1.設計內容中文摘要

      設計實現電路特性的測試，其中包含測量功能和故障檢測功能。設計中以STM32單片機為主控，首先對被測信號電路中輸入輸出阻抗、增益、幅頻特性等參數測量進行電路設計，根據Ui、U0、Uo’ 的有效值測量，通過主控AD采樣并進行算法處理，最終顯示輸入輸出阻抗、增益、幅頻特性結果，且在故障檢測功能中顯示電路中的故障。

2.設計方案工作原理

2.1預期實現

 目標定位以STM32單片機為控制和數據處理核心，利用小信號放大電路、有效值檢測電路等模塊制作的簡易電路特性測試儀，可以實現參數測量和故障檢測功能。

2.2技術方案分析比較

 （1）信號源模塊方案一：直接數字合成法（DDS）.該方案采用DDS芯片AD9854不僅可以產生不同頻率的穩定的正弦波，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（PLL）進行間接頻率合成。壓控振蕩器可以通過控制電壓產生相應的振蕩頻率，用鎖相環將壓控放大器輸出的頻率鎖定在所需頻率上。PLL保證輸出頻率的穩定度和精度，但調試難度大。綜合考慮，采用方案一實現正弦信號發生器，處理方便，穩定性好。

 （2）輸入和輸出電阻測量模塊的設計輸入電阻和輸出電阻模塊根據測量理論分析得知，其檢測需包括一個小信號電路放大模塊和有效值檢測模塊①小信號電路放大主要實現對信號源進行放大，由于輸入信號較小，不宜測量，因此放大后能夠得到準確的測量值，為此設計出如下以滿足要求。方案一：采用OPA350高速單電源軌道運算放大器，擁有低噪音，低總諧波失真，噪聲，單位增益穩定等特點，但是由于衰減過快，導致理想增益很難實現，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放大模型。提供精確的增益，在溫度和電源電壓變化時有很高的穩定性，且在題目要求下不會衰減，完全可以滿足本方案的要求。綜合考慮，選擇方案二，可以達到題目要求的小信號放大。②根據測量理論分析得知，輸入輸出電阻和增益的測量，其本質即為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現功能，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，但是實際操作使用芯片過多，實際測量中經常出現錯誤，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，經典電器元件，但實際連接電路過于復雜，極其容易自激。方案三：使用AD637模塊構成的有效值測量電路。AD637是一個完整的，高精度單片RMS-to-DC轉換器。可以計算各種復雜波形的真有效值。使用簡單，調整方便，穩定時間短，讀數準確。而且成本低，穩定性高。綜合考慮，選擇方案三，可以達到有效值準確檢測的效果。

 （3）幅頻特性測量模塊的設計方案一：點頻法。由單片機控制DDS產生一個掃頻信號，同時由單片機控制AD在頻率發生改變進行對輸入輸出電壓進行采樣，將得到的數據進行數據處理，得到對應頻率下的增益，當增益為-3dB時，對應的頻率即為上限頻率。方案二：掃頻法。頻率源的輸出進行連續掃描，測出各頻率點上的頻率特性并顯示曲線。綜合考慮，選擇方案二，可以達到幅頻特性輸出的要求。

2.3系統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發生模塊DDS能穩定輸出幅值確定的正弦波，設DDS輸出電壓為US,經過分壓電阻RS后，信號輸入被測電路，此時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，測量開路時輸出電壓Uo和接上負載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，即可計算出增益。

 ④幅頻特性測試方法由DDS輸出一個頻率自動變化幅值不變的正弦信號，頻率每改變一次，AD去采樣Uo與Ui一次，然后計算GAIN=20 x lg(Uo/Ui)；起始時，頻率步進大一點進行粗略的掃頻，（頻率每改變一次，將計算得到的增益與相應的頻率存入數組，）當增益在-3dB附近時，調小步進，進行細致掃頻，（頻率每改變一次，將計算得到的增益與相應的頻率存入數組），當計算的增益為-3dB時，對應的頻率即為上限頻率。

 ⑤故障分析電路的設計通過對電路的多次采樣，當被測電路的電阻或電容改變時，采樣的數據也會隨之變化，通過主控中的算法設計，可以根據不同的變化判斷電路發生的故障，具體流程詳見軟件部分。

 （2）系統整體方案根據題目的要求充分考慮各種因素，制定了整體設計方案：以凌智單片機STM32f103為核心，完成各個方面的功能：采用DDS專用芯片AD9854產生正弦波；小信號固定增益放大器OPA365增大幅值；基于AD637的有效值檢測電路來檢測有效值；單片機控制A/D采樣模塊，采樣并經過算法處理后顯示數據。整體的系統設計框圖如圖1所示。 

圖1 系統設計框圖

3.核心部件電路設計

 3.1信號產生模塊 DDS是一種把一系列數字形式的信號通過數/模轉換器轉換成模擬量形式的信號合成技術，即利用高速存儲器做查詢表，通過高速數/模轉換器產生已經用數字形式存入的正弦波。AD9854可以產生正弦波、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系統時鐘下，頻率分辨率可達1uHZ）。

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

圖2 OPA365小信號放大模塊

3.3有效值檢測模塊

 AD637是一個高精度單片真有效值轉換器，可以計算各種復雜波形的真有效值。使用簡單，調整方便，穩定時間短，讀數準確。實際應用中唯一的外部調整元件為平均電容Cav，它影響到輸出穩定時間、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，通過單片機控制，無需外接AD采樣芯片，不會增加電路出錯的風險，且精度高，采集電壓范圍廣，可編程數據率高。3.6繼電器部分采用HK19F繼電器，連接8050三極管，并聯1N4007二極管。繼電器有兩組轉換觸點形狀，高靈敏度線圈功耗僅為0.15W，其電路圖如圖4所示。 通過繼電器控制負載是否接入電路，測量輸出信號的有效值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電路實現調試測試

表1 不同Ui輸入數據測量表

4.系統軟件設計分析

4.1系統總體工作流程

圖6 系統總流程圖     

                 

 圖7測量功能流程圖                 

圖8故障檢測功能流程圖

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

圖9 故障判斷流程圖

4.2主要模塊程序設計

       本系統中用STM32進行控制，主要實現電路特性參數的測試和故障檢測。通過對AD9854的控制，實現信號輸出給待測電路作為Ui，通過AD采樣獲取Ui、Uo、Uo’，并通過計算得到Ri、Ro和Au，在顯示屏上設計友好的人機界面，顯示測量結果；在幅頻特性測試中，通過單片機控制DDS的輸出頻率在帶寬內變化，并根據相應的計算得到與頻率相對應的增益值，從數組中取出最大增益值，并和數組中的增益值進行比對，從而得到其上下限截止頻率的值，同時在屏幕上顯示出幅頻特性，顯示出上下限截止頻率；在進行故障檢測時，采樣數據會與之前的采樣數據做比對，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部分。通過Au，FH,FL,Ui，Uo等參數的變化進行判斷。如圖9所示。

5.競賽工作環境條件

5.1設計分析軟件環境

（1）單片機開發環境：Windows 10，Keil uVision5

（2）筆記本電腦顯示開發環境：Windows 10

（3）模擬電路設計：Altium Designer9；Mutisim10

（4）其他：Matlab，Office.

5.2儀器設備硬件平臺

 （1）萬用表（2）SIGLENT SPD3303S電源（3）NDY EE1635任意波/函數信號發生器

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

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

（1）電路特性測量性能指標（Ui有效值為10mV，頻率為1kHz）

表2 更改元件R1=50kΩ時參數測量

表4 更改元件更改元件R2=18kΩ時參數測量

表5 更改元件C2=56μF時參數測量

（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硬件實物電路

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

              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歷了兩次推翻，原因都是過于復雜，對芯片的使用不熟悉，導致無法發揮芯片應有的功能，這個時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，化簡電路的復雜程度，提高容錯率，比賽中我們就暴露了隊員對芯片種類的知識儲備量不夠的問題，本來一個芯片可以完成的功能，要三個芯片才能解決，還提高了單片機程序的復雜程度，使工程量增加，為此我們耗費了兩天時間簡化系統

 不然最后真的沒有結果還浪費了一個暑假。最后因為這個問題耽誤了很多時間，把自動連續檢測和波形顯示功能砍了，要是把報告里的東西全做出來，還會有更高的成績，有興趣的小伙伴如果自己沒思路的話，可以自己動手試試。