2019年全国大学生电子设计竞赛试题简易电路特性测试仪（D）题设计报告

2019年全国大学生电子设计竞赛试题设计报告

简易电路特性测试仪（D 题）

摘要
本设计对已知放大电路进行数据处理及故障判断分析，并将结果及原因显示。系统以STM32F407为主控器，由STM32F407内部的AD/DA转换模块构成的正弦扫频信号发生器产生所需信号，通过TL064对产生的信号进行同向放大、跟随得到稳定的信号，对被测放大电路进行实时测量。其测量结果送至JLX177液晶显示电路，通过按键与单片机系统交互，可以显示出不同状态下的故障判断结果。AMS1117稳压管满足整个电路的3.3V和5.0V电压需求。

关键词：电路特性测试 STM32F407 TL064 AD/DA转换

1 方案论证

本设计主要由控制系统、信号发生模块、键盘显示模块、电源模块组成，下面主要论证控制器、信号发生模块、按键显示模块。

1.1 单片机控制模块方案

方案一：采用最常见的单片机8051作为主控芯片，其主频范围在11~32MHz范围内可选择，同时具有32个I/O口，价格合适。
方案二：采用STM32F407最小系统，它具有高性能的32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器。供电电压为2.0V至3.6V一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。
综合比较，本设计最终选择功能更为强大的方案二。

1.2 正弦信号发生模块方案

方案一：采用直接数字式频率合成(DDS)。DDS具有带宽很宽，频率转换时间极短(小于20μs)，频率分辨率高，全数字化结构便于集成等优点，但其外围电路复杂，并且存在杂散噪声。
方案二：采用STM32F407内部AD/DA转换模块。它具有最高168M主频带。内存较大，含1024K的 FLASH和192K 的SRAM。具有强大的时钟系统4~26M的外部高速晶振，内部16MHz的高速RC振荡器内部锁相环，频率转换时间极短。3个12位AD， 2个12位DA。
为全面实现题目的要求，选择方案二作为正弦波扫频信号发生器的核心，实现高速、高精度、高稳定性的正弦信号输出。

1.3 按键显示模块方案

方案一：采用12864LCD与矩阵键盘组合。它是一种常用的单色图形液晶显示器，可完成图形显示，也可以显示8×4个汉字或者显示16×4个ASCII码。
方案二：采用JXL177-00608LCD与独立按键组合。JXL177-00608LCD是一种彩色图形液晶显示器。它有160×128个点阵，160个列信号与驱动IC相连，128 个行信号也与驱动IC相连。低电压低功耗是其显著特点。
综合比较，JXL177的功能更为强大，价格合适。独立按键节约资源，所以采用方案二。

1.4 系统总体方案及框图

综上描述本设计方案为：以STM32为主控板，以JXL177-00608LCD与独立按键组合为交互方式，控制AD/DA转换模块进行扫频。

图1. 1 系统总体框图

2 原理分析与计算

2.1 测量理论

2.3 增大电容分析

3 硬件电路设计

3.1 电路特性测试电路

如图3.1所示：电路特性测试电路工作包含两个流程。一是输入电阻的测量：STM32提供的信号源与J3接口相接，接入被测放大电路的输入端，与输入电阻形成串联电路。通过在电阻R22两端相接的电阻R20、R21之间电压差，得到输入电阻值。此处，当输入为直流时TL064为跟随器，为交流时为同向放大。二是输出电阻值的测量：J4与放大电路的输出端相接，输入到最小系统，与系统内部电压构成串联电路，R26为负载电阻，通过式（2.7）得到输出电阻。

图3. 1 电路特性测试电路

3.2 JLX177液晶显示电路

如图3.2所示：供电电路为JLX177提供3.3V的电压，以满足其工作电压需求，限流电阻进行电路保护。其功能引脚与STM32交互。

图3. 2 液晶显示电路

3.3 声光报警电路

如图3.3所示：声光报警指示电路由PNP三极管驱动蜂鸣器及发光二极管实现。单片机I0口控制三极管的基极，当单片机的I0口输出为低电平时，三极管导通，蜂鸣器的正极与电源接通，蜂鸣器通电发出报警声并且指示灯亮；当单片机I0口输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止报警指示灯灭。

图3. 3 声光报警电路

3.4 供电电路

如图3.4所示：AMS1117系列稳压器设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。其工作电压有多个类型，本设计选择3.3V与5V两个电压。在最大输出电流时，AMS1117器件的最小压差保证不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。

图3. 4 电源电路

4 程序设计

程序流程图如图4.1所示：上电以后，程序开始执行。主要包含两个功能：一是电量的测量显示；二是电路故障的判断。

图4. 1 程序流程图

5 系统测试

图5. 1 测试方法

5.2 测试结果与分析

（1）输入输出电阻、放大器增益测试结果如表5.2所示：

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