放大电路特性测试装置设计

王明全，杨佳欣，唐钰

（东北大学计算机科学与工程学院，辽宁沈阳，110000）

0 引言

放大器是电子行业最为重要且常用的科研装置之一，而输入输出电阻、增益、截止频率、频率特性以及输出失真情况等是放大器的重要性能指标，对这些指标的测量在科研过程中尤为重要，因此需要一个针对放大器的性能指标的测量工具。

目前传统的测量方法需要用到信号发生器、万用表、毫伏表、示波器等以及一系列工具以及繁琐的计算过程，操作非常复杂。而市场上的一些测量装置大多只能够测量某一项指标，不能够做到所有指标全方面测量。所以需要设计一个放大电路特性测试装置[1]，能够集成对放大器特性指标的测量、故障判断以及失真情况判断的功能，解决传统测量方法的不足，并广泛应用于市场以及科研过程中。

1 系统总体方案

1.1 设计基本要求

设计并制作一个简易放大电路特性测试装置。使用时将待测的特定放大器接入电路特性测试仪，测试仪向待测放大器输入1kHz正弦波信号[2]，自动测量并显示特定放大器电路的输入输出电阻、增益并将输出波形绘制在液晶屏上，绘制放大电路的频率特性（幅频与相频特性）曲线，判断放大电路的截止频率。另外还具有学习与判断故障的功能，能够学习电路的故障原因，并自动判断该放大器由于元器件变化而引起故障的原因。同时能够测量放大电路输出信号失真度，如果输出信号有失真，能够判断其非线性失真的情况。

本测试装置适合于绝大多数放大电路的特性测试，测试装置与待测放大器电路连接如图1所示。

图1 特定放大器电路与电路特性测试仪连接图

1.2 系统总体方案

系统主要由单片机模块、信号发生器模块、测量显示模块、有效值测量模块、电阻测量模块、调制模块等部分构成。主要设计思路将待测电路接入测试仪[3]，单片机模块在完成初始化后，接收按键的功能选择，再控制信号发生器模块产生适当的信号或者扫频作为放大电路的输入信号，输入信号经过衰减网络、被测电路、跟随器模块、输出采集模块等后，根据功能的不同输送至电阻测量模块、增益测量模块、故障检测模块、失真情况分析模块进行数据处理，然后经过单片机经计算处理后将结果输出在显示屏幕上。系统结构如图2所示。

图2 系统结构图

1.3 硬件设计

硬件方面主要包括信号发生器模块、电阻测量模块、有效值测量模块、增益测量模块、滤波模块、频率特性测量模块、失真判断模块等。

1.3.1 信号发生器模块

信号发生器模块围绕芯片AD9850设计。AD9850是一款高性能DDS芯片，能够产生0～40MHz的2路正弦信号，且能够产生扫频信号，完全满足设计需求。通过单片机对信号发生器模块的控制[4]，输出相应幅值、频率的正弦信号以及两路正交信号，在测量频率特性时，产生从低频到高频的扫频信号。

由于输出的信号幅度较大，需要通过衰减电路后再输入到待测电路中。信号衰减采用电阻分压法，衰减后的信号再通过由OPA2134组成的跟随器[5]，增加带负载能力。

1.3.2 电阻测量模块

电阻测量模块采用分压法测量输入、输出电阻。通过继电器开关在待测电路输入输出端接入合适的电阻，通过测量电压就可以按照推导好的公式计算出输入、输出电压。输入输出电阻测量具体方法如图3所示。

图3 输入输出电阻测量电路

在待测电路前串联一个大小合适的电阻R，其中U1、U2分别为T1、T2两点测得的电压值。在测量输入电阻时，将开关1S断开，测量T1、T2两点的电压，已知采样电阻值，即可求出放大电路的输入阻抗。通过基尔霍夫定律可以简单计算得到：

在测量输出电阻时，将S1闭合，R被短路，输出电阻可通过电路接入负载与不接入负载时，放大器的输出电压值和负载电阻阻值求得。设接入负载时，即 2S闭合时，放大电路输出电压为Uon，不接入负载即 2S断开时，输出电压为Uoff。已知负载电阻阻值为RL，根据基尔霍夫定律可以得到：

1.3.3 有效值测量模块

有效值测量模块由主要芯片AD637组成。AD637是一款真有效值/直流变换集成芯片，可以计算各种复杂波形的真有效值，并输出与有效值等比例的直流电压，使用简单、读数准确稳定[6]。AD637外围电路如图4所示。

图4 有效值测量模块原理图

经过测试，该模块对信号有效值测量误差在2%以内，配合隔离交流成分的低通滤波器能够实现对输出的直流信号中的较小交流分量的有效隔离，增大ADC测量精度。

1.3.4 增益测量模块

增益测试电路只需要将待测电路的输出电压经过有效值测量模块电路后使用ADC测量后输入到单片机当中[7]，与输入信号有效值相除即可得到相应增益，仿真测试以后电路较为稳定，测量精度对不同电路均保持在98%以上。

1.3.5 频率特性测量模块

幅频特性的测量只需要通过DDS模块输入扫频信号，通过增益测量模块测量每个频率对应的增益，画在坐标轴上即可。

相频特性主要采用调制测量的方法，调制模块主要采用高精度乘法器AD835搭建。测量原理如图5所示。

图5 调制测量原理图

首先由信号发生器模块在1kHz下产生两路正交信号Ac os (wt)和As in (wt)，按图5所示输入到被测电路中，被测放大电路输出为Bcos (wt+φ)，经过乘法器模块相乘后，经过低通滤波，滤除高频分量，分别得到低通的I，Q信号如下式：

经过滤波器模块，留下直流量为：

然后可得相频响应计算公式如下：

调制过程需要用到乘法器模块和滤波器模块。乘法器模块选用芯片AD835，AD835 是一款电压输出型四象限高带宽乘法器，输出噪声典型值仅为，保证实验信号损失尽可能最小，除此之外，AD835 需要的外围电路较少。乘法器模块原理图如图6所示。

图6 乘法器模块原理图

滤波器模块要求能够提取信号直流成分，并且为了提高精确度，要尽量隔离交流成分，选用OPA2134芯片设计四阶有源滤波器。采用专业滤波器设计软件Filter Solution设计截止频率为1Hz的四阶切比雪夫滤波器，滤波器模块电路图以及频率响应如图7、图8所示。

图7 滤波器模块原理图

图8 滤波器模块频率特性图

1.3.6 失真情况测量模块

失真情况测量主要测量输出信号的总谐波失真（THD），同时能够区分无明显失真以及顶部失真、底部失真、双向失真、交越失真这五种情况。无明显失真及四种具有非线性失真电压的示意波形如图9所示。

图9 无明显失真和四种非线性失真情况

线性放大器输入为正弦信号时，其非线性失真表现为输出信号中出现谐波分量，常用总谐波失真(THD：total harmonic distortion)衡量线性放大器的非线性失真程度。THD定义：若线性放大器输入电压ui=Uicosωt，其含有非线性失真的输出交流电压为

此次测量对THD做近似处理，取到前五次谐波，则有THD计算公式：

无明显失真，其失真度较小，THD一般小于2%。而其他四种非线性失真，其THD一般大于2%，所以当THD小于2%时，可以认为无明显失真。当有较大失真度时根据最大值附近点数、最小值附近点数、和中间值附近点数来判断非线性失真的类型。图10是对这几种失真情况的具体判断的流程图。

图10 失真情况判断流程图

通过以上流程能够实现对绝大多数非线性失真情况的判断，经过实物测试准确率在90%以上。

1.3.7 故障检测模块

本设计采用基于欧式距离的监督式学习方法，进而对放大器不同的故障情况的时域特征进行识别。首先要对参数进行归一化处理，假设选取n个特征电参数，例如输入输出电阻、增益等， 一共有m种故障情况，则特征样本为ix=(1ix,2ix,3ix, …,imx),i=1, 2, 3, … ,m，设待测数据为jx=(1jx,2jx,3jx,…,jnx),对原始数据进行 Z-score 标准化，处理ijx= (ijx-javrx)/jS(i=1, 2, 3, …,m; j=1,2,3,…,n)（其中javrx表示 j 种特征量的平均值，jS表示 j 种特征值的标准差）。在引入欧式距离时，需要对考虑每种特征值的权值，即特征量对故障情况相似性判别的贡献不同，设权值为Z=(1Z,2Z,3Z, … ,nZ)，若样本数据为i，待测数据为j，二者的欧式距离为：

相似系数定义为 c(ix,jx)= 1/( 1+d(ix,jx)) ，相似系数范围在（0,1），相似系数 越接近 1 则相似程度越高，设定相似阈值 m，当 c>m 时判定为该样本库中的故障原因。这种方法简洁高效，对存储性能要求不高，即使采用三维特征识别，存储的特征参数也很少，缺点是特征参数波动较大时识别时间很长。进过测试，用单片机对两组数据进行计算，能够在较短的时间里完成分析存储，因此本系统采用欧式距离法分析数据。

故障检测分为储存和分析两个部分。首先，储存最多14种故障情况下的输出直流电压、输出电压、输入电阻、增益电路参数。然后，当发生故障时，利用欧式距离法分别计算此时的电路参数向量和已经存储的最多14个向量的相似度，从而判断故障情况。

1.4 软件设计

软件部分主要由STM32F407ZGT6作为主控芯片，首先对整体系统的各个模块进行初始化，然后检测按键中断来选择功能，再根据各个功能的不同控制DDS信号发生模块生成不同幅值、频率的正弦信号或者从低频到高频进行扫频，经过电阻测试模块、调制模块、增益测试模块等后输出回单片机[8]，经过计算分析以后就可以在液晶屏显示对应测试结果或图像。总体流程图如图11所示。

图11 软件设计流程图

2 性能测试

2.1 输入电阻、输出电阻、增益、截止频率测量

用特定放大电路进行测试，特定放大电路如图12所示。

图12 测试用放大电路

其中输入信号频率1kHz，峰峰值20mV，测试其各项输入输出指标，如表1所示。

表1 测试结果汇总

由表1得，输入电阻、输出电阻、增益、截止频率的测量误差都在3%～10%之间，均小于10%，测量精度较高。

2.2 故障检测

用图12所示电路进行故障检测，故障检测包括各电阻短路、开路以及各电容开路、加倍一共14种情况，对每一种故障情况进行检测，都准确检测出故障情况，检测正确率达到100%。

2.3 失真情况检测

综合运用THD、最大值点数、最小值点数、中间值点数，对无明显失真、顶部失真、底部失真、双向失真、交越失真分别进行检测，其中无明显失真检测准确率达100%，其他四种情况检测准确率达到90%，检测准确率较高，其中，后四种失真情况由于电压不稳定等特殊情况会出现小概率的检测出错。

3 结论

本文提出了放大电路特性测试装置的设计与实现，经过实验测试，能够测量一般放大器的输入输出电阻、增益、截止频率，精确率均达到95%以上；同时能够清晰地画出输出的波形、放大器的频率特性；能够实现对故障原因的学习与检测，准确率达到90%，能够学习与识别大部分的故障原因；同时能够测量输出的信号的失真度，并判断失真情况。通过实验证明达到了设计要求。