基于STM32的簡易電路特性測試系統(tǒng)設(shè)計

秦紹明,程登良

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰 442002)

0 引言

晶體管或者場管效應(yīng)組成的各類基本放大電路是理解電子線路的基礎(chǔ)，對它的掌握顯得尤為重要[1].在實(shí)驗教學(xué)中，測量基本放大電路特性需要用到各類相關(guān)儀器.對輸入、輸出電阻測量主要借助數(shù)字萬用表，可以獲得電路的電壓特性和輸出直流電壓分量等.對于電路幅頻特性曲線的測量，主要是用頻譜儀.對于電路輸入輸出特性的測量，主要利用信號源產(chǎn)生輸入信號，從示波器上讀出電路的相關(guān)輸入輸出特性曲線[2-3].

傳統(tǒng)的電路特性測量儀器，無法實(shí)現(xiàn)在一個系統(tǒng)中對電路的多個數(shù)據(jù)進(jìn)行測量.本文設(shè)計了一種基于STM32F103單片機(jī)的簡易電路特性測試系統(tǒng)，以單片機(jī)為核心，輔以信號處理電路、ADC轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理電路等，不僅可以實(shí)現(xiàn)自動化電路特性測試，還具有測量精度高、輸出穩(wěn)定和自動故障測試等優(yōu)點(diǎn).

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

簡易電路特性測試系統(tǒng)選用了高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列芯片作為系統(tǒng)的嵌入式控制單元[4].被測電路測試板是虛線框內(nèi)的“分壓式共射極三極管放大電路”，本測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對被測電路測試板的“輸入-輸出電阻”的測量，可以實(shí)現(xiàn)對其放大電路幅頻特性的測量，還具備故障診斷功能，能較好實(shí)現(xiàn)電路特性的自動化測試.系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示.首先使用“DDS信號發(fā)生器”中的AD9851產(chǎn)生相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測試信號，送往“輸入信號處理及采集”模塊，將信號進(jìn)行放大或衰減等預(yù)處理后得到Vi[5]，輸入到給定的被測電路測試板.測試板輸出響應(yīng)信號Vo，經(jīng)“輸出信號處理及采集”模塊，使用儀表放大器和OP放大器設(shè)計信號采集處理電路進(jìn)行處理后，在“AD模數(shù)轉(zhuǎn)換”模塊利用AD7324對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便單片機(jī)讀取各個采樣點(diǎn)的信號，實(shí)現(xiàn)對各個電壓數(shù)據(jù)的處理和分析，并將信號處理結(jié)果使用LCD顯示屏顯示.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig.1 Overall system design block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 輸入阻抗測試電路

根據(jù)對被測電路板的理論分析和實(shí)際測量，輸入信號不能超過30 mV峰峰值，否則輸出信號會嚴(yán)重失真.放大電路的增益為138，輸出信號峰值最大為9.7 V.輸入阻抗檢測電路如圖2所示.

圖2 輸入阻抗檢測電路Fig.2 Input impedance detection circuit

將通過AD轉(zhuǎn)換后的電壓值定義為ch0,ch1,ch2,ch3.實(shí)際測量精密儀表運(yùn)放AD8428的增益系數(shù)為2023.8，因此實(shí)際輸入信號的被采樣電阻R6分壓得到的電壓V1的電壓峰值為：

(1)

同理，實(shí)際輸入到被測電路板的正弦波信號經(jīng)由兩級TL082組成的增益為102.36倍的同相放大電路后放大為CH1，被AD轉(zhuǎn)換成ch1，即V2的電壓峰值：

(2)

由兩者分壓關(guān)系可得輸入阻抗：

(3)

式(3)中，Ri為電路的輸入阻抗.

2.2 輸出檢測電路和均方根檢測電路

因被測電路板的輸出信號Vout經(jīng)過THS4211進(jìn)行信號跟隨得到的CH2點(diǎn)的信號含有直流信號，可用于測量靜態(tài)工作點(diǎn)，所以測量輸出阻抗R0時，需要對經(jīng)AD637后再被均方根處理的CH點(diǎn)的信號進(jìn)行兩次測量.第一次測量時繼電器K1斷開，被測電路板輸出信號無負(fù)載時的輸出信號幅度，測得電壓轉(zhuǎn)換值為V3；第二次測量時K1閉合，測量電路接入阻值為2 KΩ的負(fù)載R20時的輸出信號幅度，得到第二次測量CH3的電壓轉(zhuǎn)換值為V4.均方根檢測電路如圖3所示.

圖3 均方根檢測電路Fig.3 Root mean square detection circuit

CH3點(diǎn)的信號經(jīng)過隔直處理和均方根轉(zhuǎn)換，輸出的信號是被測電路交流信號有效峰峰值，輸出信號檢測電路如圖4所示.由V3和V4推導(dǎo)得輸出電阻R0:

(4)

圖4 輸出阻抗檢測電路Fig.4 Output impedance detection circuit

輸出信號峰值：

(5)

因為輸入電壓U1=V2,U0=V3,由放大電路電壓增益定義得增益系數(shù)為：

(6)

對應(yīng)測得的ADC測量值推導(dǎo)出增益為：

(7)

2.3 系統(tǒng)電源模塊

簡易電路特性測試系統(tǒng)中不同的模塊需要用到±12 V、±5 V、+3.3 V五相電源，微控制器通過程序管理協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)各部分的電源供給，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，且系統(tǒng)中有小到微伏級的信號需要處理，必須保證電源供電穩(wěn)定性高且紋波極小.為滿足供電要求，設(shè)計了線性穩(wěn)壓電源電路[6-7]，如圖5所示.

圖5 線性穩(wěn)壓電源電路Fig.5 Linear regulated power supply circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體程序設(shè)計框架

簡易電路特性測試系統(tǒng)整體程序設(shè)計框架如圖6所示，主要包含電路特性測量、幅頻特性測量和電路故障診斷三個功能模塊以及對應(yīng)的ADC數(shù)據(jù)采集和算法處理.

3.2 電路特性測量軟件設(shè)計

電路特性測量軟件設(shè)計如圖7所示.驅(qū)動DDS模塊產(chǎn)生1 kHZ的標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)電路處理后，再用AD7324對ch0,ch1,ch2,ch3這四個點(diǎn)的電壓進(jìn)行采集與ADC轉(zhuǎn)換.通過多次采集和數(shù)字信號濾波處理，得到輸入和輸出阻抗.

圖6 系統(tǒng)整體程序設(shè)計框架Fig.6 Framework of overall system programming design圖7 電路特性測量軟件設(shè)計Fig.7 Design of circuit characteristic measurement software

3.3 幅頻特性測量軟件設(shè)計

使用函數(shù)發(fā)生器和示波器對被測電路進(jìn)行測試時發(fā)現(xiàn)測試板的上限頻率在125 KHz至128 KHz之間，所以在進(jìn)行掃頻時，選擇輸出幅度固定不變，在0 Hz到1 MHz范圍內(nèi)，以對數(shù)步進(jìn)的方式增加輸出的頻率進(jìn)行第一輪掃描.對第一次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐次對比，找出峰峰值最大點(diǎn)和對應(yīng)的頻率，以此頻率作為電路通頻帶的中心頻率.并求出電路輸入頻率增加時，輸出幅度衰減到-3 dB點(diǎn)的可能區(qū)間，在此區(qū)間進(jìn)行第二輪掃描，找到上限頻率點(diǎn).測試流程如圖8所示.

圖8 幅頻特性測量軟件設(shè)計Fig.8 Software design of amplitude frequency characteristic measurement

3.4 電路故障診斷軟件設(shè)計

電路故障診斷軟件設(shè)計流程如圖9所示.對于被測電路中的電子元件，電阻R1和R2的變化會影響輸入阻抗及電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，因此可以通過測量這兩個數(shù)據(jù)來檢測R1和R2是否存在故障.R3的變化會直接影響電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，輸出阻抗和增益，因此可以通過測量這三個數(shù)據(jù)來檢測R3是否存在故障.R4在交流狀態(tài)下是被電容C3短路的，但R4的變化會影響電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和輸入阻抗.在電容C1斷開時，電路無輸出信號，即取樣電阻R6沒有信號通過，此時AD8428儀表放大器差分放大輸出無限接近0.而電容C2容值變化時，將直接影響電路的輸入阻抗和交流增益系數(shù).但由于C3只對電路的上限頻率有較大影響，其容值變化對被測電路的信號輸出不會有明顯的影響，所以需要通過測量幅頻特性變化來判斷其是否存在故障.

圖9 故障診斷軟件設(shè)計流程Fig.9 Flow of fault diagnosis software design

4 系統(tǒng)測試及結(jié)論

4.1 電路特性測量

改變R1,R2,R3,R4的阻值，進(jìn)而改變電路的輸入、輸出阻抗和電路增益.通過對比理論計算數(shù)值和測試得到的數(shù)據(jù)，得到輸入、輸出電阻測量數(shù)據(jù)如表1所示.通過數(shù)據(jù)對比分析，測量值與理論值的誤差在1.5%以內(nèi)，具備良好的準(zhǔn)確性.電路增益的測量值與理論值誤差都在3%至3.5%之內(nèi)，可以確定雖然理論增益與實(shí)際增益偏差較大，但其偏差是線性的.電路增益測量數(shù)據(jù)如表2所示.

4.2 幅頻特性測量

控制DDS產(chǎn)生掃頻信號對被測電路板進(jìn)行掃頻測試得到的數(shù)據(jù)如表3所示.數(shù)據(jù)可以通過串口傳遞到電腦上進(jìn)行記錄分析，還可以通過單片機(jī)處理形成幅頻特性曲線在LCD屏上顯示.

4.3 故障診斷測量

改變各器件的數(shù)值，產(chǎn)生相應(yīng)的“故障”用于診斷測試.故障診斷記錄如表4所示，“√”表示能正確診斷并把準(zhǔn)確的故障點(diǎn)打印出來，“×”表示未能正確診斷出故障.從測試記錄看，故障診出率為95%，能夠在1.34 s內(nèi)快速完成診斷響應(yīng).

表4 故障診斷表Tab.4 Fault diagnosis table

5 結(jié)論

基于STM32單片機(jī)控制的簡易電路特性測試系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電路特性和幅頻特性測量，以及電路故障的診斷，實(shí)現(xiàn)了電路測量工具的集成，提高了測量效率.對輸出電阻的測量誤差可控制在1.5%以內(nèi)，電路增益的誤差可控制在3%至3.5%之內(nèi)，故障診斷效率達(dá)95%以上，比較傳統(tǒng)電路測試儀而言，整體性能優(yōu)良.