论文部分内容阅读
摘 要：本文介绍了一种基于STM32F407核心板的电路特性检测仪，主要针对以BJT、FET和运放为核心的简单电路。设计以DDS信号发生器作为信号源，可产生1kH的正弦波信号;以电压跟随、差分放大电路以及峰值检测电路组成输入检测电路，以电压跟随、峰值检测电路、RC低通滤波、运放输出、开关电路组成输出测试电路;以STM32F407作为系统控制和数据处理的核心，并控制信号发生器产生源信号，同时对测试电路产生的电路特性进行检测和处理得到被检测电路特性数据值。此检测仪可较精准地检测出电路的各项数据。
关键词：STM32F407单片机;DDS信号发生器;自制PCB检测电路;电阻分压法
在电路设计过程中，电路检测仪是必不可少的，它不仅可以测量电路的各项参数，还可以检测电路的故障。但其中适用于学生的、低成本的，且是针对BJT、FET和运放的电路特性测试仪还是比较少的。本设计则在满足上述条件的同时，又保证了低成本——选用NE5532、LMD358和AD620等低成本芯片，还通过优化电路使得测量的结果达到较高的精度，且同时兼备操作方便、检测结果直观明了的优点。
一、检测仪的硬件组成及原理
检测仪主要由控制部分和外围电路两部分组成。控制部分的核心是STM32F407控制板，外围电路由DDS函数信号发生器、输入检测电路、输出检测电路和输出显示屏组成。外围电路的主要功能是得到输入、输出电阻和增益的数据信息并传给控制中心，控制部分的主要功能是收集和处理信息得到具体数据值，分析被测电路的变化和故障，最后将数据和分析结果显示在LCD屏上。
（一）硬件电路的第一部分为输入测试电路。输入测试电路由一个可变电阻Rg和测量电路并联组成。采用电阻分压法，将测试电路与待测电路串联后，测试电路可得Rg两端电压，通过AD620进行差分放大，增益为G=49.4/KΩ/Rg+1，再将放大后的信号通过峰值检测电路转换成直流输出，可得到所需电压Vg。令输入为Vs，被测电路实际输入为Vi，测量电路分压为Vg，输入电阻具体计算公式如下：Ri = Rg（Vs/Vg - 1）。
（二）硬件电路的第二部分为输出测试电路。输出测试电路由直流测量和交流测量两大回路组成。直流测量端可得到无负载下的输出电压，先通过电压跟随器保证输入电压和输出电压是相同的，再经过4级RC无源滤波滤除，有效滤除交流分量，最后经过5倍的衰减得到Vdc，Vdc=Vpp/5（Vpp是待测电路的输出电压直流分量）。交流测量端可得到有负载下的输出电压，先经过电压跟随器，再通过交直流转换电路得到Vac，Vac=Vpp/2。根据电路原理相关公式可求得两种情况下的Re，由输出电阻和负载是并联的可求得Ro，由已知条件也可求得电压增益Vo。
二、硬件设计的的元件选择
信号源選择以AD9854为核心的DDS信号发生器，精度高、功耗低，可产生1kHz的正弦波和方波。输入、输出测试电路中，采用NE5532和LM358D作为电压跟随器的核心，使用以AD620为核心的差分放大电路G=49.4/KΩ/Rg+1和LM358D的放大电路进行信号的放大，使用无源滤波滤除交流分量，成本低且简单。选用的各类元件成本低且使用方便。
三、软件设计
本测试仪的程序设计是结合实际测试电路来配置程序的底层，各个模块间的数据是相互调用的，具体流程为——STM32通过多次逼进采集正弦信号峰峰值，计算平均值获得所需电压值，再经过相关计算获得输入阻抗、输出阻抗和放大倍数，之后通过产生正弦扫频信号，获取不同频率下的放大倍率，由此确定放大电路的上限截止频率并绘制幅频特性曲线，最后将数据结果传给LCD程序进行显示。
四、测试与结果分析
（一）利用自制的简易电路特性测试仪对BJT、FET和运放放大电路参数进行测试并检验对故障状态的监测效果，本文将展示对单管BJT放大电路的测试结果，另两类电路的测试步骤结果与此相似，不再进行说明。测试所使用到的仪器有——GPD-33030型号的稳压电源、DS1102CA型号的示波器、DG1022U型号的函数信号发生器和VC890D型号的万用表。
（二）测试的说明如下：测试的输入信号为1kHz，输入阻抗理论值为2000Ω，输出阻抗理论值为2000Ω，理论增益值为160dB，该信号的理论上限频率为161kHz。表1的测试结果可说明——本设计可有效测出输入、输出阻抗、电路增益。虽然电子元器件、人为测试造成了一定的误差，但此误差在可接受范围内。
五、结论
本测试仪以STM32F407嵌入式处理器为核心，搭配自制的电压跟随器、放大电路和峰值检测电路，实现了对输入、输出电阻、增益和截止频率的测量和对故障的分析检测，可采用LCD屏幕显示，使结果更直观。经测试本仪器达到了工作稳定、测试准确、精度较高、操作简单的设计目标，适用于低成本情况下对简单电路的检测。
参考文献
[1]娄建安，冯卫，谭玉生. 数字频率特性测试仪在教学中的典型应用[J]. 华北航天工业学院学报，2006.
[2]李裕. 基于零中频正交解调频率特性测试仪的设计与实现[D]. 武汉：华中师范大学，2015.
[3]童诗白. 模拟电子技术基础[M].5版. 北京：高等教育出版社，2015.
[4]陈松，荣军.一种简易数字控制频率特性测试仪的设计[J].电子器件，2015，38（4）：868-875.
作者简介：
游依婷（1999—），女，汉族，四川成都人，学生，单位：西南石油大学电气信息学院电子信息工程专业，研究方向：嵌入式控制和信号处理。
关键词：STM32F407单片机;DDS信号发生器;自制PCB检测电路;电阻分压法
在电路设计过程中，电路检测仪是必不可少的，它不仅可以测量电路的各项参数，还可以检测电路的故障。但其中适用于学生的、低成本的，且是针对BJT、FET和运放的电路特性测试仪还是比较少的。本设计则在满足上述条件的同时，又保证了低成本——选用NE5532、LMD358和AD620等低成本芯片，还通过优化电路使得测量的结果达到较高的精度，且同时兼备操作方便、检测结果直观明了的优点。
一、检测仪的硬件组成及原理
检测仪主要由控制部分和外围电路两部分组成。控制部分的核心是STM32F407控制板，外围电路由DDS函数信号发生器、输入检测电路、输出检测电路和输出显示屏组成。外围电路的主要功能是得到输入、输出电阻和增益的数据信息并传给控制中心，控制部分的主要功能是收集和处理信息得到具体数据值，分析被测电路的变化和故障，最后将数据和分析结果显示在LCD屏上。
（一）硬件电路的第一部分为输入测试电路。输入测试电路由一个可变电阻Rg和测量电路并联组成。采用电阻分压法，将测试电路与待测电路串联后，测试电路可得Rg两端电压，通过AD620进行差分放大，增益为G=49.4/KΩ/Rg+1，再将放大后的信号通过峰值检测电路转换成直流输出，可得到所需电压Vg。令输入为Vs，被测电路实际输入为Vi，测量电路分压为Vg，输入电阻具体计算公式如下：Ri = Rg（Vs/Vg - 1）。
（二）硬件电路的第二部分为输出测试电路。输出测试电路由直流测量和交流测量两大回路组成。直流测量端可得到无负载下的输出电压，先通过电压跟随器保证输入电压和输出电压是相同的，再经过4级RC无源滤波滤除，有效滤除交流分量，最后经过5倍的衰减得到Vdc，Vdc=Vpp/5（Vpp是待测电路的输出电压直流分量）。交流测量端可得到有负载下的输出电压，先经过电压跟随器，再通过交直流转换电路得到Vac，Vac=Vpp/2。根据电路原理相关公式可求得两种情况下的Re，由输出电阻和负载是并联的可求得Ro，由已知条件也可求得电压增益Vo。
二、硬件设计的的元件选择
信号源選择以AD9854为核心的DDS信号发生器，精度高、功耗低，可产生1kHz的正弦波和方波。输入、输出测试电路中，采用NE5532和LM358D作为电压跟随器的核心，使用以AD620为核心的差分放大电路G=49.4/KΩ/Rg+1和LM358D的放大电路进行信号的放大，使用无源滤波滤除交流分量，成本低且简单。选用的各类元件成本低且使用方便。
三、软件设计
本测试仪的程序设计是结合实际测试电路来配置程序的底层，各个模块间的数据是相互调用的，具体流程为——STM32通过多次逼进采集正弦信号峰峰值，计算平均值获得所需电压值，再经过相关计算获得输入阻抗、输出阻抗和放大倍数，之后通过产生正弦扫频信号，获取不同频率下的放大倍率，由此确定放大电路的上限截止频率并绘制幅频特性曲线，最后将数据结果传给LCD程序进行显示。
四、测试与结果分析
（一）利用自制的简易电路特性测试仪对BJT、FET和运放放大电路参数进行测试并检验对故障状态的监测效果，本文将展示对单管BJT放大电路的测试结果，另两类电路的测试步骤结果与此相似，不再进行说明。测试所使用到的仪器有——GPD-33030型号的稳压电源、DS1102CA型号的示波器、DG1022U型号的函数信号发生器和VC890D型号的万用表。
（二）测试的说明如下：测试的输入信号为1kHz，输入阻抗理论值为2000Ω，输出阻抗理论值为2000Ω，理论增益值为160dB，该信号的理论上限频率为161kHz。表1的测试结果可说明——本设计可有效测出输入、输出阻抗、电路增益。虽然电子元器件、人为测试造成了一定的误差，但此误差在可接受范围内。
五、结论
本测试仪以STM32F407嵌入式处理器为核心，搭配自制的电压跟随器、放大电路和峰值检测电路，实现了对输入、输出电阻、增益和截止频率的测量和对故障的分析检测，可采用LCD屏幕显示，使结果更直观。经测试本仪器达到了工作稳定、测试准确、精度较高、操作简单的设计目标，适用于低成本情况下对简单电路的检测。
参考文献
[1]娄建安，冯卫，谭玉生. 数字频率特性测试仪在教学中的典型应用[J]. 华北航天工业学院学报，2006.
[2]李裕. 基于零中频正交解调频率特性测试仪的设计与实现[D]. 武汉：华中师范大学，2015.
[3]童诗白. 模拟电子技术基础[M].5版. 北京：高等教育出版社，2015.
[4]陈松，荣军.一种简易数字控制频率特性测试仪的设计[J].电子器件，2015，38（4）：868-875.
作者简介：
游依婷（1999—），女，汉族，四川成都人，学生，单位：西南石油大学电气信息学院电子信息工程专业，研究方向：嵌入式控制和信号处理。