2019年全国大学生电子设计大学（D 题）简易电路特性测试仪（1）整题思路方案分析

2019年全国大学生电子设计大学（D 题）简易电路特性测试仪，此题是特别经典的一道题，对于不选控制类题目的同学，这个题非要有必要训练一下，这个题综合性比起2021年E题收发器难度会差一些，但是还是很考验编程功底。

首先看题目要求：

一、任务

设计并制作一个简易电路特性测试仪。用来测量特定放大器电路的特性，进而判断该放大器由于元器件变化而引起故障或变化的原因。该测试仪仅有一个输入端口和一个输出端口，与特定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D - 2 / 3制作图 1 中被测放大器电路，该电路板上的元件按图 1 电路图布局，保留元件引脚，尽量采用可靠的插接方式接入电路，确保每个元件可以容

易替换。电路中采用的电阻相对误差的绝对值不超过 5%，电容相对误差的绝对值不超过 20%。晶体管型号为 9013，其 β 在 60~300 之间皆可。电路特性测试仪的输出端口接放大器的输入端 Ui, 电路特性测试仪的输入端口接放大器的输出端 Uo。

二、要求

1. 基本要求

1）电路特性测试仪输出 1kHz 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 1kΩ~50kΩ，相对误差的绝对值不超过10%。

2）电路特性测试仪输出 1kHz 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 500Ω~5kΩ，相对误差的绝对值不超过10%。

3）自动测量并显示该放大器在输入 1kHz 频率时的增益。相对误差的绝对值不超过 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%。

2. 发挥部分

1）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。任意开路或短路 R1~R4 中的一个电阻，电路特性测试仪能够判断并显示故障原因。

2）任意开路 C1~C3 中的一个电容，电路特性测试仪能够判断并显示故障原因。

3）任意增大 C1~C3 中的一个电容的容量，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。

4）在判断准确的前提下，提高判断速度，每项判断时间不超过 2 秒。

5）其他。

三、说明

1）不得采用成品仪器搭建电路特性测试仪。电路特性测试仪输入、输出端口必须有明确标识，不得增加除此之外的输入、输出端口。

2）测试发挥部分（1）~（4）的过程中，电路特性测试仪能全程自动完成，中途不得人工介入设置测试仪。

这个电路是个典型的三极管共射放大电路，并且题目在说明第三部分上明确要中途不得人工介入设置测量仪器，所以用我的指导老师的话来说就是，这是带人工智能的思想，要求全自动化。闲话少说，言归正传。

先看基础部分，基础部分是要求输入电阻Ri，输出电阻Ro，放大倍数Au，和幅频特性曲线，题目要求是1K的正弦波,输入电阻测量范围1K到50K，信号是用dds给出,我用的是9850，输出这个题目的正弦波绰绰有余了，9850出来以后经过放大电路，会有输出信号，9850的输出是已经知道的，只需要用ad测出输出信号即可得到放大倍数，

输入电阻

测量方法是在dds输出端串联一个电阻，记电阻过后正弦波的幅值为ui'，则Ri=（Ui−Ui'）/(Ui2∗R)。

输出电阻

空载输出时为Uo，带载输出时，为Uo'，则输出电阻为Ro=(Uo-Uo')*R/Uo'。

幅频特性曲线

幅频特性曲线x轴为坐标，y轴为放大倍数，通过dds变频率输出从而得到幅频特性曲线，并在stm32的lcd屏幕上显示出来。可以事先用扫频仪测量这个电路的-20db带宽，从而设置dds的频率，没有扫频仪可以手动测量，用信号源输入一个信号，手动改变频率和合适的幅值，然后手动测量-20db带宽。

已知题目用的三极管是9013，大概的放大倍数是150-300，因为信号经过放大后可能会出现失真的情况，但是如果前级幅值太小的话，噪声会比较大，所以选择放大倍数比较小的管子是比较好的选择。在做题之前，可以通过信号源，将放大电路的所有参数全部测量出来，再进行电路的设计，因为此题硬件方面没有难题，主要是在写代码的人身上。

对DDS信号源的要求为：输出1kHz、30mV正弦波信号时，能够不丢失信号分量的情况下经行后级电路级联，输出1kHz~1MHz扫频信号时，输出信号幅度值基本不损耗，低功耗性能，防止功耗过大对系统工作不稳定。

对输入和输出阻抗测量电路的要求为：测量输入输出电阻阻值和方法正确，能够较为准确的测量出输入输出电阻，电路要不影响前级信号与后级信号的传输。

宽带峰值检测电路的要求为：能够在扫频信号中测量出信号电压，且输出电压值变化不大。

图1-1系统设计框图

DDS芯片的选择

经过实测，9959电源电流300mA左右，9854电源电流600mA左右，考虑到被测网络12V供电。防止功耗太大使系统工作不正常，因为当时手头没有9854，退而求其次和老师要了一块9850也是可以的。

有效值检测电路的选择

使用AD637搭建有效值测量电路，该芯片所需外围元件少，频带宽，能计算任何复杂波形的真有效值、平均值、均方根值、绝对值，当输入信号大于1V时测量信号的频率上限高达8MHz，经实测。该模块速度慢。

自动控制过程的选择

方案一：采用继电器，测试输入阻抗时将测试仪后端用继电器短路，测试输出阻抗时将前端用继电器短路掉。继电器对电路系统整体影响较小。

方案二：采用模拟开关CD4053。经过实测，当CD4053的开关断开后，仍然会有20mv左右的信号被流过去，也就是说开关断不死，这20mv信号经过放大电路后影响就比较大了，所以采用了继电器。

这里再说明一下放大器幅频特性测量方法，因为输入电阻输出电阻特别简单就不再赘述了。

对阻容耦合放大器，由于耦合电容及射极电容的存在，使随信号频率的降低而降低；又因分布电容的存在及受晶体管截止频率的限制，使随信号频率的升高而降低。仅中频段，这些电容的影响才可忽略。描述与f关系的曲线称为RC耦合放大器的幅频特性曲线

图中，AV=0.707时所对应的和分别称为上限频率和下限频率，B称为放大器的通频带，其值为B=fH-fL。

本系统幅频特性是利用DDS芯片产生从1kHz到1MHz的信号，然后利用单片机采集峰值检测电路处的对应频率电压幅值，然后在显示屏上描点得到放大器幅频特性曲线。

这就是基础部分的全部了，接下来再说发挥部分，经过仿真与实测，发现仿真与实际结果会有些偏差，导致我一开始判断故障时，故障会胡乱进入，也不知道是因为什么问题，可能是仿真时哪里没有注意，就说实测结果吧。

（1）R1开路，静态工作点截止，输出电压为+12V左右；

（2）R2开路，静态工作点偏饱和，但是三极管仍然导通；

（3）R3开路，三极管截止，输出电压为0V左右；

（4）R4开路，静态工作点截止，输出电压为0V左右；

（5）R1短路，三极管饱和，输出电压4V左右；

（6）R2短路，三极管截止，输出电压12V左右；

（7）R3短路，三极管工作在放大区，输出电压为12V左右；

（8）R4短路，三极管截止，输出电压为12V左右；

（9）C1开路，特定放大电路静态工作点正常，没有输入信号，输出电压稳定在7V左右；

（10）C2开路，引入了深度负反馈，电压放大倍数下降；

（11）C3开路，主要影响了上限频率，所以C3开路，根据仿真得到上限频率从200KHz上升到1.2MHz左右；

（12）C1放大为两倍，根据理论分析，C1主要引起下限频率，由仿真得到下限频率从125Hz下降到120Hz左右；

（13）C2放大两倍，根据理论分析，负反馈减弱，输出电压增益增大了一点；

（14）C3放大两倍，根据理论分析，上限频率下降。

一共是14个故障，分析如上，根据上述分析，从而从输入电阻，输出电阻，放大倍数，幅频特性曲线的上限和下限的变化从而区分各个故障。

这就是大概整体思路，从下一篇（2）开始，我将把求得的东西代码和硬件放到一块，一分一分的得，以免混乱。