基于MSP430F149 的電路特性測試儀設計

張亞周，孫艷麗，任博琳

（1.海軍航空大學 航空基礎學院，山東 煙臺 264001；2.海軍航空大學 學員4 隊，山東 煙臺 264001）

如今的測量儀器在處理數據時的實時性和準確性難以兼顧，數據量較大時難以反映電路特性參數和穩定的測量指標[1-3]。該文針對電路檢測中的常見問題，以MSP430F149 單片機為控制和數據處理核心，設計一個用來測量特定放大電路性能并能判斷該放大器由于元器件變化而引起故障原因的簡易電路特性測試儀，將電路的Multisim 仿真結果和實際儀器測量結果進行對比，絕對誤差在5%以內，驗證了該方案的有效性和可行性。

1 系統設計方案

該系統以MSP430F149 單片機為控制和數據處理核心。信號源模塊采用直接數字合成法（DDS），該方法采用AD9834 DDS 芯片不僅可以產生不同頻率的穩定正弦波，還可以控制幅值大小，頻率分辨率高，易于控制，電路簡單易行[4-6]。

系統設計框圖如圖1 所示，MSP430F149 控制AD9834 發出特定頻率和電壓的正弦波信號，信號經放大器電路放大后通過AD637 模塊輸出直流信號，ADC 模塊采樣后再經過MSP430F149 進行信號處理，處理結果顯示在液晶顯示屏上。

圖1 系統設計框圖

2 理論分析與計算

2.1 總體原理分析

給定電路如圖2 所示，該電路是一個分壓式偏置放大電路，它的輸入電阻、輸出電阻、電壓增益和幅頻特性等基本性能，可由放大電路輸入端的電壓和輸出端的電壓根據特定的公式來分析計算。故障檢測時，將故障時的輸入信號、輸出信號與正常值進行比較，判斷故障原因。這就需要對各類故障進行梳理歸類，通過Multisim 仿真，建立一個故障庫，通過遍歷故障庫來排查電路存在的故障及原因[7-9]。

圖2 被測電路仿真圖

2.2 動態參數的理論分析

1）輸入電阻測量

輸入電阻測量示意圖如圖3 所示，R為已知的外接電阻，測出測試儀輸入端電壓Vi，測試電壓源輸出電壓Vs（DDS 直接輸出或經運放電路縮小），則輸入電阻[10]如式（1）：

圖3 輸入電阻測量示意圖

2）輸出電阻測量

輸出電阻測量示意圖如圖4 所示，設放大器輸出電阻為Ro，其空載輸出正弦電壓的有效值為Uo；再加阻值為RL的負載，測量輸出正弦電壓的有效值變為UL，則根據電阻串聯分壓原理有RL/(Ro+RL)×Uo=UL，由此計算Ro=(Uo/UL-1)RL，需要采用一個繼電器控制負載電阻RL是否接入[11]。

圖4 輸出電阻測量示意圖

3）電壓增益

電壓增益是衡量放大電路放大能力的指標，是輸出電壓Uo與輸入電壓Ui之比，記作

2.3 Multisim軟件仿真結果驗證

在面包板上搭建圖2 所示放大器電路的實際電路，利用信號發生器輸出頻率為1 kHz 的正弦波信號，并在20～40 mV 之間變化，將其連接到放大器電路的輸入端，測量其輸入電阻、輸出電阻以及增益，將理論值與Multisim 軟件仿真結果進行對比，進而驗證Multisim 軟件仿真結果是否正確。經計算，電阻相對誤差的絕對值不超過2%，電容相對誤差的絕對值不超過10%，如表1 和表2 所示。

表1 電阻的相對誤差

表2 電容的相對誤差

實際電路放大器參數測試結果如表3 所示。利用Multisim 搭建電路進行仿真，得到的仿真結果如表4所示。把實際放大器電路實驗的結果與Multisim搭建電路仿真結果進行對比，可以認為Multisim 的仿真結果可以模擬實際電路。

表3 實際電路放大器參數測試結果

表4 Multisim搭建電路仿真結果

3 系統軟件設計分析

3.1 主要模塊程序設計

該測試儀共用一個MSP430F149 單片機，作為信號輸出控制端和信號接收處理端。信號輸出端通過對AD9834 的設置，實現信號輸出，并在12864 液晶屏上顯示交互界面，進行頻率模式選擇以及參數顯示。在掃頻模式中，通過單片機內部時鐘控制，使DDS 掃頻更新與接收端的AD 采樣同步進行[13-14]。信號接收端將采集的數據經過平滑濾波，對其進行解析并保存，最后將其顯示在液晶屏上。其流程圖如圖5 所示。

圖5 軟件設計流程圖

3.2 程序設計

通過人機交互測試輸入電阻、輸出電阻、放大倍數、幅頻特性、故障診斷，在測試輸入電阻、輸出電阻及放大倍數時，均主要測試Vi、Vs[15-16]。

故障診斷時，首先由MP430F149 判斷輸入信號是否為零：

1）當輸入為零時，進一步判斷輸出電壓值，各器件對應故障情況如下：

①R1短路：UB=12 V，UE=11.3 V，此時三極管處于飽和狀態，因此集電極電壓UC=11.6 V ≈VCC，此時輸出電壓值接近

②R2短路：UB=0，三極管截止，UC=VCC。

③C1開路，此時輸出電壓值位于7～8.5 V 之間。

2）若輸入信號不為零，判斷有無輸出信號，若輸出為零，說明C3斷路。

3）若輸入輸出信號都不為零，則通過判斷輸出電壓值與輸入電阻值進一步確定故障點：

①若輸出電壓有效值小于11 V，根據輸出電壓有效值判斷故障點：

a.R2開路：對于分壓偏執電路，分析時近似認為流過R2的電流遠遠大于基級電流IB，R2開路后，原來流過R2的電流不得不流過基級，而三極管的基級電流受電流增益的限制，其值通常較小，這就導致R1的壓降減小，從而使得基級電位升高，導致集電結正偏，使三極管進入飽和狀態，此時輸出電壓有效值為4～4.5 V。

b.R3開路：R3開路后，集電極電流IC=0，輸出電壓約為150～250 mV。

c.C2開路：此時輸出電壓值位于7～8.5 V 之間，輸入電阻Ri=9～11 kΩ。

②若輸出電壓有效值大于11 V，進一步結合輸入電阻值判斷故障點：

a.R1開路：當R1開路時，基級電流IB=0，此時三極管截止，則IC=0，因此R3上無壓降，因此集電極電位UC=VCC，對應輸入電阻值Ri=14～16 kΩ。

b.R3短路：此時集電極電位UC=VCC，對應輸入電阻值Ri=2～3 kΩ。

c.R4開路：R4開路后，發射極與地之間斷開，電流IE=0，因此集電極電流IC=0，電阻上沒有壓降，集電極電位UC=VCC，輸入電阻值Ri=10～12 kΩ。

具體過程如圖6 所示。

圖6 故障檢測樹狀圖

4 測試結果

4.1 動態參數測量

主要測量輸入電阻、輸出電阻及電壓增益3 個參數。電路特性測試儀輸出頻率為1 kHz，有效值為30 mV 正弦波信號時，自動測量的輸入電阻值、輸出電阻值及放大電路電壓增益測試與實際電路測試的結果如表5 所示。

表5 動態參數測量結果對比

4.2 故障診斷

1）電路故障。任意開路或短路R1～R4中的一個電阻，電路特性測試儀能夠判斷并顯示故障原因。

2）電容故障。開路C1～C3中的一個電容，電路特性測試儀可判斷并顯示故障原因。

兩者故障實測結果如表6 所示。

表6 電阻、電容故障實測結果

5 結束語

該測試儀采用MSP430F149 單片機作為中央處理器,使用AD9834、AD637 和LCD 顯示模塊等器件完成了放大電路的輸入、輸出電阻和電壓增益的測量，并可以對電路進行故障診斷，經過實際放大電路的檢驗可知，簡易電路特性測試儀的各項判斷時間不超過2 s，能夠快速準確地給出放大電路的輸入、輸出電阻及電壓增益等參數并顯示出來，在電阻發生短路或開路故障或者電容發生開路故障時，該測試儀能夠進行準確的故障判斷，并通過顯示屏顯示故障原因。