校赛 差分放大电路测试仪-2021年立创EDA高校选拔赛仪表选题

2021.5.13-2021.5.31 工训中心举办了电子设计竞赛校赛，一共出了四道题：

• 差分放大电路测试仪
• 模拟电磁曲射炮（2019电赛H题）
• 一种FM转AM装置的设计
• 单相正弦波变频电源

因为控制题基本没怎么做过，最后在电源和仪表里面选择了仪表题

任务要求

解题过程

主控芯片毫不犹豫选择了STM32F103RCT6，这款芯片的最小系统板手上有三四块，用的也最习惯。

题目要求测的差分放大电路很容易搭建，很快就做好，测了一部分数据，大致了解了一下。然后我就开始写程序和准备报告的框架，我的队友做硬件。

首先是要解决差分信号源的问题，要输出两路差分信号还要保持足够的精度，那肯定是用DDS模块出信号。手里有的AD9851虽然有两路互补信号，但没法调幅度，本来打算通过分别控制四个继电器搞出10个档，后来嫌麻烦还是用了那种绿色的可调幅度的AD9833模块。那就必须接一路1倍增益的反相放大器以便于生成两条相反的正弦波形。

但是这样只是生成了差模信号，还需要叠加共模信号。和队员商量之后定下的方案是用DAC生成要加上去的共模信号，然后根据基尔霍夫定律做个电路全部叠加。（不知道为什么DAC产生的直流小信号很杂，所以前面加了滤波器）叠加完的信号过电压跟随器，以提高带负载能力。

然后就是输入电阻的测量，测量电路没什么好说的，和之前练习“简易电路特性测试仪”（2019电赛D题）的时候用的是一个方案。

测量差分放大电路的输入电阻，需在一路信号线上加采样电阻，将电流信号转变为电压信号，经放大后便于单片机AD采样。采样电阻选取要合适，阻值太大，过电阻后的电压太小，不便于测量且可能导致三极管不能正常工作，阻值太小，流入差分放大电路的电流太大，影响三极管工作。该电路中采样电阻选用5.1kΩ，便于测量且差分放大电路工作正常。为保证两路信号对称，在另一路信号上也加同样的采样电阻，但不测量其前后电压。U1和U2的测量通过继电器切换，由单片机控制，测量输出时继电器将采样电阻短路。因差模信号频率较高，为达到较好的放大效果，采用两级10倍放大，选用增益带宽积为8MHz的OP27作为运放芯片。为防止继电器噪声干扰，信号先经过滤波再进入放大电路，放大完成再经过滤波和跟随器（电路如图2-2-1），输出平滑且幅度较大的正弦波，最终Ri=U2R/U1-U2。

我们测量幅度的时候在输出端后面都接了峰值检测电路。每个峰值检测电路用到两个AD817，这个已经被我们做成模块说不定八月国赛还用得到。（感觉还是重新做的几率更大呢）同一个实验室另一组写程序的女生直接测量的整段波形，电路很简洁。

数据处理主要包括粗大误差剔除、均值滤波。粗大误差选用适合处理少量数据（数据个数 3 ≤ n ≤ 25）的狄克逊准则，将AD快速采样到的5个数据进行粗大误差剔除再进行均值运算，该方式显著提高测量精度，避免了噪声对结果的影响。

不知道为什么接了峰值检测以后信号输入端的信号尖端会时不时产生毛刺，最后验收的时候信号上的毛刺还是没有消掉，不过万幸没有影响测试的结果。

显示部分用了两个0.96寸的OLED，一个显示的DDS的实时设置信息，一个用来看任务执行的结果。你问我为啥用两个？反正空的口子多，就用了呗。（笑）

实物图