限截止頻率fL，與所給被測電路的理論值進行比較，計算得出各指標的測量誤差，結果如表1所示。

表1 被測電路的實際測量與理論計算數據

由于該被測電路的通頻帶為幾百赫茲到幾千赫茲，因此測試其幅頻特性時單片機控制DDS函數信號發生器的掃頻信號范圍為50 Hz～1 MHz，DDS輸出掃頻信號如圖8所示。電路特性測試儀自動測量并顯示該放大器的頻幅特性曲線，結果如圖9所示。當電路發生故障時，如電阻開路或短路，電容開路或電容量增大時，系統可快速判斷并顯示故障原因，所有性能基本滿足預期要求。

圖8 DDS輸出掃頻信號(50 Hz～1 MHz)

圖9 被測電路的幅頻特性曲線

5 結束語

本文設計的簡易電路特性測試儀硬件電路簡單，程序設計靈活，便于操作，能準確快速地分析電路特性，并可對電路進行故障診斷，還可以根據需要對系統進行功能擴展和性能改進，可用于相關課程的實驗教學，簡化操作過程，提高電路測試和調試效率。