一种基于STM32单片机的放大电路特性测试仪*

2021-07-30任青莲郭燕飞陈东良

机械工程与自动化 2021年2期

任青莲,陶珑,郭燕飞,陈东良

(1.太原科技大学电子信息工程学院，山西太原 030024;2.太原科技大学华科学院，山西太原 030024)

0 引言

输入电阻、输出电阻、放大倍数和频率特性是放大器的重要性能指标，通过对这些指标的测量可以确定该放大器能否在特定的系统中发挥其正常功能。传统的测试方法需要用到信号发生器、万用表、毫伏表、示波器等，操作过程比较复杂，而且对电路故障的判断比较繁琐。为此，设计一种基于STM32单片机的放大电路特性测试仪，可以解决传统测量方法的不足，大大提高电路设计和调试的效率[1-3]。

1 放大电路特性测试仪总体方案设计

本放大电路特性测试仪采用单片机作为控制及数据处理的核心，将设计任务分解为单片机最小系统、DDS信号源、被测电路、输入/输出信号采样、按键输入、测试结果显示等功能模块，其结构框图如图1所示[4]。

图1 基于STM32单片机的放大电路特性测试仪结构框图

单片机接收从键盘输入的任务命令，送出指令和数据给DDS信号发生器，由DDS函数信号发生器产生所需的正弦信号或扫频信号；经过衰减网络，将信号发生器产生的信号源调理成小信号，以确定被测电路工作在线性区；输入信号采样电路和输出信号采样电路采集被测放大电路的输入电压、输入电流和输出电压；采样信号由单片机采集、存储、处理及显示，完成放大电路输入电阻、输出电阻、放大倍数、幅频特性曲线和电路故障诊断等结果的显示[5-7]。

2 功能模块设计

2.1 主控单元

采用STM32F103RCT6单片机作为主控核心，其内核为32位高性能处理器，时钟频率高达72 MHz，内部集成了时钟、电源管理、通信接口、定时器、3个12位ADC、2个12位DAC、DMA、丰富的I/O口等资源，能快速、高效地读取、计算和传输数据，而且功耗低，价格低廉。

主控单元主要集成了STM32F103RCT6单片机、4个按键模块、液晶显示模块、电源模块、USB转串口模块、一键下载电路模块、复位按键模块等[8-10]。

2.2 DDS函数信号发生器模块

信号发生器产生被测电路所需的正弦信号和扫频信号，其性能的优劣直接影响后续电路的工作状态和测量精度。本设计选用高性能的DDS集成芯片AD9850作为信号发生器的核心器件，该芯片在125 MHz时钟频率下输出信号频率分辨率可达0.029 1 Hz，最高输出频率可达40 MHz。

信号发生器由AD9850芯片外加时钟电路、七阶椭圆低通滤波电路、电源滤波电路和指示电路构成，如图2所示。

图2 函数信号发生电路

AD9850的IOUTB和IOUT外接电阻100 Ω，这样AD9850输出信号的峰峰值为1 V。AD9850的字输入时钟信号端W_CLK、频率更新时钟信号端FQ_UD、复位端RESET与单片机PC口的相应管脚及NRST管脚连接，40位频率/相位控制字采用串行方式由单片机PA0送入AD9850的D7管脚。通过单片机实现对频率控制字、字输入时钟、频率更新时钟信号及DDS复位的控制，产生稳定的正弦信号和扫频信号，扫频信号可在50 Hz～4 MHz范围内根据需要任意设置，扫频步长可以在10 Hz～10 kHz内调整。

2.3 输出衰减电路

DDS输出信号经滤波后峰值基本还是1 V，考虑到不同的被测电路所能承受的输入电压不同，以及在对被测电路测试时有时需要测量不同输入电压下的响应，需要对信号进行衰减。程控衰减电路如图3所示，通过单片机控制模拟开关CD4066中四个开关SWA～SWD的接通或断开可实现0 dB～30 dB衰减，衰减步长2 dB，可根据被测网络需要通过单片机控制其衰减量。

图3 程控衰减电路

2.4 输入电流采样电路

图4为输入电流采样电路，左侧虚线框中us为等效衰减之后的信号源，Ri为等效被测电路的输入电阻，ui为电阻Ri两端的电压值，R为采样电阻；右侧部分为所设计的采样电路，其中运放A1～A3和电阻R1～R4构成精密仪用差分放大电路，其输入为采样电阻两端电压，其输出电压为uo1，电阻R5、R6和电源Vcc形成分压电路，将uo1叠加一偏置电压，输入到电压跟随器A4，获得合适的电压uo，送给单片机A/D端口。

图4 输入电流采样电路

采样电阻R过大容易引入干扰，过小会使测量误差较大。在实际测量中，一般取R接近放大电路输入电阻Ri，在此取2 kΩ。由于采样电阻两端电压很小，为提高测试精度，差分放大电路电阻取为：R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=33 kΩ，R4=330 kΩ，则增益为34 dB。

2.5 输出电压采样电路

图5为输出电压采样电路，因继电器导通电阻近似为0，断开电阻为无穷大，选用继电器作为开关接通或断开负载，由单片机控制其通断，分别检测放大电路有载和空载输出电压，由此计算输出电阻。在判断电路故障时需采集被测网络的直流分量，其值远大于单片机ADC所允许的输入信号范围，为满足需要将输出电压信号衰减并移位。图5中，电阻取值为：R′=500 Ω，R7=10 kΩ，R8=10 kΩ，R9=R10=10 kΩ，R11=R14=20 kΩ，R12=R13=10 kΩ，RL=2 kΩ，输出信号衰减6 dB并向下移3 V。

图5 输出电压采样电路

3 软件设计

3.1 主程序设计

本测试仪主程序和按键中断相互独立，4个按键分别为进入任务、任务选择上、任务选择下、任务结束进入下一任务选择，主程序流程如图6所示。开机后程序自动完成各硬件初始化，进入主界面，经过任务选择后进入所选的测试项目开始自动测量及显示，保持数据显示后即可按任务结束键退出当前任务进行下一项测试。

图6 主程序流程

3.2 故障判断

当被测电路发生故障时，单片机控制DDS输出中频正弦信号到被测电路，根据采集到的输入电流、输出电压直流分量、输出电压交流分量进行判断，根据静态工作点偏移、输入电阻的增大或减小、电压放大倍数的变化初步判断被测电路中电阻或电容是否短路或开路。

如果经过判断发现该电路的输入电流、输出直流电压、输出交流电压都为正常值，则使用高频信号和低频信号判断其上、下限截止频率是否发生改变，进一步确定电容值是否发生变化。

由于只是对电路故障进行分析，不进行精确采样计算，对采样精度要求不高，因此进行故障分类分析时，每次输出固定频率后采样时间缩短为0.5 s，最多经过3次不同频率信号输出和采样分析，约1.5 s即可将故障原因进行分类。

4 测试与结果分析

4.1 被测电路

为了验证本电路特性测试仪的功能和性能，建立的被测电路如图7所示。

图7 被测电路

4.2 测试结果

用所设计的电路特性测试仪通过任务按键选择测量被测电路的输入电阻Ri、输出电阻Ro、电压放大倍数Au、上限截止频率fH、下限截止频率fL，与所给被测电路的理论值进行比较，计算得出各指标的测量误差，结果如表1所示。

表1 被测电路的实际测量与理论计算数据

由于该被测电路的通频带为几百赫兹到几千赫兹，因此测试其幅频特性时单片机控制DDS函数信号发生器的扫频信号范围为50 Hz～1 MHz，DDS输出扫频信号如图8所示。电路特性测试仪自动测量并显示该放大器的频幅特性曲线，结果如图9所示。当电路发生故障时，如电阻开路或短路，电容开路或电容量增大时，系统可快速判断并显示故障原因，所有性能基本满足预期要求。