简单电路特性测试仪文档格式.docx
《简单电路特性测试仪文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《简单电路特性测试仪文档格式.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
（2）能实现激励信号的宽范围动态扫描，以实现电路幅频特性的测量；
（3）能在2秒内，实时自动完成电路故障的判别，并定位故障原因。
（4）分析输出信号失真度，自动调节输入信号幅度，保证电路正常工作时，工作在线性工作区，并在线性工作区间完成输入阻抗，输出阻抗和增益的测量。
这里着重强调一下第四点:
放大器特性准确测量的前提是电路特性测试仪产生的信号经过被测网络后必须不失真，否则输入阻抗、输出阻抗、增益将没有任何意义。
因此，系统必须不断去检测被测网络的输出端信号的波形，一旦检测到失真，则通过调节输出幅度的手段将波形的失真度调整到满足要求为止。
放大器的增益与三极管的β值有关，题目指定晶体管型号9013的β值为60~300，当输入信号幅度太大时，会导致输出信号失真，例如，β值为285的9013，实验中发现，当输入信号大于15mVpp时，输出开始失真，此时需要减小输入信号幅度。
其中，电路特性测试仪为设计的重点内容，其测量原理为：
输入电阻测量：
利用单片机的AD采集功能，采集到电阻R1两端电压的有效值为U1，如果此时函数信号发生器的输出的有效值为US，ri为输入电阻，则等式U1/R1=US-U1/ri。
从而计算得到ri=（US-U1）R1/U1。
输出电阻测量：
在放大信号不失真的情况下，利用单片机的AD采集功能，采集到带载R2和空载两种情况下的电压值。
KA断开为空载状态，测得得到的电压值为UO1，KA闭合为带载状态，测得得到的电压值为UO2。
求得输出阻抗为：
ro=R2（UO1-UO2）/UO2。
放大倍数为：
Auu=UO1/（US-U1）。
截止频率的求取：
产生一个1KHz的值2MHz的扫频信号，监测放大倍数，当放大倍数降为正常值的0.707倍时，提取出此时对应输入频率即为上限截止频率。
二.简单电路特性测试仪功能分析
简易电路特性测试仪应具备以下功能：
1、产生1KHz，幅值可调的标准的正弦信号；
2、能够产生1KHz到1MHz的正弦扫频信号；
3、具备高速的AD采样功能，位数12位至14位，采样频率500KHz以上；
4、支持对继电器的控制功能；
5、支持大量数据的运算功能；
6、支持信息的显示功能。
前两个功能为函数信号发生器，实现方法有两种，一种是ICL8038+51单片机来完成；
另一种是采用AD9959高速DDS模块来完成。
后四种功能选择STM32系列单片机最小系统，或者是MSP432
LaunchPad来完成。
三．总体方案描述与系统框图
信号源采用基于AD9959集成DDS芯片的方案，通过STM32单片机程序修改频率控制字和幅度控制字实现激励输出信号的频率和幅度调节，输入被测网络。
通过提高DDS输出幅度与固定衰减器配合工作提高输出信号的信噪比，被测网络输出信号通过继电器选择是否连接交流负载，可分别测量空载电压和带载电压等。
输出信号经16bit模数转换器ADS8688转换后输入STM32，经分析计算后，得到被测网络的各项电路参数，将结果显示在彩色触摸屏。
参考流程图：
软件程序流程图：
系统要求在所有功能指标都满足题目要求，部分功能指标超出题目要求，各项误差均在题目要求之内，很好地满足题目要求。
故障测试中能十分准确的判断出故障原因，而且可以实时监测电路工作状态，人机界面友好，测试数据真实可靠。
四．总体方案
测试仪需要测量有Ui点的信号幅值大小，Uo点的信号幅值大小，没有信号输入时放大电路的静态工作 点，也就是Uo点的直流电压大小。
测试仪选择STM32F103RCT6作为主控MCU，ADC采用内部ADC，检测1kHz信号的幅值大小时采用均方根进行计算，72M的主频配合一定的软件处理勉强够用，测量幅频特性截止频率时采用峰值扫描法的方式进行检测，后续讲到软件处理的时候会进行详细分析这里不做细述。
硬件电路主要由运算放大器构成的模拟电路，运算放大器采用通用型LM358和TL084构成，模拟部分供电采用正负12V的线性电源进行供电，数字部分采用开关电源供电。
测试仪和外部放大电路的连接采用屏蔽线连接，地线连接时防止构成地回路。
正弦波信号采用DDS芯片AD9850产生，这个直接购买的现成的模块，MCU通过通信控制输出信号的频率。
1．信号衰减输出部分设计
1.1增益测量时输入信号峰峰值选择
通过计算待测的共射放大电路在1kHz频率下的增益大约在100以上，这个增益会根据不同的管子呈现出细微的不同，搭建的电路经过测试发现此时的增益达到了150，并且电路的静态工作点的UCQ大约在7.2V左右，因此最大不失真输出电压峰峰值为（12-7.2）2=9.6V，但是信号上端越靠近电源则三极管的线性度越差，信号失真度越大。
为了不使放大电路的输出信号失真，输入放大电路的信号应当小一点，小信号时三极管的线性度较好，但是小信号对电路的设计难度较大器件要求较高，应该寻找一个合适幅值大小的信号作为输入信号。
可以先用信号发生器测试手头上搭建的放大电路在输入多大的信号下没有失真（顶部先失真），然后选择比测量出来的信号幅值小一些的信号作为输出信号即可。
最终我测量得出放大电路的输入信号的峰峰值控制在20mV以下比较合适，AD9850模块输出的正弦波信号在3.3V供电下，峰峰值在1V左右（以我手头的为例，实际值可以通过交流毫伏表测量得到。
），选择电阻值51k和510R作为分压得到峰峰值在10mV左右的正弦波。
2.输入电阻测量方式
输入电阻测量时不能使用上面用来测量增益时幅值那么小的信号作为输入，由于信号幅值很小，电阻和输入电阻分压之后的信号会更小，并且电阻本身的热噪声和运放的失调电压电流等，很容易对信号本身产生较大的误差，并且这种随机误差没有办法进行修正。
所以需要一路幅值较大的信号专门用来测量输入电阻时输出，但是这个信号的幅值又不能太大，因为如果幅值太大造成了三极管饱和，会影响输入信号造成信号失真导致无法测量，应当控制信号幅值使得串联电阻和输入电阻的分压之后的信号不会造成三极管饱和导通。
同样可以使用信号发生器进行测试，输出不同的信号幅值串联电阻之后查看放大器的输入信号是否失真。
最终我选择峰峰值为100mV左右的信号来测量输入电阻Ri，由于需要测量的输入电阻范围较大，选择两个串联电阻一大一小，输入电阻大时选择串联大的电阻作为输出，输出电阻小时串联小的，判断的依据是测量的Ui2的大小，Ui2很小时说明R>
>
Ri应该串联小电阻，Ui2接近Ui1时说明R<
<
Ri应该串联大电阻。
测试仪输出一个1kHz正弦信号，记录下Ui点的信号为Ui1，在输出串联一个电阻R再进行输出，记录下此时Ui点的信号大小为Ui2，则放大电路的输入电阻大小为Ri=Ui2∗R/（Ui1−Ui2），根据这个原理即可测量得到输出入电阻的大小。
3.电路分析
上图为信号输出衰减部分，从上往下依次是增益为1时输出，测量输入电阻时输出，小信号增益输出（幅频特性和1kHz放大电路增益）。
从左看起，AD9850输出信号由于其输出电阻较大，先经过一级电压跟随器使信号的驱动负载能力加强一点，增益为1的情况时直接通过继电器输出不需要做衰减。
输入电阻测量情况下DDS信号先经过一个隔直耦合电容，由于DDS信号输出的不是纯交流信号，直接处理会影响后面放大检测电路，需要先进行隔直再衰减11倍，通过交流毫伏表测得衰减后的信号记为Ui1（这个Ui1需要根据实际测量写入到程序中）。
两个串联电阻选择3k和20k，因为测量范围是1k-50k，选择这两个值较为合理，Ri小于10k时选择3k电阻输出，大于10k时选择20k电阻作为输出。
阻值差距太大的话会导致测量误差变大。
小信号输出同样在电压跟随器之后接一个隔直电容，再衰减101倍（衰减程序根据实际设置），由于放大电路的输入电阻较小，衰减后的信号由于不能直接输出，需要先接一级电压跟随器减小信号的输出电阻。
3.1隔直电容的选择
隔直电容最好选择贴片瓷片电容（寄生电感参数影响小），根据电容的阻抗公式相同频率下电容值越大电容的阻抗越小（忽略寄生参数影响），在耐压满足条件的情况下选择一个较大的电容。
电源去耦电容
为了使运放稳定的工作，电源的稳定是至关重要的，在靠近运放电源引脚放置去耦电容时必要的，通常会放一个104的电容即可，但是这里为了使电源的波动更小放置了一大一小两个电容。
两个电容的耐压一定要够，这里的电源是12V所以耐压一定要在16V以上，瓷片电容最佳。
3.2电阻选择
为了之后校准的方便电阻的精度尽量使用1%精度的，一般的贴片电阻1%精度即可，一般温漂都是100ppm，根据题目中的精度误差要求，这么小的温漂基本不影响。
然后电阻的阻值选择不能太大（比如100k、10k和10k、1k的分压效果相同，驱动能力足够的情况下应该选择小电阻进行分压。
），因为电阻的阻值大了的话有热噪声产生，这个是由于电阻的制作工艺引起的。
但是电阻也不能太小，太小的话比例电路中运放驱动能力会不足，选择几k数量级的电阻即可。
同时电阻分压的电阻也不能太小，太小了的话电容的容抗会对分压产生较大的影响。
由于信号经过衰减之后，信号的幅值很小无法使用STM32的内部ADC进行直接采集，需要先将信号进行放大再输出到内部ADC进行采集。
这里选择LM358作为第一放大器，选择同相放大电路相较于反向放大电路来说输入电阻大很多，对前级电路的影响最小，两级同相比例放大电路，第一级放大3倍第二级放大11倍，总共放大33倍。
由于LM358的带宽增益积为700kHz，测量幅频特性是最大信号频率可以达到200kHz，极限放大倍数也只有3倍左右，因此LM358的放大倍数最大只能设置为3倍。
同理TL084的带宽增益积为4M，设置放大倍数11倍。
放大之后的信号经过加法器，输出信号为（Ui33+1.235）V，由于STM32的ADC只能测量0-3.3V的信号，因此0<
（Ui*33+1.235）<
3.3,可以得到Ui的范围，Ui的峰峰值应该小于75mV，Ri测量时100mV信号经过分压的最大值应该是100mV∗50/（50+20）约为72mV，正好满足条件，说明取值是合适的。
当测量增益为1的情况时，DDS信号没有进行衰减直接输出，这里会造成输入到ADC的信号幅值非常大，不做保护的话很容易造成ADC损坏，需要进行简单的保护。
保护方式很简单，ADC引脚上连接一个二极管（1n4148之类）到3.3V电源，在连接一个二极管到GND上即可。
具体示意图如下图所示：
4.信号输入部分设计
4.1.静态工作点UCQ直流电压测量
放大电路输入信号为0时，输出只有直流分量。
此时闭合J5直流信号通过电阻分压之后输出到ADC采集。
输出的直流电压最大为12V，但是具有2k的输出电阻，所以输入到ADC的电压最大只有1
∗
12
/（2+3+1）
=
2
V
3.3
完全在ADC的承受范围之内。
记ADC测量得到的电压值为UDC，则UCQ=UDC4。
需要注
升级会员 