简易电路特性测试仪设计

摘   要：简易电路特性测试仪以STM32为微处理器，配置其内部的12位数字乘法器实现更为精确的0.1 dB步进的衰减网络，使用电流反馈型运算放大器AD8032作为信号调理及放大电路，利用AD8302实现幅度相位检测。通过ADC（模拟-数字转换）对被测量信号进行采样，通过单片机处理完成对集成运放的失调电压、失调电流、共模抑制比、开环放大倍数等参数的测量，最后利用显示装置显示结果。文章对此展开了分析。

关键词：STM32;电路特性测试仪;AD8032;集成运放;运放同向跟随

1    系统设计方案选择

集成运算放大器是一个高增益的多级直接耦合放大器，具有很大的开环电压放大倍数和极高的输入阻抗。由于集成运放本身的高增益特性AD8032是一款单电源电压反馈型放大器，具有高速特性，小信号带宽为80 MHz，压摆率为30 V/µs，建立时间为125 ns。实现以上特性只需采用+5 V单电源供电，功耗小于4.0 mW。这一低功耗特性可以在不牺牲动态性能的情况下延长高速、电池供电系统的工作时间，可以满足需求。

2    测量理论及故障判断分析

2.1  测量原理

单片机根据选择参数控制相应的参数测试电路，输出高频信号源，控制增益等一系列操作。被测运放在单片机的控制下经过运放同向跟随电路输出电压，该电压经过数据采集转换输入单片机，单片机根据输入电压和测试参数类型进行计算处理。

2.2  电路参数测量分析

2.2.1  电路设计

设计电路三极管满足放大系数β在60～300，按最大值600进行计算。放大电路的负载RL连接到测试仪的输入端口，所以负载可认为是无穷大。另外，假设三极管的内部输入电阻R为1 000 R，该值可在程序设计中进行矫正。

2.2.2  计算

输入阻抗Ri=R1//R2//rbe=43 K//15 K//1 K≈917 R

输出阻抗Ro=R3//Xc=2 K//（1/（2×3.14×1 kHz ×470 P））≈1 988 Ω

放大倍数Av=﹣β×（RL//Rc）/rbe≈﹣β×Rc/rbe=﹣300×2 K/1 K =﹣600

2.2.3  实际应用

输出串一个电阻R’用于信号检测，左边的电路构成RC串联电路，已知1 kHz输出电压幅值，可用单片机测量得到R’上电压，再用KVL可算出输入电阻Ri。放大电路的输出电阻与三极管，直接按上面公式计算即可。直接输出电压幅值除以输入电压幅值可得电路放大倍数，单片机采、描点即可。上限频率值为0.707×幅值的频率。

2.3  故障判断分析

2.3.1  电阻故障判断分析

（1）R1（43 K）开路：加交流强信号后，峰值VPP大于管压降，使三极管导通，R3（2 K）分压后，输出电压Uo下降。

（2）R1（43 K）短路：R1失去分压作用，此时基极电压与电源电压相等，三极管近似于二极管，压降硅管为0.7 V。

（3）R2（15 K）开路：基极电流增大，R3（2 K）电流增大，R3分压能力变强，输出电压Uo变小。

（4）R2（15 K）短路：加交流信号，此时无输出。

（5）R3（2 K）开路：三极管工作在截至区，此时输出基本为0。

（6）R3（2 K）短路：输出端口接2 K电阻与R3（2 K）分压，其他电压下降一半。

（7）R4（1 K）开路：加交流信号，输入端有电压。

（8）R4（1 K）短路：三極管工作在饱和区，输出电压约等于管压降。

2.3.2  电容故障判断分析

用示波器、信号发生器在实际中测量。在某次测试中，输入交流信号VPP=50 mV，输出VPP=2.77 mV。

（1）C1（10 u）开路：输出（VPP=792 mV），干扰0 mV。

（2）C2（47 u）开路：输出（VPP=594 mV）。

（3）C3（470 P）开路：输出波形出现毛刺，干扰影响大。

3    测试方法及测试结果

整个系统可由3部分组成：电源电路，单片机最小系统，运放同相跟随器组成。通过实际使用测试，和对测量数据的分析，整个系统系统完成了以下指标：

（1）电路特性测试仪输出1 kHz正弦波信号，自动测量并显示该放大器的 输入电阻。输入电阻测量范围1～50 kΩ，测量准确度可达±10%。

（2）电路特性测试仪输出1 kHz正弦波信号，自动测量并显示该放大器的输出电阻。输出电阻测量范围500 Ω～5 kΩ，测量准确度可达±10%。

（3）自动测量并显示该放大器在输入1 kHz频率时的增益。测量准确度可达±10%。

（4）自动测量并显示该放大器的频幅特性曲线。显示上限频率值，相对误差的绝对值不超过±25%。

（5）该电路特性测试仪能判断放大器电路元器件变化而引起故障或变化的原因（如某个电阻开路或断路），电路特性测试仪能够判断并显示故障原因。

（6）若有一个电容开路，电路特性测试仪能够判断并显示故障原因。

（7）若任意增大一个电容的容量，使其达到原来值的两倍。电路特性测试仪能够判断并显示该变化的原因。

所有的测试过程严格按照要求来进行，所有测试数据和测试结果准确、真实、有效。

4    结语

输入电阻Ri的大小表示放大电路从信号源或前级放大电路获取电流多少。输入电阻越大，索取前级电流越小。对前级的影响就越小。该测试仪具有成本低、误差小、维护方便等特点，可满足工程和教学中的频率特性测试需要，具有广泛的应用前景。

[参考文献]

[1]沈元隆，周井全.信号与系统[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[2]吴锤红.MCS-51微机原理与接口技术[M].厦门：厦门大学出版社，2009.

[3]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2015.