简单电路特性测试仪
摘 要：本测试仪以低功耗STM32F407单片机为核心控制器件，利用DDS芯片AD9850和电阻分压电路产生1kHz 30mV正弦信号输入到待测电路,通过采集输入电压Ui和流过输入电阻上电流Ii，算出输入电阻Ri；采集开路电压Uopen和带载电压U1并结合流过负载电阻上的电流Io，算出输出电阻Ro；结合待测电路的工作特性来分析和判断待测电路的故障原因。
实测结果表明，该测试仪能正常输出1KH的正弦波，测得输入电阻为3.2K ohm，输出电阻为1.96K ohm,在输入1KHz正弦信号下，增益为20.3dB，扫描频率可清晰显示该放大电路的幅频特性曲线且测得上限频率为65KHz；改变放大器的参数，该测试仪能准确判断并分析故障原因。该测试仪基本满足基础部分要求和发挥部分要求。
关键字：AD9850；STM32F407；电路特性测试仪；GUI
一、方案设计与论证
1、控制方案选择
方案一：单片机+FPGA方式。该方案利用FPGA输出1KHz正弦波信号，利用单片机控制信号源以及控制FPGA,即由单片机对输出信号进行采集、处理、计算、显示和人机交互接面等顶层功能，由FPGA完成1KHz正弦波信号输出。
方案二：采用基于ARM Cortex™-M4内核的STM32F407系列单片机。该单片机有着高主频，内部集成FPU有很强的计算能力。能够处理复杂计算和控制。
考虑其可行性、单片机所用的利用资源后，采用方案二作为本次设计方案。
2、正弦波信号生成方案选择
方案一：利用STM32单片机的DAC产生正弦波。STM32F407的DAC模块配置为12位模式，与DMA控制器配合使用。但是需要频率变化，通过单片机产生正弦波高频段其精度不够且占资源。
方案二：利用SPWM逆变器，输出正弦波，虽然频率和频率波形可控制，但硬件电路较为复杂需要额外的程序才能实现。
方案三：利用ADI公司应用的最广泛的DDS芯片AD9850制作正弦波发生器，此模块可以输出高稳定性的正弦波且频率范围可达40MHz，幅度范围为80mV~2V。另外此芯片采用专用的稳压基准芯片。供电更加稳定。
综上所述，采用第三种方案作为本次设计方案。
3、总体方案设计
系统总体框图如图1所示。本系统采用双核处理，采用基于ARM内核的STM32F103单片机软件控制DDS模块AD9850产生频率为1KHz幅值为1.0V的正弦波信号，通过电阻分压到50mv输入放大电路 。LM358对输入小信号进行放大并让单片机采样。通过测量内阻前后的电压，根据 计算出输入电路的电流，根据输入电压测量被测电路的电压计算出。采用STM32F4单片机采样电路各个模块的电压，进行内部FFT，计算出各个器件的电阻、电压值。 
二、理论分析计算与故障分析
1、理论输入电阻与输出电阻的计算
被测电路如图2 所示单极共射放大电路，三极管三个极电压和电流决定。 
根据共设放大电路的交流小信号等效模型，可知
输入电阻为 Ri=R1//R2//rbe
输出电阻为 R0=R3
通过测量后得到输入电阻Ri=3K，输出电阻为2K。
2、输入电压对三极管工作状态的影响
(1)、由仿真可知，当三极管输入电压低于20mv，大于80mv时，电路发生失真，三极管输入电压应为20~80mv。
(2)、输入电压为30mv时，幅频特性曲线如图2.2所示，下限截止频率为77Hz,上限截止频率为110 Khz。
2、故障分析
故障1、 R1开路，三极管工作于截止区，此时输出直流电压为电源电压12V，当R1短路时，输入电阻减小。
故障2、 R2开路，三极管工作在饱和区，此时三极管导通压降较小，输出接近电源电压12V,当R2短路时，输入电阻减小。
故障3、当R3开路，三极管工作在饱和区，输出电压为零，输出电阻较大，当R3短路时，三极管工作在放大区，输出电压接近电源电压，输出电阻较小。
故障4、当R4开路时，三极管工作在截止区，输出电压为电源电压，输出电阻趋近无穷大，当R4短路时，输入电阻变小，输出电压为0。
故障5、当C1开路时，输入为零，输出交流信号为0，当C1为原来两倍，下限截止频率减小。
故障6、当C2开路，输出增益减小，输出电压减小，当C2为原来的两倍时，输出增益增大，输出电压增大。
故障7、当C3开路，上限截止频率增大，当C3为原来的两倍时，上限截止频率减小。
三、电路与程序
1、总体电路设计
2、实际输入电阻的计算与测量
2.1、DDS分压1kHz正弦波电路设计
为了保证放大电路输出波形不失真，需保证电路特性测试仪输出的1kHz正弦信号的幅值为10mv-30mv之间，但DDS模块最小输出的幅值为80mv。故需要将DDS模块将行电阻分压，使幅值降到放大电路输出波形不失真的临界情况。分压电阻的电路如图3.2.1所示，其中： 
2.2.DDS分压1kHz正弦波电路设计
本设计需要测量输入电压，DDS模块输入的电压峰值为30mv，为使其能更好的被主控部分采集处理，需要通过一个同相比例放大器将输入电压放大至单片机可以采集的电压。放大器采用LM358双运算放大器，放大倍数 β=1+R2/R1。
3、输出电阻测量电路
输出电阻的测量同输入电阻的测量方法基本原理相同,需要测量电路的输出电压，当输出不接负载时三极管放大电路的输出电压为Uo,当接入负载时输出电压U1，由于输出电阻为高阻抗，输出电流非常小，故需要对输出电路进行电阻分压和电压跟随。且分压电阻需要设计为非常大，原因是电阻大电流就会非常小，那么相当于断路，故在进行电压采样时就不会对放大器前级电路产生影响或者说产生的影响非常小。在电压采样的后面在加上一个相当于电压表内阻的理论计算电阻Rs和一个开关管，通过控制开关管的通断使输出电路处于开路与断路状态，就可以通过计算开路与断路状态下的电压车和计算电阻Rs，计算出输出电流，从而计算三极管放大电路的出输出电阻。开关管选用N沟道功率MOSFET管IRF7843，它具有开关速度快、导通电阻小、栅极电容小和无二次击穿等显著特点。可以满足开关管要求。如图7所示： 
4、程序框图
程序的系统框图如图8所示：系统初始化后，开始采集各路电压，并进行分析然后自动测量，通过扫频绘制幅频特性曲线，最终在显示屏上显示。
四、测试结果与分析
1测试仪器
2测试结果及分析
4.1、输入电阻测试
通过测试输入电阻满足题目要求误差精度，达到要求。
4.2、输出电阻测试
通过测试输出电阻满足题目要求误差精度，达到了要求。
4.3、幅频特性测试
通过测试测得上限截止频率为65Khz，用示波器测得上限截止频率为66.7Khz，误差小于25%，并显示在屏幕上，完成了题目要求,则是幅频特性曲线如图9所示。
4.4、故障分析测试
通过将被测电路中的电阻开路和短路，电容开路，增大电容倍数，测试仪能全自动的检测出故障并显示出原因，完成了发挥部分的题目，达到了题目的要求。测试数据表如表9所示：
