电赛真题-简易电路特性测试仪设计与总结

一、方案比较与选择

1.1 测量电路选择

1.1.1 整流滤波方案...................................................4

1.2 信号处理及显示方案选择...........................................4

1.2.1 单片机选型 ....................................................4

1.2.2 结果显示方案...................................................4

1.3 总体方案描述.....................................................5

二、电路与程序设计

2.1 信号源...........................................................6

2.2 输入测量.........................................................6

2.3 输出测量.........................................................7

2.4 程序设计.........................................................8

三、理论分析与计算

3.1 特性测量.........................................................9

3.2 故障诊断.........................................................9

3.2.1 电阻故障.......................................................9

3.2.2 电容故障.......................................................9

四、测试方案与测试结果

4.1 功能测试.........................................................10

4.1.1  测试条件......................................................10

4.1.2  部分测试结果..................................................10

4.2  测试结果分析....................................................11

五、误差分析

5.1 硬件误差分析.....................................................12

5.2软件误差分析.....................................................12

一、方案比较与选择

1.1测量电路选择

1.1.1整流滤波方案

方案一：运放全波整流，再通过RC滤波，将交流信号转换成直流信号进行测量。运放全波整流对运放性能要求较高，对频率高的信号测量误差较大。

方案二：采用ADI公司的AD637芯片进行全波整流，AD637是一片均方根直流转换器，使用简单，调整方便，稳定时间短，读数准确稳定。

方案一电路制作复杂、体积大，调试繁琐。方案二电路简单，调试方便，故选择方案二。

1.2信号处理及显示方案选择

1.2.1单片机选型

一：89C51 。将测量电路的输出信号接入ADC芯片，ADC芯片在将数据传给51单片 机处理，51单片机运行速度较慢，且需要额外接ADC芯片。

二：MSP430F149。MSP430自身带有ADC，且有低功耗模式，能使信号处理部分的功 耗显著降低，但运行速度也偏慢

三：STM32F103C8T6。使用自带的ADC进行测量，运行速度也跟得上要求，但是可 用的GPIO口较少

四：STM32F103ZET6。使用自带的ADC对测量电路的输出信号进行测量，运行速度也 能达到要求，可用GPIO口多

选型：综合考虑芯片是否自带ADC外设、芯片运行速度、可外接GPIO数量等因素， 选用STM32F103ZET6

1.2.2结果显示方案

一：0.96寸OLED显示屏。该显示屏厚度薄、重量轻、抗震性能更好、可视角度范 围大、功耗低、刷新速率高、最少只需要4根线便可控制显示，价格便宜，但是颜 色单一、分标率小、屏幕也小。

二：4.3寸TFTLCD显示屏。该显示屏屏幕大、分辨率、高亮度好、对比度高、层次 感强、颜色鲜艳，但是相对OLED屏幕，响应速度慢、功耗大、价格昂贵。

考虑到需要显示的参数较多，这里选择TFTLCD显示屏

1.3总体方案描述

信号源产生频率、幅值、相位可变正弦信号。输入测量电路包括采样电阻和信号处理电路，测量电阻两端信号幅值，计算得到待测放大器的输入电阻，结合输出测量，计算得到放大器增益。输出测量电路分为两路，一路测量输出信号的直流电压，一路通过滤波整流后测量交流电压，获取放大器输出幅值、计算增益等工作状态信息。 Ø

 

1-2 整体方案

二、电路与程序设计

2.1 信号源

DDS芯片输出恒定幅值、相位、频率可调的正弦信号，R11和R12为分压电阻，U5是一个电压跟随器，提高驱动能力，尽量降低信号源内阻。

 

2-1 信号源电路

2.2 输入测量

2-2-1图中虚线框内为被测放大器，在输入端加入一个采样电阻R（取值5.1K），令T1和T2处的电压分别为U1和U2，则电路输入电阻ri=U2R/（U1-U2）；

 

2-2-1 输入电阻测量原理

因为待测的U1 和U2 为幅值极小的交流信号，需用信号处理电路处理后，到单片机AD测量，用G6H-2继电器进行切换测量；信号处理电路包括放大电路（OP27运放2路放大，共20倍）和绝对值电路，绝对值电路是把交流信号转换为直流，便于单片机测量，绝对值电路采用AD637芯片。

2-2-2图中R12为采样电阻，k2为继电器，U1和U2为OP27构成的两路放大电路，AD1构成AD637均方根电路，单片机对ADC1进行测量。

 

2-2-2 输入测量电路

2.3 输出测量

图中虚线框内为被测放大器，在输出端加入开关S（采用继电器）和负载电阻R（取值1.5K）；令开关断开时电路输出电压为Uoff，开关合上时电路输出电压分别为Uon，则电路输出电阻ro=（Uoff-Uon）RL/Uon；

 

2-3-1 输出电阻测量原理

用继电器作负载通断切换；电路最大输出电压12V，超过单片机能承受的电压，因而需用分压电路（150K和50K）分压后，后面接设计跟随器和绝对值电路。ADC2为单片机的直流量测量点，ADC3为交流分量测量点。

2-3-2 输出测量电路

2.4程序设计

 

2-4-1程序框图

三、理论分析与计算

3.1 特性测量

据上诉所述，电路输入电阻为ri=U2R/（U1-U2），电路输出电阻为ro=（Uoff-Uon）RL/Uon；放大为增益Au=ADC3/（ADC1/20）。幅频特性曲线通过扫频画出。

3.2 故障诊断

3.2.1电阻故障

R2开路、R3开路、R1短路、R4短路通过输出信号的直流电压判断；当输出信号的直流电压为12v时，测量输入电阻，可判断R1开路、R4开路、R2短路、R3短路的情况；

3.2.2 电容故障

输出直流电压正常的情况下，C1开路和C2开路通过输入电阻判断，C1加倍通过输入低频信号时的输入电阻判断；C3开路、C2加倍、C3加倍通过上下限频率变化判断。

• 整体测试

4.1功能测试

4.1.1测试条件

学生电源电压：0~12V

4.1.2部分测试结果

 

4-1-2-1 幅频特性曲线

不同故障下电路的特性

4.2测试结果分析

经过测试，输入阻抗的误差测大阻值误差较小，最大误差为9%；输出阻抗的误差为7%。通过DDS扫频，单片机能画出完整的幅频特性曲线，并显示上限频率，误差小于3%。

• 误差分析

5.1硬件误差分析

两级运放放大倍数不确定：输入端测量的为幅值极小的交流信号，经过了OP27运放2路放大，理论值共20倍，由于电阻阻值具有误差，产生放大倍数的误差。所以对本模块的放大倍数进行了单独测量，实测为19.5倍。
继电器引入干扰：继电器线圈具有较强感性，关断时电感能量无法释放，产生反向高压电动势。易损坏控制电路，以及对系统产生干扰。将二极管与继电器并联，二极管放置方向与继电器中电流方向相反，以形成能量释放回路。并在AD637整流滤波前加上RC高通滤波过滤直流分量引起的测量误差。
电阻阻值具有误差：输入电阻和输出电阻均通过采样电阻进行计算，采样电阻并非绝对精准电阻，且测量过程中可能产生温漂等其他因素导致阻值有变化，产生测量结果误差。

5.2软件误差分析

A/D转换误差：受AD转换器精度及基准源稳定程度的限制，不可避免地带来一定的误差。为了更精确的输出电源电压，选用带分辨率更高ADC外设的芯片。

计算误差：由于单片机处理数据时必须舍去一些位数，从而导致计算增益等环节会出现误差。