林鈺哲，張成涵宇

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江杭州，310018）

0 引言

本文設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試儀測(cè)量特定放大器電路的特性，進(jìn)而判斷該放大器由于元器件變化而引起故障或變化的原因。通過(guò)AD637 采集輸入輸出信號(hào)的有效值，結(jié)合電路分析和軟件算法，計(jì)算元器件參數(shù)、放大器增益。電路發(fā)生變化后可以自動(dòng)分析故障原因，并通過(guò)串口屏顯示。此外還可以通過(guò)自制DDS 信號(hào)源變化輸入信號(hào)頻率，經(jīng)過(guò)掃頻測(cè)量后在串口屏上顯示上限截止頻率、繪制幅頻特性曲線。同時(shí)，本文對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程中的方案選擇進(jìn)行了對(duì)比，分析了各個(gè)方案之間的利弊，進(jìn)而使得測(cè)量精良精度達(dá)到理想效果，即測(cè)量誤差在10%以下，滿足實(shí)際使用中簡(jiǎn)單測(cè)量的需求。

1 系統(tǒng)整體方案

■1.1 方案比較與選擇

1.1.1 理論電路圖

系統(tǒng)理論電路圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)理論電路圖

1.1.2 輸入電阻測(cè)量

方案一：在被測(cè)放大電路前串一個(gè)電阻R，輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，用示波器分別測(cè)量R兩端對(duì)地的電壓Us與Ui，根據(jù)電 阻 分 壓 比Ri*Ui= (Ri+R)*Us得 到 輸 入 電 阻Ri=Us/ (Us-Ui)*R。但這種方案只適用于測(cè)量Ri較小的情況，Ri較大時(shí)存在較大的誤差。

方案二：仍然是在被測(cè)放大電路前串入電阻R，輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，在R兩端接入儀表運(yùn)算放大器，將R兩端差值放大，得到Us-Ui的有效值。假定放大倍數(shù)為K，則可 推 出

與方案一相比，方案二不僅克服了測(cè)量有效值儀器的輸入電阻對(duì)放大器輸入電阻的影響，且儀表運(yùn)算放大器對(duì)于輸入輸出電阻也沒(méi)有影響，使得測(cè)量的iR更加準(zhǔn)確，測(cè)量范圍也更廣。故綜合考慮我們最終采用方案二。

1.1.3 輸出電阻測(cè)量

方案一：短路放大器輸入端的交流信號(hào)，在放大器的輸出端施加交流電壓信號(hào)，并測(cè)量此時(shí)流入放大器輸出端電流，計(jì)算輸出電阻。這種方法十分經(jīng)典，且測(cè)量精度高，但是在本題應(yīng)用中，需要斷開(kāi)輸入信號(hào)，并施加標(biāo)志信號(hào)到輸出端，增加了測(cè)量電路的復(fù)雜程度。

方案二：放大器輸入端輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，分別測(cè)量放大器帶載和空載時(shí)的輸出電壓有效值，記為Uo和Uo'，根據(jù)電阻分 壓 比，Uo=RL/ (Ro+RL)*Uo'，可 以 得 到 輸 出 電 阻 為

與方案一相比，方案二顯得更為高效，操作更為簡(jiǎn)潔，并且測(cè)量精度也在誤差范圍內(nèi)，不用斷開(kāi)輸入信號(hào)。故綜合考慮我們最終采用方案二。

1.1.4 幅頻特性、上限截止頻率

方案一：采用在放大器輸入端輸入幅值不變，頻率從低到高變化的交流信號(hào)，利用自帶的AD 對(duì)輸出信號(hào)分壓測(cè)量，并對(duì)測(cè)量值進(jìn)行傅里葉分析，計(jì)算出輸出信號(hào)的有效值，得到放大器電路的上限截止頻率，繪制幅頻特性曲線。

方案二：采用在放大器輸入端輸入幅值不變，頻率從低到高變化的交流信號(hào)，將輸出信號(hào)的直流交流分量分離，通過(guò)AD637 測(cè)量交流信號(hào)有效值，得到放大器電路的上限截止頻率，并繪制幅頻特性曲線。

與方案一相比，方案二的測(cè)量克服了單片機(jī)進(jìn)行傅里葉分析時(shí)受采樣頻率的限制，高頻時(shí)容易發(fā)生頻譜泄露等問(wèn)題的影響，直接有效地得到了輸出交流信號(hào)的有效值，減少了CPU 的運(yùn)算量，且測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。故綜合考慮我們最終采用方案二。

1.1.5 放大器增益

方案一：采用小信號(hào)輸入放大器電路，同時(shí)測(cè)量輸入輸出點(diǎn)的有效值，進(jìn)行比較，直接求出放大器增益。

方案二：采用已知峰峰值的小信號(hào)輸入放大器電路，在保證輸出信號(hào)不失真的前提下，測(cè)量輸出信號(hào)的有效值，與輸入信號(hào)有效值進(jìn)行比較，求出放大器增益。

與方案一進(jìn)行比較，方案二只需要測(cè)量輸出信號(hào)的有效值，減少了有效值需要測(cè)量的點(diǎn)數(shù)，測(cè)量誤差更小，故綜合考慮我們采用方案二。

■1.2 方案描述

系統(tǒng)總體框圖如圖2 所示。單片機(jī)通過(guò)SPI 與DDS 信號(hào)源通信，控制信號(hào)產(chǎn)生。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部自帶的ADC 測(cè)量AD637 芯片輸出的電壓有效值得出待測(cè)電路輸出信號(hào)的交流信號(hào)有效值。通過(guò)繼電器控制串入電阻R、負(fù)載電阻RL的接入與否，切換測(cè)量點(diǎn)，得到各點(diǎn)電壓有效值，結(jié)合對(duì)模擬電路的分析，根據(jù)推導(dǎo)出的公式計(jì)算輸入輸出阻抗，待測(cè)電路增益。利用ADS9910 頻率的變換進(jìn)行掃頻，根據(jù)輸出電壓有效值找出上線截止頻率。故障分析則是結(jié)合電路仿真結(jié)果，找出各種故障情況下的電路特點(diǎn)，加以比較，得到便于判斷各種故障發(fā)生的標(biāo)志。再根據(jù)測(cè)量結(jié)果，分析判斷出待測(cè)電路的故障情況。

圖2 系統(tǒng)整體方案框圖

2 理論分析

■2.1 測(cè)量理論

2.1.1 輸入阻抗測(cè)量

在被測(cè)放大電路前串入電阻R，輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)Ui，在R兩端接入儀表運(yùn)算放大器，將R 兩端差值放大，得到Us-Ui的有效值U。假定放大倍數(shù)為K，則U=K*(Us-Ui)。由Ui=Ri/ (Ri+R)*Us可推出Ri=Ui*R/U*K。

2.1.2 輸出阻抗測(cè)量

在放大器輸入端輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，分別測(cè)量放大器帶載和空載時(shí)的輸出電壓有效值，記為Uo和，根據(jù)電阻分壓比，Uo=RL/ (Ro+RL)*Uo'，可以得到輸出電阻為

2.1.3 增益測(cè)量

采用已知峰峰值的小信號(hào)輸入放大器電路，在保證輸出信號(hào)不失真的前提下，測(cè)量輸出信號(hào)的有效值，與輸入信號(hào)有效值進(jìn)行比較，求出放大器增益Uo/Ui。

2.1.4 上限截止頻率測(cè)量

在放大器輸入端輸入幅值不變，頻率從低到高變化的交流信號(hào)，將輸出信號(hào)的直流交流分量分離，通過(guò)AD637 測(cè)量交流信號(hào)有效值，找出有效值最大的頻率點(diǎn)后有效值為最大點(diǎn)0.707 倍的點(diǎn)，該點(diǎn)的頻率即為上限截止頻率。

■2.2 故障分析理論

根據(jù)對(duì)每種故障情況下電路的特性分析和仿真測(cè)量，我們總結(jié)歸納了出足夠區(qū)分出每一種故障情況的綜合判據(jù)，通過(guò)對(duì)這些判據(jù)的逐一測(cè)量，綜合對(duì)比，我們最終形成了如圖3 所示的故障判斷分析流程。具體過(guò)程是先計(jì)算放大器電路在標(biāo)準(zhǔn)頻率下的增益，判斷增益大小是否正常，將判據(jù)分為兩大類：一類是綜合直流電壓、輸入電阻共同判斷電路故障原因，這兩個(gè)判據(jù)可以判斷出大部分的電阻短路或短路故障；另一類則需要再次測(cè)量放大器電路的高頻增益、低頻增益，以及相位差，逐個(gè)對(duì)故障原因進(jìn)行排查，最終得出故障原因。

圖3 故障檢測(cè)流程圖

3 電路設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

整體電路圖如圖4 所示。

圖4 整體電路圖

■3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)軟件部分采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，基于STM32G474RET6單片機(jī)，用IDE 軟件keil5 進(jìn)行仿真與調(diào)試。總程序由ADS9910DDS 信號(hào)發(fā)生模塊、AD637 有效值測(cè)量、軟件FFT模塊、SPI 通信模塊、顯示模塊子程序構(gòu)成。主程序的流程圖如圖5(a)所示；ADS9910 信號(hào)輸出模塊流程如圖5(b)所示；AD637 信號(hào)采集模塊流程圖如圖5(c)所示；顯示模塊流程圖由圖5(d)所示。

圖5

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)裝置能對(duì)聲源方向進(jìn)行識(shí)別并計(jì)算距離，如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置

■4.1 測(cè)試儀器清單

表1 測(cè)試儀器

■4.2 輸入電阻測(cè)試

測(cè)試方案：改變待測(cè)電路部分參數(shù)，計(jì)算不同參數(shù)下的理論值，通過(guò)MC05102 觀察輸出波形，保證電路工作在放大區(qū)，并測(cè)量輸入電阻阻值，與理論結(jié)果相比較，計(jì)算相對(duì)誤差。根據(jù)要求所測(cè)量輸入電阻阻值如表2 所示。

表2 輸入電阻測(cè)量

測(cè)試結(jié)果：輸入電阻的測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果相比較相對(duì)誤差控制在了實(shí)際使用要求的10%以內(nèi)，誤差來(lái)源于串入電阻阻值不足導(dǎo)致R 兩端測(cè)量結(jié)果相差不大；R 兩端的電壓經(jīng)過(guò)儀表放大器后放大倍數(shù)存在偏差；輸入信號(hào)存在噪聲干擾；有效值檢測(cè)模塊并未穩(wěn)定。

■4.3 輸出電阻測(cè)試

測(cè)試方案：改變待測(cè)電路部分參數(shù)，計(jì)算不同參數(shù)下的輸出電阻理論值，MC05102 觀察輸出波形，保證電路工作在放大區(qū)，并測(cè)量輸出電阻阻值，與理論結(jié)果相比較，計(jì)算相對(duì)誤差。根據(jù)要求所測(cè)量輸出電阻阻值如表3 所示。

表3 輸出電阻測(cè)量

測(cè)試結(jié)果：輸出電阻的測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差控制在實(shí)際使用要求的10%以內(nèi)，誤差來(lái)源于采樣電路線路的損耗；輸出信號(hào)存在噪聲干擾；有效值檢測(cè)模塊并未穩(wěn)定。

■4.4 放大器增益測(cè)試

測(cè)試方案：通過(guò)示波器直接測(cè)量DDS 模塊輸出1kHz信號(hào)和經(jīng)過(guò)放大器電路放大后的交流信號(hào)的有效值，計(jì)算增益，與本系統(tǒng)測(cè)量增益相比較，計(jì)算相對(duì)誤差。根據(jù)要求所測(cè)量增益如表4 所示。

表4 放大器增益測(cè)量

測(cè)試結(jié)果：增益測(cè)量結(jié)果與理論結(jié)果的相對(duì)誤差在實(shí)際使用要求的10%以內(nèi)，誤差來(lái)源于對(duì)輸入輸出信號(hào)測(cè)量時(shí)存在的噪聲干擾和測(cè)量線路造成的損耗以及輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)儀表放大器放大后出現(xiàn)偏差，有效值測(cè)量模塊本身存在誤差。

■4.5 上限截止頻率測(cè)試

測(cè)試方案：通過(guò)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器直接向待測(cè)電路輸出信號(hào)，手動(dòng)改變函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，通過(guò)示波器測(cè)量輸出端信號(hào)，找出上限截止頻率，與本系統(tǒng)所測(cè)量的上限截止頻率相對(duì)比。根據(jù)要求所測(cè)量上限截止頻率如表5 所示。

表5 上限截止頻率測(cè)量

測(cè)試結(jié)果：放大器電路上線截止頻率的測(cè)量結(jié)果與計(jì)算值相比較，相對(duì)誤差在實(shí)際使用要求的10%以內(nèi)，誤差來(lái)源于掃頻測(cè)量時(shí)的測(cè)量點(diǎn)數(shù)不足，頻率分辨率不高，以及采樣過(guò)程中有效值模塊輸出未完全穩(wěn)定，測(cè)量線路存在影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)為簡(jiǎn)易電路特性測(cè)試儀，從測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)待測(cè)放大器電路的參數(shù)測(cè)量，同時(shí)能夠?qū)γ糠N故障情況識(shí)別判斷并顯示。整個(gè)系統(tǒng)工作可靠，完全滿足題目中所有的基本和發(fā)揮要求，測(cè)量誤差均在要求范圍以內(nèi)，且部分功能和測(cè)試經(jīng)過(guò)接近理想值。與此同時(shí)，本系統(tǒng)仍然存在一定的局限性，相較于其他測(cè)量項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，上限頻率測(cè)量總體誤差較大，需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。由于電路中還是存在著噪聲干擾，對(duì)于測(cè)量項(xiàng)目的結(jié)果帶來(lái)一定影響，所以后期優(yōu)化目標(biāo)為進(jìn)一步控制噪聲，比如采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方式，自動(dòng)對(duì)噪聲進(jìn)行識(shí)別和濾除。