张以凝 马馨童

摘要：随着电子行业的不断发展，电子元器件的使用规模以及元器件损坏的数量也日益增长，本次设计意在设计一个电路特性测试仪。可以根据用户所写程序，通过输出信号的变化，判断元器件是否损坏以及分析故障原因。本设计以STM32单片机为核心，辅助以FPGA等实现信号的频谱分析。系统主要由：本机振荡器模块，混频器模块，信号采集模块，频谱显示模块，辅助电源模块等模块组成。

关键词：STM32;FPGA;混频;数字波形合成;信号采集

简易电路特性测试仪

本系统主要由振荡器模块，混频模块，信号采集模块，频谱显示模块，输入端电路模块，输出端电路模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

采用stm32单片机内部电路产生高频的方波信号和低频的正弦波信号。信号产生简单，噪声干扰小，适合于本系统。

采用AD835乘法器专用芯片。将本振信号和输入信号相乘得到二者频率的和差信号，达到混频的效果。AD835对小信号的乘法精度较高，不易产生新的频率分量，混频带宽大，噪声系数低，传输函数简单，外围元件少。

采用AM非相干检波电路。检波器由二极管和RC电路组成，二极管两端的电压高低变化，可对电容充放电。该电路结构简单，选取适当的C，R即可构成需要的检波电路。

频幅特性曲线与故障原因由OLED模块显示，由四路AD采集电路采集输入输出信号，经过运算，可以显示出输入输出电阻阻值、放大器电路增益和频率上限，并绘制出频幅特性曲线。并可判断出故障情况以及故障原因。

本题的放大器电路是以三极管VTI9013为放大器的共射极放大电路。

2.1.1 基本参数测量

（1）输入电阻测量

测量输入电阻时，放大器内部电路可以等效于在输入端接一个输入电阻Rin到地，因此在放大器电路的输入端串联一个10K左右的电阻Rs，向Rs输入一个低频正弦小信号，采集输入端的电压信号，根据串联电路上电流相等的原理，可以算出输入电阻Rin。

（2）输出电阻测量

放大器电路可以等效于一个放大后的交流源加一个电阻连接输出端，因此测量输出电阻时，在输出端串联一个2K左右的电阻并接地，利用二极管和RC电路，采集输出端口的交流电压信号的均值和峰值，从而算出输出电阻阻值。

（3）增益测量

采集得到输入电压信号、输出电压均值和峰值，把输出电压峰值与均值，再将得数倍增，得到输出电压峰峰值，再与输入电压的峰峰值相除，即可得到电路增益Q。

（4）幅频特性的测量与显示

在测输出侧的幅频特性曲线时，需要测输出的频率上限值，测输出电压的频率响应幅度响应下降3dB时对应的频率，测量频率从1kHz增大，控制正弦波和方波作为输入信号，不断采集电路增益，并连续显示并绘制，即可得到幅频特性曲线。

2.1.2 故障测量

（1）电阻故障分析

若将R1开路，则三极管发射级两端的开启电压将全部由输入信号提供，难以开启三极管，所以输出电压波形失真，且集电极电流很小。若将R1短路，则无法使集电极反偏，三极管无法正常工作在放大状态，使输出为0。

若将R2开路，则三极管的基极点位降低，使得输出电压波形出现底部失真，输出交流电流放大。若将R2短路，则输入信号直接去地，输出端交流信号为0。

若将R3开路，则三极管的集电极正偏，三极管起到开关作用，电路增益减小，输出信号减小。若将R3短路，则信号采集模块与VCC直接相连，输出直流电压为12V，在动态分析中，输出交流电压为0，但三极管仍处于放大状态，所以输出电流正常放大。

若将R4开路，则直流电流难以通过发射极流向地，三极管的发射极未导通，输出交流电压很小且波形失真，输出交流电流也很小。若将R4短路，R2上分得的电压全部加在三极管的发射极两端，则共射放大电路的带负载能力减弱，输出交流电压出现底部失真;因为R4被短路，所以发射级电流很小，信号不能正常放大。

（2）电容开路故障分析

若将C1开路，则放大器电路输入端无信号输入，因此输出信号为0。

若将C2开路，则三极管的发射级电阻缺少旁路电容，放大后的交流电流会通过射极电阻到地，使得放大后的交流电流减小，使得放大倍数减小。

若将C3开路，则放大器电路的输出端缺少去耦电容，使得输出端放大倍数降低，也使输出信号中噪声分量增大，放大器电路的输出信噪比降低。

（3）电容倍增故障分析

若将电容C1的容量增大两倍，则滤除低频信号中高频噪声分量的能力降低，输入噪声增大，经过放大电路后输出噪声干扰增大，使放大器电路的输入输出信噪比降低。

若将电容C2的容量增大两倍，则电路放大倍数增加，但当输入信号频率较大时，旁路电容C2对高频信号的感抗增加，因而影响到高频滤波效果。

若将电容C3的容量增大两倍，则当输入信号频率较大时，去耦电容C3对放大器输出的高频信号的滤波影响增大，使得输出信号的幅值减小。

2.2.1 根据串联电路电流相等的原理，可得输入电阻 ：

2.2.2 在低频信号输入条件下，输出电阻Ro可得：

2.2.3 在低频信号输入条件下，输入电压峰峰值为Ui-p，输出交流电压最大值为Uo-max，输出直流电压为Uo-av，电路增益Q的计算：

系统总体框图如图1所示，主要包括辅助电源模块、放大器电路模块、stm32单片机，输入端电路模块、输出端电路模块和显示模块六个部分。本系统可实现自动检测放大器电路中电阻电容的工作状况，以及显示出电路的频谱特性。

系统总电路图如下：

主程序首先进行各项功能的初始化，包括STM32系统时钟配置、ADC及DMA配置、定时器（PWM控制器、PID调节器中断）初始化等。通過按键控制继电器，切换输入信号，再对输入端和输出端共四路的AD信号采集并运算，并从OLED屏幕中显示，从而可直观的得到需要的误差分析的数据与误差原因判断的结果。

测试方案

在放大器电路输入端，给若干合适的信号，观测输出端的电压电流波形与参数。

输入端电路模块测试：先在测试电路输入端连接降压电路和继电器模块，输入合适的信号，测试继电器模块功能，观测降压输出信号，以及放大器电路输出信号是否正常。再接上继电器的控制电路和两路输入信号电路，测试不同放大器电路输出是否正常。

输出端电路模块测试：先在放大器的输出端接上测试电阻以及降压电路，观测降压输出是否正常。再接上电压峰值和电压均值采集电路，观察采集波形数据是否正常。

参考文献：

[1]谭浩强.C语言程序设计[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2]清华大学电子学教研室阎石主.数字电子技术基础，（第三版）[M].1989.