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简易电路特性测试仪（D题） 摘 要 本报告介绍了简易电路特性测试仪的设计方案与设计要点。本系统以Arm Cortex M4微处理器作为核心控制器件，使用AD9850 DDS模块作为信号发生器，通过控制继电器与模拟开关的通断，测量在不同状态下已知标称电阻接入与否对测试点的电压影响，计算得到待测电路的输入电阻、输出电阻、增益、频谱特性信息。此外，通过特定错误检测信号的补充，使得测试仪能够在待测电路发生错误时，通过对既有测试点的幅度、变化趋势进行检测，对错误类型做出判断。测试时可通过M4外接触摸屏进行操作输入和结果展示。
一、系统方案 1、输入信号发生模块设计 为了对待测电路进行有效的分析，需要产生一个能够使待测电路工作在可控状态下的小信号作为整体输入，通过测量信号的变化与后级输出比较得出待测量。 方案一：采用Nexys3 FPGA板卡查表生成SPWM经滤波后得到正弦波输入信号，经过100倍衰减网络后作为输入。 方案二：直接使用AD9959 DDS模块，通过控制频率与幅度控制字，直接输出小信号至输入端。 方案三：使用AD9850 DDS模块，经由一个精度较高的衰减器，作为待测电路的输入信号。 为了使得待测电路正常工作在线性区，输入信号必须保持在十毫伏量级。在测量电路特性过程中，由于需要尽可能准确地测得输入小信号幅度，对其缩小倍数的精确程度又存在着较高的要求。方案三中的AD9850 DDS模块操作更为简易，可直接输入控制字方便地产生规定频率的信号，电路结构相较其他模块更易操作，因此选择方案三作为信号发生方案。其最小可靠输出信号幅度为80mVpp，不能直接作为输入信号。因此使用高精度电阻制作一个二十倍衰减器，使得DDS模块输出的较大幅度信号能够作为直接输入进入待测电路。由于衰减器倍数确定，因此可将DDS模块的输出值进行采样，除以衰减器倍数，即可认为是当前待测电路的输入。 2、输入输出电阻测量方案设计 常见的电路输入输出电阻测试方案中，通常将电压作为表征电阻大小的测试量进行间接测试。通过接入一个已知大小的标称电阻，测量接入前接入后特定测试点的电压变化，通过计算即可得出对应的输入输出电阻值。 方案一：通过多路模拟开关在输入端串联接入指定大小的高精度标称电阻，在输出端以类似形式并联接入标称电阻。通过在接入点前使用M4 ADC测量电压峰峰值得变化，进行比值换算，即可得到当前电路的交流电阻。 方案二：通过多路继电器的开关控制进行类似于方案一的标称电阻接入与断开，计算得出电阻值。 方案三：采用混合方案，部分使用继电器，部分使用模拟开关，控制不同测试点标称电阻的接入与断开，使用M4板载ADC进行采样计算，得到电路的相关指标。 实际电路制作中，发现方案一与方案二各有利弊。模拟开关可以保证高速切换，但其自身电阻约为300欧姆，在部分情况下会对测量精度产生影响。继电器保证了测量器件对测量精度的影响有限，但其切换速度较慢，需要近50毫秒的延时才能确保完成当前切换操作，成为了系统计算过程的主要时延。综合两种方案，本系统使用混合的切换策略，在部分精度要求较高的测量点使用继电器，在其他需要进行切换的测量点使用模拟开关HEF4052作为切换方案。 3、待测电路增益与幅频特性测试方案 待测电路增益可通过直接测量输出电压与输入电压经过衰减器之前的实际采样值，经计算得出放大倍数。测试幅频特性时，则通过扫频方式得到各个测量点的放大倍数，挑选一段平坦带内的平均值作为标准值进行比较，得到上限频率值。 方案一：使用连续扫频信号源进行扫描得到各个频点的电压有效值，进行逐点描线。 方案二：挑选不同密度的频点间隔进行扫描记录。 结合电路特性与变化率，选择方案二节约扫描时间。 4、电路错误检测方案 不同的错误发生时将伴随待测电路输出信号幅值、输入输出电阻与增益的变化，错误检测时考虑使用相关变化互斥判定具体错误位置与原因。 方案一：沿用基础部分的测试结果，分析其输入电阻、输出电阻、增益等特性之间的互斥关系，得出错误结果。 方案二：增加新的专用测试信号，专用于检测部分特定错误。 经过实测分析，发现基础部分的测试结果并不能完全互斥判定错误的内容。因此添加专用的1.5Vpp正弦测试信号进入待测电路，从而完成所有错误的判断。
二、理论分析与计算 通过理论计算和实际电路仿真，考虑到电阻电容客观存在的误差，估算得出待测电路的幅值增益约为125倍，为避免输出信号截止影响后级检测，实际输入信号幅度定为20mVpp。 根据公式，待测网络的理论输入阻抗Rin约为3kΩ，理论输出阻抗Rout约为2kΩ，待测网络的β范围则在几十至数百之间。 图1 待测电路 Multisim 仿真示意图 在输出端使用一个开关并入一标称电阻Rd，测量其开路和接入时时开关端电压u11与u12，可得输出电阻Rout为： Rout=Rd(u11/u12-1) (1) 已知衰减网络衰减倍数为20倍，测量进入衰减网络前的信号峰峰值u21，测量待测网络输出信号峰峰值u22，可得待测网络放大倍数为 G=20*u22/u21 (2) 实际测得待测电路放大倍数G后，在输入端接入一与开关并联的标称电阻Re，测量其接入时电压为u31，直连时电压为u32，可得到待测网络的输入电阻为： Rin=u32*Rd/u31 (3) 三、电路与程序设计 1、电路设计 系统总体设计框图如下。通过选路器选择不同的信号，分别在正常情况及错误判断阶段循环输入待测电路输入端，接收经由待测电路返回的电路特性信息。进入测试仪后分两路分别接收计算其输出电阻的相关信息与含直流的整体输出信息，进入单片机板载ADC进行采样，提取包络信息及误差测试量，在触摸屏上进行人机输入输出交互与显示。
图2 测试仪整体系统框图
图3 选路器PCB图 2、程序设计 故障判断逻辑如下：设电路正常工作时，幅频特性的下限-3dB频率点表示为fL，上限-3dB频率点表示为fH，通带典型频率（通常取1KHz）点以fM表示。 工作正常时，规定用于测试的信号幅度，通过实验记录电路在UO处，关于fL、fM、fH的交流输出峰峰值，分别记作UL0、UM0、UH0；以及三者近乎相等的直流输出，记作UDC0，都用于在发生故障时的分析参照。而日常测试时，与以上有关的所测得输出电压以符号UL、UM、UH和UDC表示。 另，针对C1容量是否加倍的问题，制定测试方法，记录在C1正常取值时，充电过程关于时间的电压变化斜率Vchg，记作如3.773/20ms形式。 确保被测电路供电足够稳定，比如以下讨论时假定其为12.0V。 图4 故障分析决策树 四、测试方法与测试结果 1、测试方案 测试仪器： RIGOL DS4022示波器，GWINSTEK GPD-3303D直流稳压电源，RIGOL DM3058数字万用表 2、测试结果 表1 单独指标测试点结果 表2 输入信号1kHz 18mVpp时的幅频特性
图5 待测电路实测幅频特性图 五、结语 本电路特性测试仪使用M4作为控制器件，设计三路测试信号，分别经待测电路得到输出，测得待测电路的输入电阻、输出电阻、增益与频谱特性。错误检测信号的加入使得仪器能够分辨不同位置的错误原因，达到了测试要求。
------------————————————————————--赛 后 感 想----————————————----------------------- 电赛是一次对理论知识、制板能力、代码能力和体力的多重考验，时间分配也是其中十分重要的一环。 尽管看到今年的题目有点意外，但是较充分的赛前的训练让我们冷静下来，好好分析题目。我们的目标很明确：合理分工（轮流熬夜），确定总体方案后把硬件尽早搭出来，再把代码调出来。 我们首先搭出了待测电路，结合理论知识分析其各项基本性质（增益、频带等），以及在各种故障情况下的电路特性。 在此基础上，我们制定了系统的总体方案，利用决策树判断各种情况。在比赛的前两天好好理清系统方案是非常必要的（毕竟前两天没有通宵脑子还好用），这个方案定下来了就不要轻易再改动。 总体方案设计上，我们使用 AD9850 作为信号发生器，使用继电器和模拟开关配上各级调理电路，使得不同的信号能在正常情况及故障检测状态下分别输入待测电路输入端，由单片机板载 ADC 分别对待测电路的输入端和输出端各信号进行采样接收，获得各点的电压值。在正常模式下计算电路的输入输出电阻以及扫频增益；在故障检测模式下利用决策树分析电路的状态。
后两天的主要任务就落在了软件部分，硬件的同学开始写报告和刷备用板。负责软件的同学后两天基本是不眠不休地写代码（此处夸赞他，并夸赞轮流熬夜的必要性）。这次的比赛如果说有什么问题，就应该是前期硬件做得不够快，给软件留的时间不够多。
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