基于ARM的简易电路特性测试仪设计

2019-12-13魏慕霖袁良祺刘一萱李沣陈子寒

现代计算机 2019年31期

魏慕霖，袁良祺，刘一萱，李沣，陈子寒

（1.北京信息科技大学仪器科学与光电工程系，北京100192；2.美国奥克兰大学电子和计算机工程系，密歇根48309）

0 引言

根据2019年全国大学生电子竞赛本科组D题任务要求，设计并制作一个简易电路特性测试仪测量特定放大器电路的特性，进而判断该放大器由于元器件变化而引起故障或变化的原因。设计并实现了一款基于STM32F407单片机的电路特性测试仪，可以输出1kHz正弦波信号以及高频PWM信号；自动测量并显示输入、输出电阻以及放大器的幅频特性曲线；能判断放大器电路元器件变化而引起故障或变化的原因。

本设计选用的是ST公司开发的STM32F407作为主处理器，STM32F407是基于ARM Cortex-M4内核的32位闪存微控制器[1]，采用STM32F407作为简易电路特性测试仪的数据采集以及处理系统大大简化了电路提高了电路处理性能。

本文列举了在比赛过程中系统方案的选型以及确定，输入、输出电阻、增益曲线和故障原因的理论原型及计算方法，实际制作出实物并经过测试证明此系统拥有良好的特性最终完成比赛。

图1 特定放大器电路与电路特性测试仪连接图

1 简易电路特性测试仪系统方案

简易电路测试仪由输出电路以及输入电路构成，输出电路产生1kHz正弦波信号输入放大器电路，单片机采集两路信号ADC1与ADC2。由于部分题目部分要求高频信号所以使用单片机I/O口控制9013三极管控制继电器替换PWM波以及正弦波。

简易电路测试仪输入电路得到经过放大器的信号，通过单片机I/O口控制9013三极管导通或断开负载电阻，再经过分压电路减小电压。减小后的电压一路通过二极管和电容获得峰值；另一路通过电阻和电容获得平均值，单片机分别采集两路信号ADC3和ADC4。则可获得有负载电阻时电压峰峰值以及无负载电阻时电压峰峰值，简易电路测试仪系统框图如图2所示。

图2 简易电路测试仪总体系统框图

1.1 电压采集处理模块的选择

根据题目要求需要对输入、输出电阻、增益和频幅特性曲线进行测量，可以将题目要求转换为对已知阻值电阻上的电压进行测量再经过计算得出要求内容。

方案一：使用高电压的运放制作电压跟随器。使用高电压的电压跟随器可以将电流放大，且输入电阻高，输出电阻低，可以提高整个放大电路的带负载能力，电压放大倍数小于1而接近于1，且输出电压与输入电压相位相同具有跟随、隔离的特性。由于测量电路中有电阻的话可能会影响输出电阻的测量。

方案二：选择远大于输出电阻的电阻进行分压。采用远大于输入电阻的电阻进行分压，通常为十倍以上分压作用越明显。再使用一个运放制作负反馈电路的电压跟随器再接入单片机的ADC。

考虑到芯片供电以及电路搭接原因，本设计选用方案一。

1.2 产生1kHz正弦波模块的选择

根据题目要求需要输出1kHz正弦波信号，即电路特性测试仪输出端口电路组成为1kHz正弦波信号发生电路，其方案选择与讨论如下：

方案一：采用集成函数发生器。利用函数发生器（ICL8038）产生1kHz的正弦波。ICL8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形。它是电压控制频率的集成芯片，失真度很低。可输入不同的外部电压来实现不同的频率输出。

方案二：采用单片机控制合成。利用STM32单片机编程实现产生1kHz正弦波信号。这种方案硬件电路较为简单，且所用器件少，实现产生波形相对容易，在所需频率段基本能实现要求的功能。

方案三：DDS是一种纯数字化方法。它先将所需正弦波一个周期的离散样点的幅值数字量存入ROM中，然后按一定的地址间隔(相位增量)读出，并经D/A转换器形成模拟正弦信号，再经低通滤波器得到质量较好的正弦信号[2]。

考虑到本题要求放大倍数很大，所以使用DDS产生的正弦信号不可用，本设计选取方案二。

1.3 自动开关的选择

方案一：采用TO220封装的MOSFET开关。采用MOSFET开关如IRF540或者IRF3710，这种电子开关拥有导通电阻低和控制转换速率较快的优点。

方案二：采用9013三极管。采用比赛要求有的9013三极管可以达到控制电路导通或断开的状态。

考虑到MOSFET开关采购不便，比赛中没有现货需要采购，本设计使用9013三极管搭建自动开关。

2 理论分析与计算

2.1 输入电阻计算模块设计

放大器电路确定则放大器输入电阻确定，实际阻值为R1与R2并联阻值大小约为：

Rin=R1//R2//R三极管

由于电路特性测试仪输出1kHz正弦信号可控，所以此正弦信号幅值已知，若想知道输入电阻只需测出输入电流即可。MCU产生的正弦信号峰峰值已知为VADC1，所设置的已知电阻阻值大小为Rx，单片机采集到的电压值为VADC2，即可得到电压分压公式：

可得计算出输入电阻的大小计算公式：

由于放大器的放大倍数60～300，所以输入进放大电路的正弦信号幅值为几十毫伏左右，但单片机产生不了几十毫伏的电压，所以需要分压电路的增益以及电压跟随器对正弦信号进行处理。

2.2 输出电阻计算模块设计

放大器电路输出电阻值应为R3阻值大小2kΩ。单片机产生的1kHz的正弦信号经过放大器后幅值未知，所以需要先断开负载电阻RL后计算开路输出电压Voutopen，再计算出连接电阻后的电压Vout1，两次电压之比为两次连入电路不同电阻阻值之比，换算即得到输出电阻大小：

由于放大电路输出电压范围为0～12V,而单片机可承受的电压范围为0～3.3V，所以需要进行分压。另外，所涉及的信号频率较高但ADC采集速度慢，而且信号有一个直流偏置，所以需要采取信号最低值。但是由于正弦信号最低值难以测量，可以转换成测量信号平均值的做法。利用单片机ADC分别采集信号峰值VADC3以及正弦波平均值VADC4，即可得到信号峰峰值VVpp：

VVpp=2×VADC3-2×VADC4

这样在有负载和无负载时测的两组数据通弄过计算可以得到有负载时电压峰的峰值Vout1，断开负载时电压峰的峰值Voutopen。

2.3 放大器增益计算模块设计

单片机通过采集放大器输出开路电压峰的峰值Voutopen除以输入电压峰的峰值VADC2即可得到放大器增益倍数G：

2.4 幅频特性曲线模块设计

放大器的幅频特性曲线的计算涉及到上限频率值，所以在设计电路是需要考虑到单片机无法产生过高频率的正弦信号。由于所需信号频率高，可采用高频率PWM替换高频正弦信号。

当信号频率较小时可采用DAC输出正弦波，当频率较大时需要采用PWM波，测得该放大电路放大倍数。当测量分贝数截止到-3dB时即题目要求幅频特性曲线带宽，将不同频率时对应的放大倍数连成线即为所要求的幅频特性曲线。

2.5 判断R1～R4电阻开路或短路原因模块设计

该放大器电路为自给偏压共基三极管放大电路。其R1及R2为三极管偏压电阻，为三极管基极提供必要偏置电流，R3为负载电阻，R4为电流反馈电阻，C1和C3分别是输入和输出隔直电容，C2与R4并联增大放大倍数，交流时将R4短路。基于对电路的分析以及Multisim仿真软件放大器电路的测试，可以得到这4个电阻开路或短路时现象如表1所示，3个电容的开路或增大时现象如表2所示。

表1 R1～R4电阻开路或短路时现象

2.6 判断C1～C3电容开路或增大原因模块设计

表2 C1～C3电容开路或增大时现象

3 电路与程序设计

3.1 电路设计

产生1MHz幅值为0～3.3V的PWM信号，需要对此PWM信号0.5倍增益处理。将0.5倍增益处理后的PWM信号与单片机DAC共同接入继电器的输入口，使用单片机I/O口控制三极管9013的导通与断开控制继电器完成PWM信号与DAC之间的切换。将信号增益0.1倍通过已知阻值电阻Rx和输入电阻Rin输入到放大器输入，并分别采集通过Rx前后电压值，输入端口电路如图3所示。

如图4所示为输出电阻测量电路，Rout为输出电阻，RL为负载电阻，R4为保护电阻大小任意，R5、R6为分压电路。通过单片机I/O口控制三极管9031（仿真里用2N2221代替）通断R2，当单片机I/O口电平为高，则将R2接地；当单片机I/O口电平为低，则将R2断开。采用低电压运放LMV358制作电压跟随器。使用二极管1N4148以及47nF电容采集峰峰值VADC3，RC振荡电路选择470Ω以及0.1μF采集平均值VADC4。