基于簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝祥兵

【摘要】本設(shè)計(jì)采用STM32F407微控制器，TI公司的運(yùn)放等制作一臺(tái)簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)利用精密整流濾波電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化成直流電信號(hào)送入單片機(jī)A/D，測(cè)量出自建正弦信號(hào)發(fā)生電路輸出的電壓與被測(cè)電路凈輸入電壓的值從而計(jì)算出電路的輸入電阻以及測(cè)放大電路在不同負(fù)載時(shí)的輸出電壓，計(jì)算出電路輸出電阻，電路輸出值比上凈輸入值即為該電路的增益，將信號(hào)頻率線性改變，電路的增益變化兩者的關(guān)系為該電路的幅頻特性，根據(jù)A]量電路特性發(fā)生改變，可以判斷出電路中故障的位置。

【關(guān)鍵詞】精密整流 輸入輸出電阻 幅頻特性

一、方案總體描述

本系統(tǒng)主要有：信號(hào)發(fā)生電路，信號(hào)衰減電路，信號(hào)放大電路，精密整流濾波電路，負(fù)載切換電路，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)檢測(cè)控制顯示電路以及電源電路構(gòu)成，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖一所示：

正弦波信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)

由集成運(yùn)算放大器組成RC橋式正弦波振蕩器，當(dāng)中RC串、并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋支路，同時(shí)作為選頻網(wǎng)絡(luò)，加入二極管等元件構(gòu)成負(fù)反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)反饋電阻，可改變負(fù)反饋深度，從而滿足振蕩的振幅條件和波形改善，達(dá)到改善波形失真的目的。本設(shè)計(jì)中為橋式正弦波振蕩器，其中RC串、并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋支路，同時(shí)兼作選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)中的電阻與電容的值均相等及二極管等元件構(gòu)成負(fù)反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)可變電阻即，可以改變負(fù)反饋的深度，從而滿足振蕩的振幅條件和改善波形。采用兩個(gè)反向并聯(lián)二極管正向電阻的非線性特性來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。穩(wěn)幅二極管采用硅管（溫度穩(wěn)定性好），且要求特性匹配，才能保證輸出波形正、負(fù)半周對(duì)稱。在二極管兩端并上一電阻可削弱二極管非線性的影響，以改善波形失真，電路振蕩頻率：f=1/2IIRC。

信號(hào)衰減電路

根據(jù)反比例運(yùn)算放大器的原理，按比例設(shè)置反饋電阻與反相輸人端連接的電阻將信號(hào)進(jìn)行衰減，有運(yùn)放將兩級(jí)隔離，基本不影響后級(jí)放大電路輸入電阻的測(cè)量，按比例設(shè)置反饋電阻與反相輸入端連接的電阻將信號(hào)進(jìn)行衰減，有運(yùn)放將兩級(jí)隔離，基本不影響后級(jí)放大電路輸入電阻的測(cè)量本設(shè)計(jì)中衰減100倍。

被測(cè)電路輸入信號(hào)放大幅值檢測(cè)電路

利用集成運(yùn)放構(gòu)成的放大電路將信號(hào)放大，再將輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)精密整流濾波電路轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)傳送給單片機(jī)AID進(jìn)行輸入信號(hào)幅值測(cè)量，避免二極管管壓降帶來(lái)測(cè)量的誤差且集成運(yùn)放構(gòu)成的放大電路簡(jiǎn)單且放大倍數(shù)便于設(shè)置。

二、輸出電阻測(cè)量

在輸出端接上分別接上不同阻值的兩個(gè)負(fù)載，分別檢測(cè)出電壓值可以計(jì)算出輸出電阻的大小。

2.1 被測(cè)電路輸入電阻分析技術(shù)。被測(cè)電路輸入電阻的測(cè)量可根據(jù)電阻分壓定理來(lái)測(cè)量原理測(cè)出信號(hào)源Us電壓與放大電路凈輸入信號(hào)Ui幅值，外接RS為已知電阻根據(jù)電壓分壓原理可計(jì)算出被測(cè)電路輸入電阻=Ui/Us-Ui*Rs。

2.2 放大電路輸出電阻分析技術(shù)。被測(cè)放大電路輸出電阻Rs的測(cè)量可根據(jù)戴維南定理測(cè)量斷開(kāi)負(fù)載電阻測(cè)出Vs即放大電路未接人負(fù)載時(shí)的電壓，然后將負(fù)載接人放大電路寄俞出端記為uab，負(fù)載電阻RL已知量，由此推算出放大器輸出電阻Rs=RL/uab*VS-RL

2.3 放大電路增益分析。測(cè)得的放大電路輸出信號(hào)與凈輸入信號(hào)的幅值的比值即為該電路的增益Au（dB）=201g[Vo/Vi]。

2.4 放大電路幅頻特性的分析。調(diào)整振蕩器的頻率，從0hz開(kāi)始遞增頻率記錄下每一次頻率值與放大電路輸出幅度的值，將每一次改變頻率對(duì)應(yīng)的幅度在坐標(biāo)軸上標(biāo)明，每一個(gè)點(diǎn)連接起來(lái)即為該放大電路的幅頻特性曲線。

2.5 故障分析。R1開(kāi)路放大電路無(wú)基極偏置電壓三極管進(jìn)入截止區(qū)，輸出接近于直流12v，R1短路基極偏置電壓過(guò)高導(dǎo)致三極管進(jìn)入飽和區(qū)，不能正常放大信號(hào)，R2短路后輸入信號(hào)到地?zé)o交流信號(hào)輸出，R3短路輸出為12v直流電壓，R3開(kāi)路無(wú)輸出電壓，R4開(kāi)路輸出為12v直流電壓，c1開(kāi)路無(wú)交流信號(hào)輸出，c2開(kāi)路該電路放大能力減小，輸出信號(hào)小。

三、電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 精密整流濾波電路設(shè)計(jì)。如圖二中的電路所：示，U2A及外圍電路構(gòu)成正半波輸入2倍壓反相整流放大電路，U2B為濾波電路。

3.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。通過(guò)電壓比較器將正喜波變換成方波信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行頻率測(cè)量。

3.3 程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中單片機(jī)主控檢測(cè)模塊顯示主要實(shí)現(xiàn)的功能：放大電路凈輸入信號(hào)幅值檢測(cè)從而計(jì)算出輸入電阻、放大電路輸出信號(hào)幅檢測(cè)計(jì)算出輸出電阻，電路增益的計(jì)算，故障檢測(cè)，掃頻模式的設(shè)置和頻譜圖繪制及顯示，信號(hào)的頻率與幅值，電路增益，故障顯示。程序流程：1、開(kāi)始，采樣輸入兩端電壓根據(jù)戴維南定理計(jì)算輸入電阻，顯示輸入電阻。2、采樣輸出兩端電壓計(jì)算輸出電阻，顯示輸出電阻，計(jì)算增益，測(cè)量頻率與輸出電壓的關(guān)系，3、故障檢測(cè)、根據(jù)測(cè)得的輸入輸出電阻和幅頻特性顯示出故障部位。

四、系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)采用分壓式偏置電路為測(cè)試對(duì)象，測(cè)試結(jié)果：輸入輸出電阻，電路增益，伏頻特性曲線與電路理論計(jì)算置的偏差率分別為90.1%，92.1%，85%。

五、結(jié)束語(yǔ)

從上述系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果可以看出該系統(tǒng)基本能實(shí)現(xiàn)某電路輸入輸出電阻的測(cè)量，增益的測(cè)量，電路幅頻特性，基本能判斷出電路中故障范圍。