基于STM32F103ZET6的电路特性测试仪

杨旻荟，田澄睿，顾浚哲

（南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏南京，210044）

0 引言

放大电路是应用最广泛的电路之一，大量电子元器件的基础结构中包含放大电路，研究其产生故障或者发生变化的原因，进行不失真的放大在信号处理领域有着重要的意义。输入输出电阻是衡量放大器性能的重要指标。输入电阻越大表明放大器从信号源取得的电流越小，信号源的电压衰减越小，反应了放大电路对信号源产生影响的大小，因此电压表、示波器等仪器中的放大器需要更大的输入电阻。输出电阻可以用来衡量放大电路带负载的能力，即反应了放大电路在不同负载条件下保持输出电压稳定的能力。本文的系统设计能精准的测定放大电路的输入输出电阻及其增益，可全面的反应放大电路的性能，为工艺选择提供参考。

1 系统整体方案设计

本系统的硬件电路主要由STM32F103ZET6单片机，DDS模块、射频衰减模块、固定放大电路、有效值检波模块组成。首先由单片机控制DDS模块输出特定频率特定赋值的正弦波，经过射频衰减模块后接入被测放大器的输入回路。在输入回路中串入一电阻，通过继电器换路测量电阻两端电位，继电器后的信号接入固定放大电路，随后通过有效值检波模块将正弦信号转换为直流信号传给单片机ADC。被测放大电路的输出端接一电容隔离直流，在输出回路中串入一电阻，接继电器测其两端电位。经一电压跟随器后进行有效值检波与单片机ADC信号采集。单片机对采集到的信号进行数据处理，并将处理后的输入输出电阻与增益显示在LCD屏幕上。并在屏幕上显示被测放大器的幅频特性曲线。系统整体设计如图1所示。

图1 系统整体设计

本系统旨在设计一种能测定被测放大电路的特性参数的测试仪，包括输入输出电阻及增益等指标，且测量误差均小于10%。

2 系统硬件电路设计

2.1 信号发生模块

本文采用直接数字频率合成（DDS）方案[1]。本文选用AD9850作为信号发生模块。其核心部分由DAC高性能数模转换器、DDS可编程系统和高速比较器构成。正弦波查表和相位累加器共同构成了AD9850的DDS系统，其内核在内部逻辑单元的控制下，不断进行高速数模转换，在输出端得到波形信号。且AD9850集成了DSP技术和ROM表，极大的减小了本模块的功耗和面积[2]。本模块具有输出频率相对较宽，频率转换时间短，频率分辨率高，全数字化结构便于集成，以及相关波形参数（频率、相位、幅度）均可实现程控的优点。若相位累加器的位数为N，改变频率控制字K或参考时钟fr，即可改变输出正弦波的频率f0，具体表达式如下：

由单片机程控，给AD9850输入控制字，生成指定正弦波的基本原理入图2所示。

图2 DDS原理

综上，采用集成DDS芯片AD9850输出波形频率幅值稳定，频率范围可满足题目要求，且其可通过STM32单片机进行程控，便捷高效可移植｡

2.2 射频衰减模块

本系统的被测定放大电路经检验在不失真放大的情况下，输入电压应≤60mv，因此AD9850产生的DDS信号不能直接接入被测放大电路的输入回路，需要先通过衰减器将电压降至放大器可不失真放大的范围内。衰减器是一种提供衰减的电子元器件，电子设备衰减器的主要用途是调整电路中信号的大小，缓冲阻抗变化，并改善阻抗匹配。在射频领域，阻抗匹配有着重要意义。射频衰减器相对于一般的电阻做分压衰减有高频更好的匹配特性和线性度。PE4302是一款高线性度，6位数字射频步进衰减器，其衰减范围为0.5dB～31.5dB，最大输入射频信号幅值为24dBm，并支持串并行数据控制衰减量。其原理图如图3所示。

图3 PE4302原理图

本文采用射频衰减模块滤除直流量，并将信号缩小到60mv。随后经过串联分压，使得输入特定放大电路的激励源控制在1kHz 20mv左右的信号。

2.3 直流检波模块

本文设计的系统需要将被测定放大电路前后的信号传给STM32F103ZET6单片机做数据处理，然而单片机无法承受负压输入，因此需要对放大前后的正弦波信号做一定的解调或检波处理，将正弦信号转换为直流信号以供单片机采样。解调与检波即是将调制信号从已调信号中检出的过程。对于本系统而言，即是将正弦信号通过积分手段变换为直流信号。

本文采用的直流检波模块为AD637，其输出阻抗很小，因此输出信号在传给单片机时不再需要运算放大器，对本系统电路而言减轻了负担。该模块输出的直流信号为输入正弦波信号的有效值，因此又称有效值检波模块。该直流检波模块可由±5～±15V的电压供电，根据供电电压不同，可测电压有效值的范围介于0～3V和0～6V之间。输入信号既可测纯交流信号的有效值，也可测叠加有直流信号的交流信号有效值。同时，其带负载能力强，为100～+∞Ω。由此可见本系统选用的AD637直流检波模块可满足系统设计要求，性能优良。其原理图如图4所示。

图4 AD637原理图

2.4 抗干扰措施

（1）模块之间用电压跟随器实现分立，减少模块之间参数的影响。在被测放大电路的输出回路中串入一隔直电容，并在继电器选通后串入一电压跟随器，以减少分立电子元件的影响。

（2）尽可能增大接地面积，尽可能保证共地，实现高频信号的稳定传输。

（3）尽可能减少杜邦线的使用，在高频信号环境中，杜邦线的使用可能会带来极大的噪声，影响模块性能且会导致放大后信号波形不稳。

3 系统软件设计

3.1 软件实现方法

（1）将继电器1拉低，测量串联电阻上端电压，之后将继电器1拉高，测量被测电路分得的电压。之后使用分压公式计算出电阻值。

（2）将继电器2拉低，计算负载电压；将继电器2拉高，再次计算负载电压。

（3）再次使用分压公式计算输出电阻阻值。用负载电压除以输入特定放大器的信号峰峰值，从而计算出放大倍数。

（4）将计算得到的放大倍数和输入输出电阻显示在屏幕上。

3.2 STM32F103ZET6单片机ADC设计

本系统共需两路ADC，分别测量被测放大器前后的信号。而STM32f103系列有3个精度为12位的ADC，精度为12位，且各个的ADC之间的转换可以间断或连续执行，ADC转换的结果可被储存在单片机特定寄存器部位。需要注意的是，STM32f103单片机的ADC输入电压范围为− VREF≤VIN≤+VREF，当−VREF接地，+VREF接3.3V时，单片机ADC可承受的输入电压范围为0～3.3V，即不可承受负压。DDS模块产生的正弦波信号有负压部分，为使单片机ADC能够承受一种方式是通过增加直流分量将正弦信号抬升，另一种方式是通过直流检波模块将正弦波信号转换成等于其有效值的直流信号输出。第二种方式可省去单片机内部对正弦信号的处理，增加模拟电路稳定性的同时，简化软件设计复杂度。

电压输入后，经过ADC可将信号转化为一个12位的二进制数，即将0～3.3V的电压信号转化为0～4096的数字信号，数字信号与模拟信号之间的转换公式可表示成如下形式：

其中，Vin为输入的模拟电压，Vout为其该模拟电压对应的二进制数。

3.3 单片机LCD显示

单片机LCD屏幕上需要显示的是经过处理后的被测放大器的输入输出电阻与增益，并显示幅频特性曲线。本系统采用单片机驱动TFTLCD液晶屏显示以上内容。TFTLCD为薄膜晶体管液晶显示器，可极大降低非选通时的串扰，使液晶屏显示的静态特性与扫描线数无关，进而大幅度提高图像的质量[3]。单片机驱动TFTLCD的流程如图5所示。

图5 TFTLCD驱动原理

4 系统测试结果

本文设计的电路特性测试仪可实时显示被测放大电路的输入输出电阻与增益，并显示其幅频特性曲线。测试指标的相对误差均小于10%。测量结果如图6所示。图7为被测放大电路的输出信号。

图6 系统测量结果

图7 放大电路输出信号