No2Apr
第2期(总第225期)
2021 年4 月机 械 工 程 与 自 动 化
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
文章编号=672-6413(2021)02-0128-03
櫜
任青莲12，陶 珑】，郭燕飞】，陈东良1
(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)
摘要：以STM32单片机最小系统为核心、DDS 函数信号发生器为信号源设计了一种简易的放大电路特性测 试仪。该测试仪可以测量并显示被测放大电路的动态性能指标，绘制其幅频特性曲线、测量截止频率，并能 及时准确地判断放大电路的各种故障及元器件值的变化。该测试仪可用于高等院校相关课程的实践教学，能
够简化电子电路的设计与调试过程，具有一定的实际意义。
关键词：电路特性测试仪；软件设计；STM32单片机；功能模块
中图分类号： TN72：TP273 文献标识码： A
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「T 。 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⑷。
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「57。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、复位按键模块等宀0。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 。
室内导航技术
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。
磁疗被AD9850的IOUTB 和IOUT 外接电阻100 Q，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 kH
z 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
櫜2018山西省高等学校教学改革创新项目(J2018263)
收稿日期： 2020-11-11； 修订日期： 2021-01-29
作者简介：任青莲(1973-)，女，山西长治人，副教授，硕士，研究方向为无线通信与电子技术应用
。
2021 年第2 期任青莲，等：一种基于STM32单片机的放大电路特性测试仪
• 129 •
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。
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 Q,R 7=10 k Q,R 8 = 10 k Q,R 9=R 10 = 10 k Q , R n =R 14 =20 kQ,R 12 =R 13 = 10 kQ,R l = 2 kQ，输出 信号衰减6 dB 并向下移3 V 。
AD9850
D3
D2D1D0GDND DVDD W-CLK FQ-UD CLKIN AGND AVDD RSET QOUT QOUTB
28 r\41=^3.3＞亠 廿10—粵
I 艮亠。100 Q 17 3.3 V
世--
ZOUT VINN
(a) AD9850芯片外加时钟电路
Li
厶 2
Ls
b U 3.3 V 三二|
呱吕 宀3 V 。亠甘 -C~3. 9 kQ ^S.
D4D5D6D7DGND
DVDD RESET I OUT IOUTB AGND AVDD
DACBL VINP
VINN
3. 3 V
CLKIN
璽科种^晖辛J
J?15 _100 0
I0UT 470 nH Ci II
390 nH C2||390 nH
C311II
1 pF z Ci 二2
2 pF 1 15. 6 pF 二 C5 二3
3 pF 114. 7 pF 二 C6 二22 pF Z0UT
\R16
100(b)电源滤波电路
3. 3 V?
D
J10 kQ
Cl 4 ±
电容器串联100 nF
对甲苯磺酸吡啶盐(c)七阶椭圆低通滤波电路
图2函数信号发生电路
(d)指示电路
图3程控衰减电路
2. 4 输入电流采样电路
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4为输入电流采样电路，左侧虚线框中狌为等 效衰减之后的信号源，犚为等效被测电路的输入电 阻，狌为电阻犚，两端的电压值犚为采样电阻；右侧部 分为所设计的采样电路，其中运放A 1〜A 3和电阻 犚1〜犚4构成精密仪用差分放大电路，其输入为采样电 阻两端电压，其输出电压为狌1，电阻犚5、犚6和电源V “ 形成分压电路，将狌1叠加一偏置电压，输入到电压跟 随器A 4，获得合适的电压狌，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，过小会使测量误图6主程序流程
差较大。在实际测量中，一般取R 接近放大电路输入电阻R ,，在此取2k Q 。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:R 1=20 k Q , R 2 = 10 k Q,R 3=33 k Q,R 4 =330 k Q ，则增益为34 dB 。25 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 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
• 130 •机 械 工 程 与 自 动 化2021 年第2 期
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。
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犚、输出电阻犚八电压放大倍 数A ”、上限截止频率/h 、下限截止频率九，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
指标
测量值理论值误差(％)
输入电阻犚(k a ) 2. 067
2 185 5. 4
输出电阻犚。(k a )
1. 942灭蚊机
铝条板吊顶2
2. 9电压放大倍数犃狌151156
3. 2上限截止频率/h (kHz)143169
15. 4下限截止频率/犔(Hz)
136
155
12. 3
由于该被测电路的通频带为几L 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。5结束语
本文设计的简易电路特性测试仪硬件电路简单, 程序设计灵活，便于操作，能准确快速地分析电路特 性，并可对电路进行故障诊断，还可以根据需要对系统
进行功能扩展和性能改进，可用于相关课程的实验教 学，简化操作过程，提高电路测试和调试效率。
图8 DDS 输出扫频信号(50 Hz 〜1MHz )
参考文献：
[1] 毕满清.模拟电子技术基础[M l 北京：电子工业出版社,
2015
[2] 崔勇强，陈锟，王晓磊，等.基于FPGA 的高频远程频率特
性测试仪设计[J l 实验技术与管理,2018,35 (4)：101- 105
[3] 濮霞，李楠，陶炳坤.简易频率特性测试仪的设计与制作
[Jl 电子设计工程,2019,27(8)44-4 8.
[4] 任青莲，韦晓璐.一种基于AD9854的信号发生器的控制
系统[J].机械工程与自动化,2015,193(6)153155.
[5] 张杰.基于虚拟仪器的网络频率特性测试仪[J ]仪表技
术与传感器,2013(5)2930.
[6] 赵博，黄飞，刘宏银，等.放大电路幅频特性测试系统设计
[J ].实验技术与管理,2015,32(9):5963.
[7] 王威，卢翔宇，张秋云，等.基于FPGA 的便携式多路高精
度采集系统设计[J].电子技术应用,2019,45(9)5459.[8] 江中玉，何振鹏，胡锦.基于STM32F103的智能导航避障
小车的设计与实现 J 实验科学与技术,2019,17(3) 29- 33
[9] 任君玉.模拟电子技术实验教学改革与创新人才培养
[J ].实验技术与管理,2019,36(9):219221.
[10] 国成哲，王中训，王文奇，等.频率特性测试仪的设计[J ].
电子设计工程,2017,25(11)102106.
Characteristic Tester of Amplifying Circuit Based on
STM32 Single-Chip Microcomputer
REN Qing-lian 1'2 , TAO Long 1 , GUO Yan-fei 1 , CHEN Dong-liang 1
(1. School of Electronic Information Engineering , Taiyuan University of Science and Technology , Taiyuan 030024, China ； 2. Huake College , Taiyuan University of Science and Technology , Taiyuan 030024, China )
Abstract : A simple amplifying circuit characteristic tester is designed with STM32 single chip microcomputer minimum system as the core and DDS function signal generator as the signal source . The tester can measure and display the dynamic performance indicators of the tested amplifying circuit , draw its amplitude-frequency characteristic curve , measure the cut-o ff frequency , and can timely and accurately judge the various failures of the amplifying circuit and the changes of component values. The tester can be used for practical teaching of relevant courses in colleges and universities , can simplify the design and debugging process of electronic circuits , andhascertainpracticalsignificance
Keywords : circuit characteristic-testing instrument ； software desigh ； STM32 single-chip microcomputer ； functional
module
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议