智能電路測試儀的設(shè)計(jì)與制作

葉全興 習(xí)智文 鄭佳彬 蔣鑫靖 余彥超 李紹翔 李翠梅＊

（江西科技師范大學(xué)，江西 南昌330013）

許多高校電子、電器類專業(yè)都開設(shè)了模擬電路課程，很多學(xué)生都感覺這是一門很抽象很難學(xué)的課程，甚至很多985 高校的學(xué)生也是這么認(rèn)為。而模擬電路課程是高校電子、電器類專業(yè)重要的專業(yè)必修課，為此我們專門設(shè)計(jì)了一款簡易智能電路測試儀，該智能測試儀可以很好地輔助學(xué)生掌握三極管放大電路的特性，使學(xué)生感到抽象難懂的課程變得有趣。市面上這種智能電路測試儀幾乎沒有，我們這款智能電路測試儀價(jià)廉物美，售價(jià)48 元，適合高校學(xué)生的消費(fèi)水平，所以具有很好的市場前景。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

使用STM32 單片機(jī)作為核心控制器件，利用DDS 波形發(fā)生電路和電阻分壓電路產(chǎn)生1kHz 30mV 正弦信號輸入到待測電路；待測電路通過輸入調(diào)理電路、輸出調(diào)理電路與單片機(jī)連接，通過按鍵電路控制，將待測電路的參數(shù)顯示在OLED 上。系統(tǒng)框圖如圖1：

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，硬件方面采用了STM32 作為控制芯片，并通過STM32 和電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生DDS 信號進(jìn)入調(diào)理電路中，再通過LMV324 控制調(diào)理電路，輸出信號給單片機(jī)采集，來獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.1 STM32 芯片

STM32 系列單片機(jī)，基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌人式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex - MX 內(nèi)核，擁有比8位單片機(jī)更高的數(shù)據(jù)處理速度，更豐富的外設(shè)；而且可以用STM 公司提供的固件庫，簡化了配置寄存器控制單片機(jī)的操作，使開發(fā)變得更簡單，并且能夠處理復(fù)雜計(jì)算和控制。單片機(jī)最小系統(tǒng)按鍵屏幕電路如圖6 所示。

2.2 LMV324 芯片

LMV324 內(nèi)部包括有四個(gè)獨(dú)立的高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，在本設(shè)計(jì)中主要是用于輸入和輸出調(diào)理電路中，便于對信號的處理，來獲得更好的輸入信號和采集輸出信號。

2.3 三極管放大電路（待測電路）

S9013 三極管和若干個(gè)電阻電容組成共射放大電路，47u 電容具有旁路作用，其他的電阻有分壓，調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)的作用，如圖2。

圖2 待測電路

圖3 DDS 信號產(chǎn)生電路

2.4 DDS 信號產(chǎn)生電路

利用單片機(jī)經(jīng)過一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)（加權(quán)網(wǎng)絡(luò)）得到信號DDS 信號，如圖3 所示。

2.5 輸入輸出調(diào)理電路

輸入調(diào)理電路是用來將信號源產(chǎn)生的信號調(diào)理放大到符合單片機(jī)采樣的范圍內(nèi)，并且該模塊由于存在著直流偏置所以需要放置電容以達(dá)到去耦，而輸出調(diào)理電路相反，將待測電路的輸出信號縮小到單片機(jī)能采集到的范圍。輸入輸出調(diào)理電路圖4、圖5 所示：

圖4 輸入調(diào)理電路

圖5 輸出調(diào)理電路

圖6 單片機(jī)最小系統(tǒng)按鍵屏幕電路

簡易電路特性測試儀的設(shè)計(jì)有兩部分電路:一個(gè)是由S9013組成的基本放大電路，另一個(gè)是電路特性測試儀。前者是被測對象，涉及一個(gè)輸入測試信號（1KHz，Vpp=10mV）和一個(gè)輸出信號；后者是一個(gè)簡易的測量儀表，它可以來將輸入的測試信號和輸出的放大信號提取出來，然后經(jīng)過一定的運(yùn)算求解出基本放大電路的動態(tài)特性參數(shù)：輸入電阻、輸出電阻、放大倍數(shù)，此簡易儀表包括有兩個(gè)端口，一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口；兩者端口的對應(yīng)關(guān)系為，測試儀的輸出端口接放大電路的信號輸入端，測試儀的輸入端口接放大電路的信號輸出端。輸入電阻測量：利用單片機(jī)的AD 采集功能，采集到電阻R1 兩端電壓的有效值為U1，這時(shí)我們所采集到的電壓是經(jīng)過衰減的電壓，如果此時(shí)函數(shù)信號發(fā)生器的輸出的有效值為US，ri 為輸入電阻，則等式U1/R1=US-U1/ri。從而計(jì)算得到ri=(US-U1)R1/U1。在測量輸入電阻時(shí)加入了兩級的輸入調(diào)理電路，將衰減后的信號放大到單片機(jī)可采集的范圍。輸出電阻測量：在放大信號不失真的情況下，利用單片機(jī)的AD 采集功能，采集到帶載10k 和50k兩種情況下的電壓值:ro=R2(UO1-UO2)/UO2

放大倍數(shù)為：Auu=UO1/(US-U1)

輸出電阻和放大倍數(shù)的測量這里用到了輸出調(diào)理電路，將待測電路的輸出信號進(jìn)行縮小，也是衰減到單片機(jī)能采集到的范圍。

此外，我們小組采用單片機(jī)生成正弦波的方法，經(jīng)過一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)（加權(quán)網(wǎng)絡(luò)）再通過一個(gè)低通濾波電路就得到輸入信號。簡易電路特性測試儀有一個(gè)OLED 顯示屏，采用四個(gè)按鍵進(jìn)行測試儀功能的控制，如圖6 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)用到了立創(chuàng)EDA、Protues、Multisim 和keil 這四個(gè)工具。其中硬件設(shè)計(jì)環(huán)境是通過Multisim 和Protues 設(shè)計(jì)電路并將其仿真，以檢驗(yàn)電路功能，功能基本實(shí)現(xiàn)后再在立創(chuàng)EDA 平臺下來畫出硬件總電路原理圖，并適當(dāng)替換一些原件，使測試儀更實(shí)用可靠。該設(shè)計(jì)中軟件設(shè)計(jì)環(huán)境是keil uvision5 MDK,使用的語言是C。在程序編寫完畢后，將其導(dǎo)入ST-LINK 中，將驅(qū)動連接至單片機(jī)即可。主要有以下幾個(gè)程序控制部分：采集輸入和輸出調(diào)理電路的控制、DDS 信號產(chǎn)生電路控制、OLED 屏幕顯示電路控制，按鍵電路控制。正弦波信號的產(chǎn)生：通過網(wǎng)上查找正弦表，創(chuàng)建主文件在其中輸入正弦表代碼，把正弦波信號經(jīng)過采樣，然后Z 變換，最后用差分方程形式去編程，計(jì)算出的DAC 值并輸出，也可以提前計(jì)算好，然后查表輸出。

采集輸出信號：設(shè)定定時(shí)器和輸出類型，再用定時(shí)器輸出事件觸發(fā)ADC，ADC 在觸發(fā)DMA 去搬運(yùn)，具體如下：ADC 采集中斷，在通過DMA 方式讀取ADC 并通過串口中斷收集到單片機(jī)中進(jìn)行存儲。OLED 屏幕顯示：在主函數(shù)寫下相關(guān)代碼，出錯(cuò)時(shí)顯示error，正常測試時(shí)會顯示其待測電路的增益，輸入輸出電阻。按鍵控制：在主函數(shù)中定義四個(gè)可以連接按鍵的端口，并賦予其功能為向上、向下、確定（主菜單）、選擇。本系統(tǒng)中單片機(jī)的作用是:檢測放大電路輸入信號幅值、放大電路輸出信號幅值，然后將這二者轉(zhuǎn)換為DMA 進(jìn)行存儲。此外，在進(jìn)行采集時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部也會對采集到的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，可以算出輸入輸出電阻及電路增益。

程序流程如圖7 所示。

首先，單片機(jī)中會根據(jù)ADC1 采樣得到的輸入調(diào)理電路的電壓，再根據(jù)戴維南定理等計(jì)算輸入電阻，并顯示輸入電阻；然后，同樣的方法計(jì)算輸出電阻，顯示輸出電阻；最后，單片機(jī)會采樣輸入輸出電壓計(jì)算出增益。

圖7 軟件流程圖

結(jié)束語

本文介紹了基于STM32 單片機(jī)一款智能電路測試儀的設(shè)計(jì)，該測試儀體積小、易攜帶且操作方便，可以很好地檢測放大電路的性能。使用STM32 單片機(jī)作為核心器件，不僅使測試儀功能強(qiáng)大，而且也有利于該產(chǎn)品在后期擴(kuò)展更多功能，這對于高校師生電路技術(shù)的教學(xué)和學(xué)習(xí)具有非常重要的意義。