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【风采汇】19电赛d题 简易电路测试特性仪

  • 2019-11-08 17:13
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  •  1.设计内容中文摘要

         设计实现电路特性的测试,其中包含测量功能和故障检测功能。设计中以STM32单片机为主控,首先对被测信号电路中输入输出阻抗、增益、幅频特性等参数测量进行电路设计,根据Ui、U0、Uo’ 的有效值测量,通过主控AD采样并进行算法处理,最终显示输入输出阻抗、增益、幅频特性结果,且在故障检测功能中显示电路中的故障。

    2.设计方案工作原理

    2.1预期实现

    目标定位以STM32单片机为控制和数据处理核心,利用小信号放大电路、有效值检测电路等模块制作的简易电路特性测试仪,可以实现参数测量和故障检测功能。

    2.2技术方案分析比较

    (1)信号源模块方案一:直接数字合成法(DDS).该方案采用DDS芯片AD9854不仅可以产生不同频率的稳定的正弦波,还可以控制幅值大小,频率分辨率高,易于控制,电路简单易行。方案二:利用锁相环(PLL)进行间接频率合成。压控振荡器可以通过控制电压产生相应的振荡频率,用锁相环将压控放大器输出的频率锁定在所需频率上。PLL保证输出频率的稳定度和精度,但调试难度大。综合考虑,采用方案一实现正弦信号发生器,处理方便,稳定性好。

    (2)输入和输出电阻测量模块的设计输入电阻和输出电阻模块根据测量理论分析得知,其检测需包括一个小信号电路放大模块和有效值检测模块①小信号电路放大主要实现对信号源进行放大,由于输入信号较小,不宜测量,因此放大后能够得到准确的测量值,为此设计出如下以满足要求。方案一:采用OPA350高速单电源轨道运算放大器,拥有低噪音,低总谐波失真,噪声,单位增益稳定等特点,但是由于衰减过快,导致理想增益很难实现,从而影响精度。方案二:采用OPA365芯片,其是一种低噪声的小信号放大模型。提供精确的增益,在温度和电源电压变化时有很高的稳定性,且在题目要求下不会衰减,完全可以满足本方案的要求。综合考虑,选择方案二,可以达到题目要求的小信号放大。②根据测量理论分析得知,输入输出电阻和增益的测量,其本质即为Ui、U0、Uo’ 的有效值测量,因而选用合适的有效值检测电路来实现功能,制定如下方案:方案一:采用OPA820芯片,低噪音高速放大器,增益带宽积广,理论仿真满足题目要求,但是实际操作使用芯片过多,实际测量中经常出现错误,并且成本也有些昂贵。方案二:采用LF353芯片,高输入阻抗,较高的带宽增益,经典电器元件,但实际连接电路过于复杂,极其容易自激。方案三:使用AD637模块构成的有效值测量电路。AD637是一个完整的,高精度单片RMS-to-DC转换器。可以计算各种复杂波形的真有效值。使用简单,调整方便,稳定时间短,读数准确。而且成本低,稳定性高。综合考虑,选择方案三,可以达到有效值准确检测的效果。

    (3)幅频特性测量模块的设计方案一:点频法。由单片机控制DDS产生一个扫频信号,同时由单片机控制AD在频率发生改变进行对输入输出电压进行采样,将得到的数据进行数据处理,得到对应频率下的增益,当增益为-3dB时,对应的频率即为上限频率。方案二:扫频法。频率源的输出进行连续扫描,测出各频率点上的频率特性并显示曲线。综合考虑,选择方案二,可以达到幅频特性输出的要求。

    2.3系统原理分析及整体方案

    (1)测量原理分析①输入电阻检测方案信号发生模块DDS能稳定输出幅值确定的正弦波,设DDS输出电压为US,经过分压电阻RS后,信号输入被测电路,此时输入被测电路的电压为Ui,通过AD637可以测得,因此通过公式:                                

    QQ截图20191108163840

    可计算出输入电阻Ri。

    ②输出电阻检测方案使用伏安法原理,测量开路时输出电压Uo和接上负载RL后的输出电压Uo’,通过公式:

    QQ截图20191108163850

    可以测得输出电阻Ro。

    ③增益的测量通过之前测量Uo和Ui,即可计算出增益。

    ④幅频特性测试方法由DDS输出一个频率自动变化幅值不变的正弦信号,频率每改变一次,AD去采样Uo与Ui一次,然后计算GAIN=20 x lg(Uo/Ui);起始时,频率步进大一点进行粗略的扫频,(频率每改变一次,将计算得到的增益与相应的频率存入数组,)当增益在-3dB附近时,调小步进,进行细致扫频,(频率每改变一次,将计算得到的增益与相应的频率存入数组),当计算的增益为-3dB时,对应的频率即为上限频率。

    ⑤故障分析电路的设计通过对电路的多次采样,当被测电路的电阻或电容改变时,采样的数据也会随之变化,通过主控中的算法设计,可以根据不同的变化判断电路发生的故障,具体流程详见软件部分。

    (2)系统整体方案根据题目的要求充分考虑各种因素,制定了整体设计方案:以凌智单片机STM32f103为核心,完成各个方面的功能:采用DDS专用芯片AD9854产生正弦波;小信号固定增益放大器OPA365增大幅值;基于AD637的有效值检测电路来检测有效值;单片机控制A/D采样模块,采样并经过算法处理后显示数据。整体的系统设计框图如图1所示。 

    QQ截图20191108163901

    图1 系统设计框图

    3.核心部件电路设计

    3.1信号产生模块 DDS是一种把一系列数字形式的信号通过数/模转换器转换成模拟量形式的信号合成技术,即利用高速存储器做查询表,通过高速数/模转换器产生已经用数字形式存入的正弦波。AD9854可以产生正弦波、三角波、方波,输出幅度为0.5V。AD9854的DDS核具有48位的频率分辨率(在300M系统时钟下,频率分辨率可达1uHZ)。

    3.2信号源处理模块 以DDS作为前级输入的信号处理部分硬件电路,需要对信号进行一定的放大或缩小。为了方便进行有效值检测以及AD采样,配合固定增益为-10的OPA365电路模块,可以实现小信号的放大以实现目标。电路原理图如图2所示。

    QQ截图20191108163910

    图2 OPA365小信号放大模块

    3.3有效值检测模块

    AD637是一个高精度单片真有效值转换器,可以计算各种复杂波形的真有效值。使用简单,调整方便,稳定时间短,读数准确。实际应用中唯一的外部调整元件为平均电容Cav,它影响到输出稳定时间、低频测量精度、输出波纹大小。其电路原理图如图3所示。

    QQ截图20191108163921

    图3 AD637有效值检测电路模块     

    QQ截图20191108163928

                                 

    图4 继电器工作原理图

    3.5 A/D采样模块

    使用STM32f103自带的12位精度16位通道的A/D采样模块,通过单片机控制,无需外接AD采样芯片,不会增加电路出错的风险,且精度高,采集电压范围广,可编程数据率高。3.6继电器部分采用HK19F继电器,连接8050三极管,并联1N4007二极管。继电器有两组转换触点形状,高灵敏度线圈功耗仅为0.15W,其电路图如图4所示。 通过继电器控制负载是否接入电路,测量输出信号的有效值Uo和Uo’以测量所需要和R0,测量框图如图5所示。

    QQ截图20191108163937

    图5 继电器测量流程图

    3.7电路实现调试测试

    表1 不同Ui输入数据测量表

    QQ截图20191108163953

    4.系统软件设计分析

    4.1系统总体工作流程

    QQ截图20191108164001

    图6 系统总流程图     

                    QQ截图20191108164009

    图7测量功能流程图                 

    QQ截图20191108164015

    图8故障检测功能流程图

    系统总流程如图6所示,由图可知系统功能主要分为测量和故障检测功能两个部分,分别如图7和图8所示。

    QQ截图20191108164024

    图9 故障判断流程图

    4.2主要模块程序设计

          本系统中用STM32进行控制,主要实现电路特性参数的测试和故障检测。通过对AD9854的控制,实现信号输出给待测电路作为Ui,通过AD采样获取Ui、Uo、Uo’,并通过计算得到Ri、Ro和Au,在显示屏上设计友好的人机界面,显示测量结果;在幅频特性测试中,通过单片机控制DDS的输出频率在带宽内变化,并根据相应的计算得到与频率相对应的增益值,从数组中取出最大增益值,并和数组中的增益值进行比对,从而得到其上下限截止频率的值,同时在屏幕上显示出幅频特性,显示出上下限截止频率;在进行故障检测时,采样数据会与之前的采样数据做比对,从而分析出故障原因。故障的判断主要分为电阻故障和电容故障两个部分。通过Au,FH,FL,Ui,Uo等参数的变化进行判断。如图9所示。

    5.竞赛工作环境条件

    5.1设计分析软件环境

    (1)单片机开发环境:Windows 10,Keil uVision5

    (2)笔记本电脑显示开发环境:Windows 10

    (3)模拟电路设计:Altium Designer9;Mutisim10

    (4)其他:Matlab,Office.

    5.2仪器设备硬件平台

    (1)万用表(2)SIGLENT SPD3303S电源(3)NDY EE1635任意波/函数信号发生器

    (4)UNI-T UTD2102CM DIGITAL STORAGE OSCILLOSCOPE示波器

    6.作品成效总结分析6.1电路特性测量由于在该电路实际仪器测量时,和理论值有时误差较大,因此采用仪器测量值作为理论计算值。

    (1)电路特性测量性能指标(Ui有效值为10mV,频率为1kHz)

    表2 更改元件R1=50kΩ时参数测量

    QQ截图20191108164035

    表4 更改元件更改元件R2=18kΩ时参数测量

    QQ截图20191108164045

    表5 更改元件C2=56μF时参数测量

    QQ截图20191108164103

    (2)故障判断(由于篇幅限制,论文只显示部分)

    表6故障原因检测表故障原因

    QQ截图20191108164113

    7.附件材料

    QQ截图20191108164123

     

    图10硬件实物电路

               作为一个第一次参加电赛的小队,比赛之路真的是很坎坷了,在比赛中,队员之间一定要相互信任,很多问题无法提前预测。

                 在比赛前我们只练了两道题,很多步骤不是很熟练,我们想法是完备的,但是最后还是砍了波形显示功能。

                  比赛中我们的电路经历了两次推翻,原因都是过于复杂,对芯片的使用不熟悉,导致无法发挥芯片应有的功能,这个时候要从最基本的原理开始,整合之前的方法,把分散的功能集中起来,化简电路的复杂程度,提高容错率,比赛中我们就暴露了队员对芯片种类的知识储备量不够的问题,本来一个芯片可以完成的功能,要三个芯片才能解决,还提高了单片机程序的复杂程度,使工程量增加,为此我们耗费了两天时间简化系统

    不然最后真的没有结果还浪费了一个暑假。最后因为这个问题耽误了很多时间,把自动连续检测和波形显示功能砍了,要是把报告里的东西全做出来,还会有更高的成绩,有兴趣的小伙伴如果自己没思路的话,可以自己动手试试。

                 

                 

                

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  • 电源网-璐璐

    LV.1

    2019-11-11 13:08

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    很棒很棒~期待后面的内容让我们学习学习

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