学校：西安电子科技大学 成员：王怀帅 刘座辰 张伟
指导教师：杨振江
摘要
该简易电路特性测试仪系统由输入输出阻抗测量与增益测量、幅频特性检测和电路故障自动分析系统三大部分组成。系统通过对“被测放大电路”输入端施加合理的电压信号，实时检测“被测放大电路”的输出端信号，进行处理计算，得到题目所要求的检测指标。整个电路在充分考虑精度、速度和复杂度方面进行了合理的优化设计，经过对电路的理论计算、部分电路的仿真和实际制作测试，其测试结果及数据完全达到了我们预期的设计要求。
关键词：共射极放大器、参数检测、故障分析
ABSTRACT
The simple circuit characteristic tester system consists of three parts: input and output impedance measurement and gain measurement, amplitude-frequency characteristic detection and circuit fault automatic analysis system. By applying a reasonable voltage signal to the input end of the amplified circuit under test, the system detects the output signal of the amplified circuit under test in real time, and processes and calculates the output signal, and obtains the detection index required by the subject. The whole circuit has been reasonably optimized in terms of accuracy, speed and complexity. After theoretical calculation, simulation and actual production test of some circuits, the test results and data have fully met our expected design requirements.
Key words: common emitter amplifier, parameter detection, fault analysis
一、方案论证与比较 1.方案比较与选择 （1）输入阻抗测量方式 【方案一】电桥法 首先我们想到的是测量精度较高的的电桥法。电桥法具有较高的测量精度，是常用的高精度测量方法，但在测量像射频功率管这样的有源非线性大信号工作器件的阻抗，特别是要求功率管在实际工作条件下测量有一定的困难，故电桥法难以应用。 【方案二】伏安法 采用在放大器输入端输入合理交流电压信号（U1），测量流入放大器输入端电流I1的方式，计算输出阻抗。在放大器的输入端，串接一个已知阻值的采样电阻r，放大器输入信号在流过采样电阻时，电阻两端有一个电压值（Ur），采用仪表放大器电路对电压Ur进行放大后测量，由输入电压（U1）和采样电阻两端电压Ur比例关系以及采样电阻的阻值，就可以计算出输入阻抗（Zi）的大小。这种方案原理简单可靠，电路复杂程度低，易于实际应用，制作完成测试后精度满足设计要求，所以最终我们选择伏安法测量输入阻抗。 计算公式：Zi=（r/Ur）* U1 （2）输出阻抗测量方式 【方案一】伏安法 采用短路放大器输入交流信号，在放大器输出端施加交流电压信号（U2），并测量流入该放大器输出端电流（I2），计算输出阻抗（Zo）。这种方法非常经典，被广泛应用，测量时精度高，实际应用难度低，但是在这道题目应用中，需要断开输入信号，并在输出端施加一个电压信号，增加了测量电路的复杂程度。 计算公式：Zo=U2/I2 【方案二】比例法 采用在放大器输入端施加交流信号，在输出端接入不同的负载，并对不同负载分别计算输出电压，进行比例计算得到输出阻抗（Z1）。比例法的实现方法较为简易，保持放大器输入端施加的合理电压信号不变，只需要在放大器输出端接入不同负载（RL），分别测量放大器的开路输出端电压值（U3）和接入固定负载后的电压值(U4)通过比例计算得到输出阻抗。经分析，我们选择了比例测量方法。 计算公式：(U3-U4)/U4=Z1/RL （3）幅频特性、上限频率及增益测量方式 【方案一】 采用在放大器输入端输入幅值不变，频率由低到高变化的交流电压信号，通过STM32H743单片机自带AD将放大器输出端信号测量与傅里叶分析，计算增益、上限频率及绘制幅频特性。这种方法在测量过程中，因为傅里叶分析法对于正弦信号失真度有较高的要求，DDS信号源产生的标准正弦波信号在经过放大器电路之后会产生一定程度的失真，导致测量放大器输出端电压信号幅度时产生较大误差，影响测量精度，并且傅里叶分析法在测量电压幅值时速度较慢。 【方案二】 采用在放大器输入端输入幅值不变，频率由低到高变化的交流电压信号，利用峰值检波器转化为直流电压后通过STM32F407VET6自带AD直接测量放大器输出端电压信号，测量计算增益、上限频率及绘制幅频特性。利用有效值检测电路，将放大器输出端交流电压信号转化为直流电压，由单片机AD测量直流电压精度高，速度快，非常适合放大器输入频率变化较快的情况，故我们选用了方案二。 （4）故障分析测量方式 【方案一】 在放大器输入端施加合理的交流电压信号，测量放大器输出端的输出信号，通过计算分析放大器输出端的输出交流信号的电压幅值以及相位偏移，判断电路产生故障的原因。在实际验证过程中，我们发现这种方法无法准确测量故障时输出信号与正常工作时输出信号的偏差，判断故障点不准确。 【方案二】 在放大器输入端施加合理的交流电压信号，测量放大器输出端的输出信号，通过对放大器输出端电压信号的直流电压测量分析，可以判断出三极管此时的工作状态，若三极管放大器直流工作状态异常，则分析得出是电阻变化引起的电路故障，若直流工作状态正常，则继续；通过对放大器输出端电压信号的交流电压测量分析，同时测量放大器此时的输入阻抗、输出阻抗、幅频特性和增益，通过这些参数分析计算放大器电路产生故障的原因，可以准确确定放大器电路故障产生原因，因此我们选用此种方案进行放大器电路故障分析。
二、理论计算与故障检测分析 系统总体方案：系统**框图见图1所示。 file:///C:/Users/**istrator/AppData/Local/Temp/ksohtml/wpsE6DF.tmp.jpg 图1系统总体框图 系统主要由六个部分组成：系统线性稳压电源、输入阻抗测量电路、输出阻抗测量电路、幅频特性及增益测量电路、故障检测电路。整个系统由正20V电源单电源供电。 通过DDS产生不同幅值，1KHz及其他频率信号，输入待测放大器电路，串联采样电阻采样计算输入阻抗，并联采样电阻测量输出阻抗，将频率由低至高变化，通过有峰值检波测量放大器电路输出信号，计算上限频率、增益及绘制幅频特性曲线，通过对放大器电路的输出信号中的直流及交流成分、输入阻抗、输出阻抗、幅频特性、增益的变化测量来分析电路产生故障的原因。 1. 输入阻抗测量电路设计 （1）跟随器隔直电路设计 AD9959制作的DDS信号发生器输出信号有一个正1.3V的直流偏置，为了得到正负对称且具有一定负载驱动能力的正弦信号，采用OPA828JFET型运放及无源电容电阻隔直RC网络对信号进行处理。电路原理图见附页。 （2）串联采样电阻及电压采样电路设计 输入阻抗采用阻抗分压法进行测量，在输入端串联10K采样电阻，采用仪表放大器INA118对采样电阻端电压进行采样放大，并经过AD637有效值检波器转化为直流电压输入单片机12位AD测量计算输入阻抗。电路原理图如图2所示。
file:///C:/Users/**istrator/AppData/Local/Temp/ksohtml/wpsE6E0.tmp.jpg 图2 输入阻抗测量等效示意图 （3）有效值检波电路 DDS信号源输出的正弦波在经过待测放大器电路后，输出的信号波形有一定的失真，不能采用傅里叶分析法进行交流幅值测量，为了提高测量精度，我们采用AD637RMS有效值检波芯片，将交流信号转化为直流电压。电路原理图见附页。 （4）采样电阻电压放大电路 测量输入输出阻抗时为了方便AD测量，要提高采样电阻两端信号的幅值，为了减小噪声引起引起的干扰误差，采用差分输入的INA118仪表放大器电路。 2. 输出阻抗测量电路设计 （1）并联分压与电压采样电路设计ro 该测量通过两次检测输出电压，经计算获得输出阻抗（第一步，测量输出开路电压，第二步，在输出端并接一个已知负载，比例计算）。在输出电路上接入有效值检测器（AD637），把交流电压转化为直流电压并输入单片机的AD输入端。测量等效图如图3所示，电路原理见附图。
file:///C:/Users/**istrator/AppData/Local/Temp/ksohtml/wpsE6F0.tmp.jpg 图3 输出阻抗测量等效图 3.幅频特性、上限频率及增益测量电路设计 （1）跟随器隔直电路设计 正负对称的正弦波信号在经过待测放大器电路后会产生一个直流偏置电压，为了满足单片机AD测量的电压输入范围，所以需要用电容电阻网络以及OPA828运算放大器对直流电平进行阻隔，正弦波信号跟随输出。电路原理图见附页。 （2）峰值检波电路设计 为了提高测量频谱特性和上限频率的测量速度，采用高频检波二极管、电容以及运放搭建的幅值检波电路，输入信号幅值范围大，输出线性度好，输出电压在50MHz频率范围以内不会随频率变化。电路原理图见附页。 3. 故障分析电路设计 （1）故障检测分析 在放大器输入端施加合理的交流电压信号，首先判断放大器电路的直流工作状态，若放大器的直流工作状态不正常（截止或饱和），故障均在直流电路回路（如R1~R4）。若放大器的直流工作状态正常（工作在线性区），故障均在交流回路（如C1~C3）。若三极管出现故障（被拆除），则输入阻抗变为R1//R2，且输出电压变为电源电压。 直流回路故障判定： ①工作在截止区（输出电压接近电源电压），引起该故障的原因是R1开路、R2短路、R4开路和R3开路。施加一定幅度的交流输入信号，若检测输出端有交流信号，则故障为R1开路；若测得输出阻抗接近零，则故障为R2短路；若测得输入阻抗值接近R1//R2，则故障为R4开路；若R1、R2和R4均正常，则故障为R3开路。 ②工作在饱和区（Uce接近零），引起该故障的原因是R2开路、R4短路、R1短路和R3短路。测得输入阻抗值接近R1，则故障为R2开路；若输入阻抗小于R1，则故障为R4短路。若测的输出电压等于电源电压，则故障为R3短路；若测得输出直流电压小于11V（三极管工作在正偏状态，输出电压约为电源电压减去两个PN结的电压），则故障为R3短路。 交流回路故障判定： ①直流工作点正常，施加交流输入信号，放大器无输出，则故障为C1开路；若放大器电路增益变小较多（深度负反馈），则故障为C2开路；若测得放大器的上限频率上升，则故障为C3开路。若输入阻抗变小，则故障为C1增大；若输入阻抗变小且放大器增益增大，则故障为C2变大；若测得放大器电路的上限频率变小，且输出阻抗减小，则故障判断为C3增大。 4. 供电系统电路设计 （1）单电源转正负电源电路 系统采用TPS5430正电压转正负电压芯片，输入电压为正20V单电源，输出正负17V双电压。TPS5430正转正负直流斩波电路芯片，宽输入电压范围5.5V-36V，最大输出电流可达3A，带负载时纹波不到30mV，经过线性稳压芯片后电源纹波带负载时为3mV左右。电路原理图见附页。 （2）可调正负线性稳压电源 为了减小系统的供电电源电压的噪声干扰，提供系统模块需要的供电电压值以及功率，采用LM337和LM317正负三端子 1.5A 可调节正负电压稳压器为系统供电，开路纹波3mV以下，带电路负载纹波不到5mV。电路原理图见附页。 三、电路设计及程序设计 1.硬件电路设计 主要电路原理图见附页。 2.程序设计 系统软件设计分为正常测试和故障检测两大部分。主设计流程如图4所示。 file:///C:/Users/**istrator/AppData/Local/Temp/ksohtml/wpsE6F1.tmp.jpg 图4 程序设计框图
四、测试结果与误差分析 1.测试仪器清单如表1所示。 测试仪器清单 表1 2.输入阻抗测试测试方案：改变被测电路的部分参数（保证在放大区），根据题目要求所测阻值如表2所示。 输入阻抗测量 表2 输入阻抗计算值/Kfile:///C:/Users/**istrator/AppData/Local/Temp/ksohtml/wpsE6F2.tmp.png | | | | | | | 输入阻抗测量值/Kfile:///C:/Users/**istrator/AppData/Local/Temp/ksohtml/wpsE6F3.tmp.png | | | | | | | | | | | | | |
结果误差分析: 测量放大器电路输入阻抗误差来源于计算值本身的误差、放大器输入端施加电压信号幅值较小时噪声干扰、有效值检波电路检波误差以及采样电路线路损耗。 3.输出阻抗测试测试方案：改变被测电路的部分参数（保证在放大区），根据题目要求所测阻值如表3所示。 输出阻抗测量 表3 输出阻抗计算值/Kfile:///C:/Users/**istrator/AppData/Local/Temp/ksohtml/wpsE6F4.tmp.png | | | | | | | 输出阻抗测量值/Kfile:///C:/Users/**istrator/AppData/Local/Temp/ksohtml/wpsE6F5.tmp.png | | | | | | | | | | | | | |
结果误差分析：测量放大器电路输出阻抗误差来源于计算值本身的误差、放大器输入端施加电压信号幅值较小时噪声干扰、信号经过放大器电路放大后正弦波型有一定失真、有效值检波电路检波误差以及采样电路线路损耗。 4.上限频率测试 测试方案：将放大器输入端信号改为信号发生仪器，手动改变信号源频率，放大器输出端接数字示波器，手动改变信号源频率，找出上限频率，与本系统自动测出的上限频率值相比较。其测试结果见表4。 上限频率测量 表4 结果误差分析: 放大器电路上限频率测量误差是因为放大器输入端电压信号在经过放大器放大之后波形有一定失真和峰值检波电路自身检波有误差，使得在放大器输出端测量输出电压信号时产生较大误差，影响上限频率测量。 5.放大器增益测试 测试方案：已知DDS信号源在放大器输入端电压信号幅值，用数字示波器测量1KHz频率时放大器输出端的电压信号幅值，求出增益后与本系统测量得到的增益值相比较。测试结果见表5。 增益测量 表5 结果分析: 放大器增益测量方法与测量上限频率类似，误差主要来源于放大器输入端电压信号在经过放大器放大之后波形有一定失真和峰值检波电路自身检波有误差，使得在放大器输出端测量输出电压信号时产生较大误差，影响增益测量。 结果分析: 五、总结 系统主要系统线性稳压电源、输入阻抗测量电路、输出阻抗测量电路、幅频特性及增益测量电路及故障检测电路组成。整个系统由正20V电源单电源供电。 通过DDS产生不同幅值频率的信号，输入待测放大器电路，可以较为精确测量放大器输入阻抗、输出阻抗、上限频率、增益及绘制幅频特性曲线，通过对放大器电路的输出信号中的直流及交流成分、输入阻抗、输出阻抗、幅频特性、增益的变化测量来分析电路产生故障的原因。工作可靠，完全满足题目中所有的基本和发挥要求，测量误差均在要求范围以内，且部分功能和测试经过接近理想值。 附页： file:///C:/Users/**istrator/AppData/Local/Temp/ksohtml/wpsE6F6.tmp.jpg 图5 系统总体电路图一 file:///C:/Users/**istrator/AppData/Local/Temp/ksohtml/wpsE707.tmp.jpg 图6 系统总体电路图二
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