第26卷第6期江苏理工学院学报
JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vo l.26,No.6 Dec.,2020
2020年12月
随着电子测量技术的高速发展，三极管放大电路在各类电子电路中发挥着十分重要的作用。其输入输出电阻、电压增益、幅频特性是放大电路的关键指标。同时，当电路发生故障时，也希望有特定的设备能简单直观地判断故障所在，所以本文提出了一种三极管放大电路参数及故障测试装置的设计。 本设计以MSP430为主核心处理器，采用直接数字式频率合成器在MSP430单片机的控制下构成扫频信号源，配合隔离电路，消除放大电路对信号源的影响。同时，利用单片机控制继电器的开关，在放大电路的输入端和输出端分别测取几组不同的电压值，将所得数据输入单片机，计算输入输出电阻以及电压增益，减小测量误差，提高测量精度。
1系统方案设计
本设计是以特定放大器和电路特性测试模块为主，配合相应的DDS信号源、AD采集模块、12864液晶显示模块、MSP430单片机模块。如图1所示，第一个模块是信号发生模块，利用正弦信号相位与时间呈线性关系的特性，通过查表的方式得到信号的瞬时幅值，从而实现频率合成。DDS具有超宽的相对宽带、 超细的分辨率以及相位的连续性，采用这种方法设计的信号源可工作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波形。
第二个模块是输入电阻测量模块。如图2所示，采用MSP430单片机测量输入电阻，在被测电路的输入端加一个被测电阻R s，利用MSP430单片机分别测出电阻两端的电压，输入电阻可由公式（1）求出：
R
i=
u
i
u
s-u i
×R s。（1）第三个模块是输出电阻测量模块。如图3所示，采用MSP430单片机测量输入电阻，在被测电
一种三极管放大电路参数及故障测试装置的设计
崔渊，房鸿旭，高倩，陈祝洋
（江苏理工学院电气信息工程学院，江苏常州213001）
摘要：提出一种三极管放大电路参数及故障测试装置，其由特定放大器和电路特性测试模块为主，配合相应的DDS信号源、AD采集模块、12846液晶显示模块和MSP430单片机模块组成。在整个电路系统中，主要包含信号
发生模块、信号隔离模块、增益放大模块、AD811模块。由信号发生器输出频率1kHz幅值1V的正弦信号，通过
电阻分压输出10mV的正弦信号，经过起阻抗变换和隔离作用的电压跟随器，把该电压信号隔离后送入AD637转
化为有效值，最后再经过AD转化成数字量，并在MSP430单片机内计算得到输入电阻、输出电阻、放大倍数和幅
频特性曲线，所有结果也均可在12846液晶屏上显示。
关键词：参数检测；MSP430单片机；电阻测量；幅频特性测量；故障检测
中图分类号：TN721文献标识码：A文章编号：2095-7394（2020）06-0017-08
收稿日期：2020-08-06
基金项目：国家自然科学基金青年基金“典型含核粒子对无衍射波束的散射特性研究”（61601208）；2020年大学生创新创业训练计划项目“基于自动循迹的图像采集平衡小车设计”（202011463029Y）；江苏理工学院教改项
目“应用型本科创新创业教育改革研究和探索”（11610211802）；江苏理工学院教改项目“基于虚拟仿真教学
的‘金课’建设实践”（11610211907）
作者简介：崔渊，讲师，博士，主要研究方向为电路与系统、仪器测量与控制技术；房鸿旭，本科生，主要研究方向为电子技术；高倩，讲师，硕士，主要研究方向为电子技术、计算机测控技术；陈祝洋，讲师，博士，主要研究方向为电磁学理论、电路建模与仿真。
路的输出端加一个被测电阻R L，利用MSP430单片机分别测出电阻的开路电压U o和有负载R L上的电压U OL，输出电阻可由公式（2）求出：
R
o=R L×(
u0
u
OL
-1)。（2）
图1DDS原理框图
图2输入电阻测量框图
图3输出电阻测量框图
第四个模块是增益测量模块[1]。根据上述求
得的u i和u o利用公式（3）求出：
A u=u
o
u
s
。（3）
第五个模块是幅频特性测量模块。MSP430单片机DDS的输出信号由原来的1kHz、1V的正弦波变为1Hz～400kHz、1V的正弦波，频率由小到大依次递增，每当改变一次频率时，计算一次放大倍数，并通过12864液晶屏实时显示放大倍数与频率的曲线图；当扫频结束时，由单片机MSP430计算带宽并由液晶屏显示。
第六个模块是故障检测模块。当特定放大电路中，电阻电容元件短路、开路或者数值变化时，整体电路的输入、输出电阻也会发生变化，电路输出端电压也会随之变化。通过MSP430单片机对输出电压进行实时采集，并计算出相应的输入电阻，根据所得数据，对故障原因进行判断，同时，通过液晶显示电路，将结果显示在用户界面。
2单元电路分析与设计
2.1电压跟随器电路
本设计中隔离模块采用电压跟随器。如图4所示，输入端的电压与输出端的电压同相，电压放大倍数不断接近且小于1。电压跟随器电路具有高输入电阻、低输出电阻的特点。电压跟随器的高输入阻抗，相当于对前级电路开路；低输出阻抗相当于对后级电路形成了一个恒压源，使得输出电压不受后级电路的阻抗影响。这样一个电路对前一级相当于开路，输出电压也不受后级电路影响，使得前后级
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电路之间互不影响，因而具备了隔离作用。
隔离模块的作用就是在电路中隔离负载对输入端的影响，在这里可以采用电压跟随器实现此
功能。通过把电路置于前一级和功率放大器之间，就可以切断功率放大器的反电动势对前一级的干扰作用，进而减小失真度。
图4电压跟随器电路
2.2有效值检波电路电压跟随器电路图
本系统的模拟有效值检波电路[2]采用有效值检波芯片AD637。如图5所示，有效值直流转换芯片AD637，其功能是把外部输入交流信号的有效值转变成直流信号进行输出，此芯片功能强大，可以计
算各种复杂波形的真有效值。可测量的输入信号有效值上限达到7V，对于l V的有效值信号，它的3dB带宽为8MHz，并且可以对输入信号的电平以dB 形式指示，当输入电压为100mV 时，带宽可达到600kHz；输入电压为2V时，带宽可达到8MHz。
图5芯片AD637
有效值检波电路
崔渊等：一种三极管放大电路参数及故障测试装置的设计第6期19
2.3继电器电路
本设计选用四路继电器电路[3]结合MSP430单片机MSP430电路与继电器电路相连接，通过单片机控制四路继电器的开关，分别检测被测电阻
RS，以及RL 电阻断开和接入电路时，特定放大电路输入输出端的电压值。由于四路继电器的电路结构、工作方式均相同，此处不再一一列举，仅选取其中一路继电器进行说明，电路原理如图6所示。
图6单路继电器电路原理
3软件方案设计
3.1MSP MSP430430软件整体框图
整个电路系统设计如图7所示，主要包括信号发生模块、隔离电路模块、放大电路模块、AD811模块。由信号发生器输出频率1kHZ 幅值1V 的正弦信号，通过电阻分压输出10mV 的正弦信号，通过起阻抗变换隔离作用的电压跟随器之后，把
需要的信号隔离并送入AD637转化为有效值，经
过AD 转化后，用MSP430单片机计算输入电阻、输出电阻、放大倍数、幅频特性曲线，用12846液晶屏显示。
3.2系统测试性能指标
测试方案：先用Multisim 仿真软件[4]对各硬件电路进行模拟仿真，然后画出电路的PCB 原理图。各部分模块电路分别调试无误后，进行总体性能指标的测试。如图8所示。
图7MSP430
系统框图
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图8系统仿真总图
3.3单片机软件设计流程图
以MSP430单片机设计主程序流程[5]，如图9所示。MSP430单片机主要任务是测量实验数据并且进行相应的运算处理，最后送给液晶显示。
图9主控系统软件总流程图
4测量结果与数据分析
4.1测量数据结果
测量结果波形图和系统显示屏照片如图10-13所示。
（1）输入电阻的测量[6]。输入频率1kHz幅度为1V的正弦波，理论值R i=2.4kΩ测量输入电阻（以下为有效值）。
（2）输出电阻的测量。输入频率1kHz幅度为1V的正弦波，理论值R o=2kΩ，测量输出电阻（以下为有效值）。
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