1.設(shè)計(jì)內(nèi)容中文摘要

     設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電路特性的測試，其中包含測量功能和故障檢測功能。設(shè)計(jì)中以STM32單片機(jī)為主控，首先對被測信號(hào)電路中輸入輸出阻抗、增益、幅頻特性等參數(shù)測量進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，根據(jù)Ui、U0、Uo’ 的有效值測量，通過主控AD采樣并進(jìn)行算法處理，最終顯示輸入輸出阻抗、增益、幅頻特性結(jié)果，且在故障檢測功能中顯示電路中的故障。

2.設(shè)計(jì)方案工作原理

2.1預(yù)期實(shí)現(xiàn)

目標(biāo)定位以STM32單片機(jī)為控制和數(shù)據(jù)處理核心，利用小信號(hào)放大電路、有效值檢測電路等模塊制作的簡易電路特性測試儀，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)測量和故障檢測功能。

2.2技術(shù)方案分析比較

（1）信號(hào)源模塊方案一：直接數(shù)字合成法（DDS）.該方案采用DDS芯片AD9854不僅可以產(chǎn)生不同頻率的穩(wěn)定的正弦波，還可以控制幅值大小，頻率分辨率高，易于控制，電路簡單易行。方案二：利用鎖相環(huán)（PLL）進(jìn)行間接頻率合成。壓控振蕩器可以通過控制電壓產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩頻率，用鎖相環(huán)將壓控放大器輸出的頻率鎖定在所需頻率上。PLL保證輸出頻率的穩(wěn)定度和精度，但調(diào)試難度大。綜合考慮，采用方案一實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)發(fā)生器，處理方便，穩(wěn)定性好。

（2）輸入和輸出電阻測量模塊的設(shè)計(jì)輸入電阻和輸出電阻模塊根據(jù)測量理論分析得知，其檢測需包括一個(gè)小信號(hào)電路放大模塊和有效值檢測模塊①小信號(hào)電路放大主要實(shí)現(xiàn)對信號(hào)源進(jìn)行放大，由于輸入信號(hào)較小，不宜測量，因此放大后能夠得到準(zhǔn)確的測量值，為此設(shè)計(jì)出如下以滿足要求。方案一：采用OPA350高速單電源軌道運(yùn)算放大器，擁有低噪音，低總諧波失真，噪聲，單位增益穩(wěn)定等特點(diǎn)，但是由于衰減過快，導(dǎo)致理想增益很難實(shí)現(xiàn)，從而影響精度。方案二：采用OPA365芯片，其是一種低噪聲的小信號(hào)放大模型。提供精確的增益，在溫度和電源電壓變化時(shí)有很高的穩(wěn)定性，且在題目要求下不會(huì)衰減，完全可以滿足本方案的要求。綜合考慮，選擇方案二，可以達(dá)到題目要求的小信號(hào)放大。②根據(jù)測量理論分析得知，輸入輸出電阻和增益的測量，其本質(zhì)即為Ui、U0、Uo’ 的有效值測量，因而選用合適的有效值檢測電路來實(shí)現(xiàn)功能，制定如下方案：方案一：采用OPA820芯片，低噪音高速放大器，增益帶寬積廣，理論仿真滿足題目要求，但是實(shí)際操作使用芯片過多，實(shí)際測量中經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤，并且成本也有些昂貴。方案二：采用LF353芯片,高輸入阻抗，較高的帶寬增益，經(jīng)典電器元件，但實(shí)際連接電路過于復(fù)雜，極其容易自激。方案三：使用AD637模塊構(gòu)成的有效值測量電路。AD637是一個(gè)完整的，高精度單片RMS-to-DC轉(zhuǎn)換器?？梢杂?jì)算各種復(fù)雜波形的真有效值。使用簡單，調(diào)整方便，穩(wěn)定時(shí)間短，讀數(shù)準(zhǔn)確。而且成本低，穩(wěn)定性高。綜合考慮，選擇方案三，可以達(dá)到有效值準(zhǔn)確檢測的效果。

（3）幅頻特性測量模塊的設(shè)計(jì)方案一：點(diǎn)頻法。由單片機(jī)控制DDS產(chǎn)生一個(gè)掃頻信號(hào)，同時(shí)由單片機(jī)控制AD在頻率發(fā)生改變進(jìn)行對輸入輸出電壓進(jìn)行采樣，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到對應(yīng)頻率下的增益，當(dāng)增益為-3dB時(shí)，對應(yīng)的頻率即為上限頻率。方案二：掃頻法。頻率源的輸出進(jìn)行連續(xù)掃描，測出各頻率點(diǎn)上的頻率特性并顯示曲線。綜合考慮，選擇方案二，可以達(dá)到幅頻特性輸出的要求。

2.3系統(tǒng)原理分析及整體方案

（1）測量原理分析①輸入電阻檢測方案信號(hào)發(fā)生模塊DDS能穩(wěn)定輸出幅值確定的正弦波，設(shè)DDS輸出電壓為US,經(jīng)過分壓電阻RS后，信號(hào)輸入被測電路，此時(shí)輸入被測電路的電壓為Ui，通過AD637可以測得，因此通過公式：                                

可計(jì)算出輸入電阻Ri。

②輸出電阻檢測方案使用伏安法原理，測量開路時(shí)輸出電壓Uo和接上負(fù)載RL后的輸出電壓Uo’,通過公式：

可以測得輸出電阻Ro。

③增益的測量通過之前測量Uo和Ui，即可計(jì)算出增益。

④幅頻特性測試方法由DDS輸出一個(gè)頻率自動(dòng)變化幅值不變的正弦信號(hào)，頻率每改變一次，AD去采樣Uo與Ui一次，然后計(jì)算GAIN=20 x lg(Uo/Ui)；起始時(shí)，頻率步進(jìn)大一點(diǎn)進(jìn)行粗略的掃頻，（頻率每改變一次，將計(jì)算得到的增益與相應(yīng)的頻率存入數(shù)組，）當(dāng)增益在-3dB附近時(shí)，調(diào)小步進(jìn)，進(jìn)行細(xì)致掃頻，（頻率每改變一次，將計(jì)算得到的增益與相應(yīng)的頻率存入數(shù)組），當(dāng)計(jì)算的增益為-3dB時(shí)，對應(yīng)的頻率即為上限頻率。

⑤故障分析電路的設(shè)計(jì)通過對電路的多次采樣，當(dāng)被測電路的電阻或電容改變時(shí)，采樣的數(shù)據(jù)也會(huì)隨之變化，通過主控中的算法設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同的變化判斷電路發(fā)生的故障，具體流程詳見軟件部分。

（2）系統(tǒng)整體方案根據(jù)題目的要求充分考慮各種因素，制定了整體設(shè)計(jì)方案：以凌智單片機(jī)STM32f103為核心，完成各個(gè)方面的功能：采用DDS專用芯片AD9854產(chǎn)生正弦波；小信號(hào)固定增益放大器OPA365增大幅值；基于AD637的有效值檢測電路來檢測有效值；單片機(jī)控制A/D采樣模塊，采樣并經(jīng)過算法處理后顯示數(shù)據(jù)。整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。 

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3.核心部件電路設(shè)計(jì)

3.1信號(hào)產(chǎn)生模塊 DDS是一種把一系列數(shù)字形式的信號(hào)通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號(hào)合成技術(shù)，即利用高速存儲(chǔ)器做查詢表，通過高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生已經(jīng)用數(shù)字形式存入的正弦波。AD9854可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波，輸出幅度為0.5V。AD9854的DDS核具有48位的頻率分辨率（在300M系統(tǒng)時(shí)鐘下，頻率分辨率可達(dá)1uHZ）。

3.2信號(hào)源處理模塊 以DDS作為前級輸入的信號(hào)處理部分硬件電路，需要對信號(hào)進(jìn)行一定的放大或縮小。為了方便進(jìn)行有效值檢測以及AD采樣，配合固定增益為-10的OPA365電路模塊，可以實(shí)現(xiàn)小信號(hào)的放大以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。電路原理圖如圖2所示。

圖2 OPA365小信號(hào)放大模塊

3.3有效值檢測模塊

AD637是一個(gè)高精度單片真有效值轉(zhuǎn)換器，可以計(jì)算各種復(fù)雜波形的真有效值。使用簡單，調(diào)整方便，穩(wěn)定時(shí)間短，讀數(shù)準(zhǔn)確。實(shí)際應(yīng)用中唯一的外部調(diào)整元件為平均電容Cav，它影響到輸出穩(wěn)定時(shí)間、低頻測量精度、輸出波紋大小。其電路原理圖如圖3所示。

圖3 AD637有效值檢測電路模塊     

                             

圖4 繼電器工作原理圖

3.5 A/D采樣模塊

使用STM32f103自帶的12位精度16位通道的A/D采樣模塊，通過單片機(jī)控制，無需外接AD采樣芯片，不會(huì)增加電路出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，且精度高，采集電壓范圍廣，可編程數(shù)據(jù)率高。3.6繼電器部分采用HK19F繼電器，連接8050三極管，并聯(lián)1N4007二極管。繼電器有兩組轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)形狀，高靈敏度線圈功耗僅為0.15W，其電路圖如圖4所示。 通過繼電器控制負(fù)載是否接入電路，測量輸出信號(hào)的有效值Uo和Uo’以測量所需要和R0，測量框圖如圖5所示。

圖5 繼電器測量流程圖

3.7電路實(shí)現(xiàn)調(diào)試測試

表1 不同Ui輸入數(shù)據(jù)測量表

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析

4.1系統(tǒng)總體工作流程

圖6 系統(tǒng)總流程圖     

                

圖7測量功能流程圖                 

圖8故障檢測功能流程圖

系統(tǒng)總流程如圖6所示，由圖可知系統(tǒng)功能主要分為測量和故障檢測功能兩個(gè)部分，分別如圖7和圖8所示。

圖9 故障判斷流程圖

4.2主要模塊程序設(shè)計(jì)

      本系統(tǒng)中用STM32進(jìn)行控制，主要實(shí)現(xiàn)電路特性參數(shù)的測試和故障檢測。通過對AD9854的控制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出給待測電路作為Ui，通過AD采樣獲取Ui、Uo、Uo’，并通過計(jì)算得到Ri、Ro和Au，在顯示屏上設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面，顯示測量結(jié)果；在幅頻特性測試中，通過單片機(jī)控制DDS的輸出頻率在帶寬內(nèi)變化，并根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算得到與頻率相對應(yīng)的增益值，從數(shù)組中取出最大增益值，并和數(shù)組中的增益值進(jìn)行比對，從而得到其上下限截止頻率的值，同時(shí)在屏幕上顯示出幅頻特性，顯示出上下限截止頻率；在進(jìn)行故障檢測時(shí)，采樣數(shù)據(jù)會(huì)與之前的采樣數(shù)據(jù)做比對，從而分析出故障原因。故障的判斷主要分為電阻故障和電容故障兩個(gè)部分。通過Au，F(xiàn)H,FL,Ui，Uo等參數(shù)的變化進(jìn)行判斷。如圖9所示。

5.競賽工作環(huán)境條件

5.1設(shè)計(jì)分析軟件環(huán)境

（1）單片機(jī)開發(fā)環(huán)境：Windows 10，Keil uVision5

（2）筆記本電腦顯示開發(fā)環(huán)境：Windows 10

（3）模擬電路設(shè)計(jì)：Altium Designer9；Mutisim10

（4）其他：Matlab，Office.

5.2儀器設(shè)備硬件平臺(tái)

（1）萬用表（2）SIGLENT SPD3303S電源（3）NDY EE1635任意波/函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

（4）UNI-T UTD2102CM DIGITAL STORAGE OSCILLOSCOPE示波器

6.作品成效總結(jié)分析6.1電路特性測量由于在該電路實(shí)際儀器測量時(shí)，和理論值有時(shí)誤差較大，因此采用儀器測量值作為理論計(jì)算值。

（1）電路特性測量性能指標(biāo)（Ui有效值為10mV，頻率為1kHz）

表2 更改元件R1=50kΩ時(shí)參數(shù)測量

表4 更改元件更改元件R2=18kΩ時(shí)參數(shù)測量

表5 更改元件C2=56μF時(shí)參數(shù)測量

（2）故障判斷（由于篇幅限制，論文只顯示部分）

表6故障原因檢測表故障原因

7.附件材料

 

圖10硬件實(shí)物電路

           作為一個(gè)第一次參加電賽的小隊(duì)，比賽之路真的是很坎坷了，在比賽中，隊(duì)員之間一定要相互信任，很多問題無法提前預(yù)測。

             在比賽前我們只練了兩道題，很多步驟不是很熟練，我們想法是完備的，但是最后還是砍了波形顯示功能。

              比賽中我們的電路經(jīng)歷了兩次推翻，原因都是過于復(fù)雜，對芯片的使用不熟悉，導(dǎo)致無法發(fā)揮芯片應(yīng)有的功能，這個(gè)時(shí)候要從最基本的原理開始，整合之前的方法，把分散的功能集中起來，化簡電路的復(fù)雜程度，提高容錯(cuò)率，比賽中我們就暴露了隊(duì)員對芯片種類的知識(shí)儲(chǔ)備量不夠的問題，本來一個(gè)芯片可以完成的功能，要三個(gè)芯片才能解決，還提高了單片機(jī)程序的復(fù)雜程度，使工程量增加，為此我們耗費(fèi)了兩天時(shí)間簡化系統(tǒng)

不然最后真的沒有結(jié)果還浪費(fèi)了一個(gè)暑假。最后因?yàn)檫@個(gè)問題耽誤了很多時(shí)間，把自動(dòng)連續(xù)檢測和波形顯示功能砍了，要是把報(bào)告里的東西全做出來，還會(huì)有更高的成績，有興趣的小伙伴如果自己沒思路的話，可以自己動(dòng)手試試。