2019年全国大学生电子设计竞赛D题简易电路特性测试仪.pdf-资料库

yechongbinbin-12414790-4744300845403430660.pdf-第1页.png

第1页 / 共11页

yechongbinbin-12414790-4744300845403430660.pdf-第2页.png

第2页 / 共11页

yechongbinbin-12414790-4744300845403430660.pdf-第3页.png

第3页 / 共11页

yechongbinbin-12414790-4744300845403430660.pdf-第4页.png

第4页 / 共11页

yechongbinbin-12414790-4744300845403430660.pdf-第5页.png

第5页 / 共11页

yechongbinbin-12414790-4744300845403430660.pdf-第6页.png

第6页 / 共11页

yechongbinbin-12414790-4744300845403430660.pdf-第7页.png

第7页 / 共11页

yechongbinbin-12414790-4744300845403430660.pdf-第8页.png

第8页 / 共11页

2019 年全国大学生电子设计竞赛简易电路特性测试仪（D 题） 2019 年 8 月 7 日

摘要本系统以 STM32 为核心控制芯片，通过单片机对信号产生模块、电子开关模块、AD 采样模块等控制，实现对放大器电路的相关电路特性的测量。信号产生模块利用 DDS 技术，选用成熟稳定的 DDS 模块 AD9851 产生信号波形，通过单片机技术采样和处理电路相关参数，且在被测放大器电路前后级进行阻抗隔离。系统可自动完成相应功能，并且在 oled 中显示结果。关键字： STM32；DDS 技术；单片机技术；阻抗隔离目录 1 系统方案..................................................................................................................................1 1.1 主要模块的论证与选择..............................................................................................1 1.2 系统组成及实现方法..................................................................................................2 2 系统分析与计算......................................................................................................................2 2.1 系统理论分析........................................................................... 错误！未定义书签。 2.2 误差分析......................................................................................................................5 3 电路与程序设计......................................................................................................................6 3.1 主要电路的设计...........................................................................................................6 3.2 程序的设计...................................................................................................................6 4 测试结果..................................................................................................................................7 4.1 测试条件与仪器..................................................................................................................7 4.2 测试结果及分析..................................................................................................................7 II

简易电路特性测试仪（D 题）【本科组】 1 系统方案由题意，使该电路测试仪能满足题目所要求的相应功能，结合题目的精度要求，本系统由信号产生模块、液晶显示模块、键盘输入模块、A/D 采集模块、辅助电源模块和单片机控制模块等组成。 1.1 主要模块的论证与选择 1. 信号产生模块方案一：采用正弦波振荡电路。使用振荡电路产生正弦波电路较简单，满足一定的参数条件即可起振，但缺点是很难稳定输出波形，另外输出正弦波形失真较大、频率有限。方案二：采用先进的 DDS 技术。利用 DDS 专用芯片产生信号，可根据需求对芯片编程控制设计出任意的信号波形，具有频率分辨率高、转换速度高、信号纯度高、输出波形无电流脉冲叠加等优势。在对题目进行仔细分析后，DDS 模块最高可产生 100MHz 的信号且实现容易，可满足题目要求的上限频率范围，提高可靠性，符合产品设计的思路。综合以上分析，选择方案二，使用成熟的 DDS 模块 AD9851。 2. A/D 采集模块方案一：采用 ADC 模块。使用成熟的 ADC 对放大电路的输出进行采样，具有高精度、高速率等优点，但是增添了外围电路，使电路设计复杂化且增加了成本。方案二：采用单片机内置的 AD 功能。利用单片机内置功能实现采样，具有实现简单、精度和速度较快、单片机资源利用率高和成本较低的优势。综合以上分析，选择方案二。 3. 辅助电源模块方案一：采用可调线性分压元件。利用线性分压的方法具有电路简单的优势，但是会造成资源浪费且所得的电压容易因为分压元件的热效应而不稳定。方案二：采用三端稳压器模块。通过三端稳压器对直流电源进行分压、滤波等调整，可获得所需稳定的电压。综合以上分析，选择方案二，使用 LM7805 模块。 4. 单片机控制模块本系统使用外围资源丰富的单片机 STM32F103 作为主控模块，基本可满足需要。 1

1.2 系统组成及实现方法本设计以单片机 STM32F103 为核心，通过对 DDS 模块、A/D 采集模块、继电器控制模块的控制产生和处理相关信号，利用键盘按键和 12864 液晶屏实现人机交互，总体框图如图 1 所示。连接好相关电源线，把测试仪的两个端口与放大电路接好后即可开始进行电路特性测试。键盘输入有三个按键分别对应功能：1.测量输入电阻 Ri、输出电阻 Ro、电压增益 Av、幅频特性曲线及上限频率 fh 2.检测故障 3.复位。按下测量按键后，在液晶屏将会依次循环显示目标参数；按下检测故障按键后，则会显示出放大器电路里的电路故障；按下复位键，初始化。图 1 系统框图 2 系统分析与计算 2.1 系统理论分析 1.对放大器电路分析（1）放大器静态分析图 2 直流等效电路假设选取的三极管 s9013 的β=100。当流过偏置电阻 R1 和 R2 的电流远大于晶体管 s9013 的基极电流 IB 时，则它的静态工作点可以用下式估算，Vcc 为供电电源，此为 12V。 2

Ub≈[R2/(R1+R2)]Vcc=3.1V IE =（Ub-Ube）/R4 ≈IC =2.4mA Uce =Vcc- IC* (R3+R4）=4.8V Uc=Vcc-IC*R3=7.2V rbe= 200+（1+100）*26/2.4 = 1.3KΩ （2）放大器动态分析图 3 交流等效电路电压增益： Av=uo/ui≈-β（R3/rbe）输入电阻： Ri = rbe//R1//R2 = 1.3K//11K=1.16KΩ 输出电阻： Ro≈R3=2KΩ 2.对电路测试仪的分析（1）输入电阻测量电路为了测量放大器的输入电阻，按图 4 电路在被测放大器的输入端与信号源之间串联一个已经电阻 R，在放大器正常工作的情况下，通过 AD 采样模块获得 UO1 和 UO2，由输入电阻的定义式可得图 4 输入电阻测量电路 Ri=Ui/Ii=Ui/（UR/R）=UiR/（US-Ui）由于工作点不变，因此两者的 Av 是相等的，可得 Ui = Uo1/|Av| US= Uo2/|Av| 由上面各式可得 Ri=Uo1R/(Uo2-Uo1) 注意：根据题意，输入电阻测量范围 1kΩ~50kΩ，因此电阻 R 的值不宜取得过大或过小，以免产生较大的测量误差，此处取 R 与 Ri 为同一数量级最佳，可令 R=10kΩ。 (2) 输出电阻测量电路图 5 输出电阻测量电路 3

为了测量放大器的输出电阻，在放大器正常工作的情况下，按图 5 测出输出端不接负载 RL 的输出电压 UO 和接入负载后输出电压 UL，根据分压公式可得 UL=RLUO/(RO+RL) 亦即 RO=(UO/UL-1)RL 注意：①测试时候必须保持 RL 接入前后输入信号的大小不变；②根据题意，输出电阻测量范围 500Ω~5kΩ，因此可取负载电阻 RL=2kΩ。 (3) 测量电压增益 Av 保持放大器的静态工作点和输入信号的情况下，通过 AD 采样模块获得 UO，则 Av=UO/Ui (4) 测量幅频特性曲线单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图 6 所示：图 6 幅频特性曲线通过测量不同频率信号相应的电压放大倍数 Av,通过描点法测出多组数据即可作出相应幅频特性曲线。注意：①在改变放大器输入信号频率时，要保持输入信号的幅度不变，且输出波形不能失真；②测量时要注意取点要恰当，在低频段和高频段要多测几点，在中频可以少测。 (5) 故障分析图 7 幅频特性曲线测量框图图 8 故障分析框图参数变化三极管状态判断说明 R1 断截止 UO 的直流电压为 12V 左右，且逐渐增大 DDS 模块输出的 4

R1 短 R2 断饱和近饱和 R2 短截止 1Khz 的幅度大于三极管 Vth 以后，会有脉动信号的产生 Uo 的直流电位等于 12V-0.7V = 11.3V(继电器 4 接通 1K 的负载时） Vce = 0.3V；所以 Uo 的直流电位等于 R3 和 R4 的分压，所以约等于直流的 Uo = 4V+0.3V= 4.3V 左右 Uo= 12V；此时通入交流 1Khz 大于 1Vpp 的信号也会输出交流信号为 0；此时，让继电器 1-3 在电路测试仪的输出端并联接入纯阻性负载 10K，如果 Ui 的大小仍然为 0，则表明 R2 短路 R3 断饱和 Uo 的直流电位等于 0V R3 短放大 R4 断截止 R4 短 C1 断 C2 断 C3 断 C1 增大 C2 增大 C3 增大饱和放大放大放大放大放大放大 Uo 的直流电位等于 12V，此时通入交流 1Khz 大于 1Vpp 的信号时输出交流信号为 0；此时，让继电器 1-3 在电路测试仪的输出端并联接入纯阻性负载 10K，Ui 的大小不为 0，且有一定幅值，则表明正常 R2 正常。接着，让继电器 2-3 在电路测试仪的输入并联接入纯阻性负载 2K，如果得到的 Uo 的直流电位仍为 12V，说明 R3 短路 Uo 的直流电位等于 12V，此时通入交流 1Khz 大于 1Vpp 的信号时输出的交流信号为 0；此时，让继电器 1-3 在电路测试仪的输出端并联接入纯阻性负载 10K，Ui 的大小不为 0，且有一定幅值，则表明正常 R2 正常。接着，让继电器 2-3 在电路测试仪的输入并联接入纯阻性负载 2K，得到的 Uo 的直流电位为 6V，说明 R4 开路 Uo= 0.3V 没有交流信号 Uo 输出交流信号 Uo 输出幅度降低明显放大器上限频率 fh 会明显增加单管放大电路的下限频率下降，但不是差别不太大单管放大电路的下限频率下降，且下降比较明显上限频率明显变化（高频交流信号会被交流短路了，上限频率会下降） 2.2 误差分析 1.放大器静态误差（1）Ub 实际上并不等于 R1 与 R2 支路的分压，只有流过 R1 和 R2 的电流 IR1》Ib 时才能近似处理。（2）同上，Ie 也是近似等于 Ic，另外，由于制作工艺和材料的差别，三极管 9013 的开启电压 VTH 不一定为 0.7V。 2.放大器动态误差（1）交变信号对于耦合电容可以近似为短路，实际上耦合电容依旧会有容抗，因此耦 5

合后信号存在衰减和相位差；另外极间电容、旁路电容等容性元件对交流电也会有类似影响。（2）交流电对于内阻很小的直流稳压源才可视为短路，实际上电源内部存在大阻抗或者容性元件，会产生较大误差。 3.测试仪的误差（1）由于元件精度的存在，会存在不可避免的误差。（2）射极跟随器的增益不可能为 1，尽量选择 rbe 小的三极管，使跟随器增益迫近 1，减小衰减。（3）由于 AD 采样精度和单片机内部运算的精度限制，会有不可抗因素。（4）在测量方法的系统设计上，均采用了理想化的计算分析，实际测量时候可能会与理想值有较大偏差，可在不断调试中调整测量物理量的基准。 3 电路与程序设计 3.1 主要电路的设计图 9 主要电路图由 AD9851 组成 DDS 模块产生频率可调的正弦波信号，通过单片机 STM32F103 对继电器、 AD9851、液晶屏等模块的控制，实现相应的功能；另外，为了减小测量仪对放大器电路测量的误差和提高测量仪的精度和稳定性，在放大器电路前后级设计了射极跟随器进行阻抗隔离。 3.2 程序的设计 1.程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现对 DDS 和继电器控制、AD 采集、键盘设置和显示。（1）DDS 和继电器控制：产生一定频率的正弦波信号并且控制输出支路。 6

资料库

2019年全国大学生电子设计竞赛D题简易电路特性测试仪.pdf

相关推荐

行业

热门标签

最新资料