基于FPGA和STM32的放大電路特性測試儀設(shè)計?

孫艷麗 林星瑞 葉李銳 王國慶

（海軍航空大學(xué) 煙臺 264000）

1 引言

設(shè)計了一種簡易的電路功能檢測儀，可以利用輸入端與輸出端信息來檢測特定放大器的功能特性，從而自動判別因為元器件不同而產(chǎn)生問題的根源。該測試儀器中的信號源，既能夠產(chǎn)生單一頻率的正弦波信號，還能產(chǎn)生掃頻信號，而且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理功能，能對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時控制以及提取同步信息。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

以FPGA、STM32 為核心搭建必要模塊構(gòu)建出整體系統(tǒng)如圖1 所示。信號源由STM32 產(chǎn)生，經(jīng)信號驅(qū)動輸入到被測電路。被測電路外接Rs、RL，開關(guān)接于放大電路輸出端，輸出電壓一路直接經(jīng)電壓跟隨器進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊，另一路經(jīng)精密整流濾波后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集，同時Rs兩端電壓作為信號源電壓和輸入電壓進(jìn)行AD 數(shù)據(jù)采集，將采集后的數(shù)據(jù)由FPGA 進(jìn)行處理并儲存，在進(jìn)行故障判別時進(jìn)行對比分析，再將數(shù)據(jù)給STM32進(jìn)行顯示。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 被測電路仿真圖

3 理論分析與計算

3.1 總體原理分析

該電路為分壓偏置放大電路，其輸入阻抗、輸出阻抗、電壓增益和頻率響應(yīng)等主要特性可由放大電路的輸入電壓和輸出電壓由一定公式［1］分析計算得到。相關(guān)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集模塊采集信號源電壓、電路輸入端電壓、空載輸出端電壓、負(fù)載電壓。在故障檢測過程中，當(dāng)故障與正常狀態(tài)不同時，通過比較輸入輸出信號可以確定故障原因。這就需要對各種故障進(jìn)行整理分類，利用Multisim 仿真建立故障數(shù)據(jù)庫，并通過遍歷故障數(shù)據(jù)庫來驗證故障電路原因。

3.2 基本特性測試?yán)碚摲治?/h3>

輸入電阻、輸出電阻、電壓增益是放大電路的主要性能指標(biāo)。

1）輸入電阻

輸入電阻是從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電路，定義為輸入電壓有效值Ui和輸入電流有效值Ii之比，可得：

2）輸出電阻

每一個放大電路的輸出都可以等效于具有內(nèi)阻的電壓源，輸出端的等效內(nèi)阻為輸出電阻ro。空載時放大電路輸出電壓的有效值為Uo'，帶負(fù)載后輸出電壓的有效值為Uo，因此輸出電阻為

3）電壓增益

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

3.3 數(shù)據(jù)采集理論分析

在本設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集就是要獲取放大電路的輸入輸出端的模擬量，并將其轉(zhuǎn)換成MCU 可以處理的數(shù)字量，即實現(xiàn)模數(shù)模擬量和數(shù)字量的實時轉(zhuǎn)換功能。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，可以將復(fù)雜的信號量程劃分為多個不同的等級，從而實現(xiàn)對其進(jìn)行有效的處理。這些等級可以用唯一的數(shù)字碼來表示，而且可以根據(jù)需要給出相應(yīng)的代碼，以便更好地處理復(fù)雜的信號。二進(jìn)制是一種常見的數(shù)字編碼形式，它有2 的n 次方個量級，其中n 表示位數(shù)，并且可以按照順序給每一位編號。由于測量的放大電路的特性，需要采集信號源電壓、電路輸入端電壓、輸出端空載時的電壓和帶載時的電壓，因此需要四通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

3.4 幅頻特性測量理論分析

由于電容、電感和放大管PN結(jié)的電容效應(yīng)，信號頻率越低和越高，都會導(dǎo)致放大電路的電壓增益下降。放大電路對不同頻率信號的適應(yīng)能力可以采用幅頻特性來衡量。改變耦合電容、旁路電容會引起幅頻特性的變化，仿真如表1 所示。由仿真數(shù)據(jù)可定性分析得，耦合電容C1增加時下限頻率基本不變，而旁路電容C2增加時下限頻率明顯減少，上限頻率降低。可以由頻譜特性的下限頻率判斷C2的變化。

表1 電容參數(shù)變化對頻率響應(yīng)的影響

4 硬件電路

4.1 硬件電路整體框圖

硬件電路框圖主要由整流檢波電路、AD 數(shù)據(jù)采集、FPGA信號處理電路、STM32信號產(chǎn)生及顯示電路和三極管驅(qū)動電路構(gòu)成。1kHz 信號源由STM32產(chǎn)生，經(jīng)信號驅(qū)動輸入到被測電路。被測電路外接Rs、RL，開關(guān)接于放大電路輸出端，輸出電壓一路直接經(jīng)電壓跟隨器進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊，另一路經(jīng)精密整流濾波后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集，同時R1兩端電壓作為信號源電壓和輸入電壓進(jìn)行AD 數(shù)據(jù)采集，將采集后的數(shù)據(jù)由FPGA 進(jìn)行處理并儲存，在進(jìn)行故障判別時進(jìn)行對比分析，再將數(shù)據(jù)給STM32進(jìn)行顯示［2］。

4.2 數(shù)據(jù)采集模塊

AD7366 是雙核12 位、高速、低功耗、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），4 個AD 轉(zhuǎn)化通道。該器件的兩個ADC 輸入級都配備有一個雙通道多路復(fù)用器和一個具有采樣保持功能的寬采樣寬帶、低噪聲放大器。AD7366 可以在±10V、±5V 和0 至10V 范圍內(nèi)輸入真雙極性模擬信號［3］。

信號源的幅值us，放大器的輸入信號ui，放大器的輸出uo，及對uo進(jìn)行整流檢波后的輸出信號uo2，四個信號分別經(jīng)輸入隔離模塊接至AD7366四個輸入端口VA1、VA2、VB1、VB2，AD7366 輸出接至FP?GA。數(shù)據(jù)采集電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊

4.3 電壓隔離器

電壓隔離器即電壓跟隨器，起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。其輸出電壓跟隨輸入電壓幅度，并對輸入電路呈高阻狀態(tài)，對輸出電路呈低阻狀態(tài)，保持原輸入信號波形與幅值，并在前級與后級電路之間實現(xiàn)“隔離”效果。一個對前級電路相當(dāng)于開路，輸出電壓又不受后級阻抗影響，使前、后級電路之間互不影響，這在實際電路設(shè)計中應(yīng)用廣泛。在測試電壓接入AD7366 時先進(jìn)行電壓隔離，確保前后級電路互不影響，使得測試結(jié)果更準(zhǔn)確。具體電路如圖4所示。

圖4 電壓隔離模塊

4.4 精密整流濾波電路

為使幅頻特性測試簡單快速，對輸出信號通過精密整流濾波電路進(jìn)行檢波，再經(jīng)電壓隔離器進(jìn)行AD 采樣。采用電路如圖5 所示，主要由整流電路及電壓跟隨器構(gòu)成。當(dāng)輸入電壓為正時，D3 截止，D2 導(dǎo)通，輸出電壓為0；當(dāng)輸入電壓為負(fù)時，D3 導(dǎo)通，D2 截止，該電路此時為反向比例運(yùn)算放大器，放大倍數(shù)約為-4 倍，即輸出是將輸入的正半軸濾掉，將輸入的負(fù)半軸反向到正半軸上并進(jìn)行幅值放大。

圖5 整流濾波電路

圖6 故障診斷流程圖

5 程序設(shè)計

放大倍數(shù)、輸出電阻、輸入電阻、幅頻特性、故障診斷通過人機(jī)交互判斷后進(jìn)行測試。均主要測試vi、vs來實現(xiàn)對于輸入、輸出電阻與放大倍數(shù)的測量，帶負(fù)載及不帶負(fù)載時的vo，通過公式進(jìn)行計算［4～5］。

在故障診斷時，根據(jù)實測電路的故障特性對STM32 芯片進(jìn)行程序設(shè)計。STM32 芯片首先對輸入信號進(jìn)行判斷是否為零，如果為零，然后判斷直流輸出與電源電壓的大小關(guān)系從而區(qū)分出部分故障點：R1短路，R2短路，R3斷路；若輸入信號不為零則再判斷是否有直流輸出、輸出交流信號的大小等區(qū)分出電容C1，C2，C3的開路故障；若沒有交流輸入信號則判斷直流輸出與電源電壓的關(guān)系若直流輸出電壓不等于電源電壓且輸入信號不接近于零則為R2斷路，若在此基礎(chǔ)上的直流輸出等于電源電壓且輸入信號接近零則為R4短路；相反，直流輸出等于電源電壓時，繼續(xù)判斷輸入信號是否增大，若增大則R3短路，在輸入信號不增大的基礎(chǔ)上判斷是否不變，若不變則為R1斷路，否則R4斷路。

6 測試結(jié)果

該測試儀能輸出1kHz正弦波并自動測試放大器的輸入、輸出電阻、增益、幅頻特性曲線等特性，幅頻特性曲線測試值誤差與STM32 產(chǎn)生的信號源的頻率幅值誤差有關(guān)，見表2～4。并根據(jù)放大器基本特性在開路或短路任意電阻、開路任意電容時能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的故障判斷，在增加旁路電容時也能準(zhǔn)確判斷。而在耦合電容容值變化特性改變僅幅頻特性曲線上限頻率有所改變，不易測試。

表2 STM32信號源頻率測試

表3 幅度測試

表4 頻率分析

7 結(jié)語

該測試儀使用FPGA 和STM32 作為核心，并采用了模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、精密整流電路、電壓隔離器等電路來完成特性測試和故障判斷。在測試結(jié)果方面，該測試儀能夠準(zhǔn)確測量放大器的輸入、輸出電阻、增益、幅頻特性曲線等特性，并能夠根據(jù)特性數(shù)據(jù)進(jìn)行故障判斷，有效驗證了本文所設(shè)計的放大電路特性測試儀。