本人為團隊中負責(zé)硬件部分，為了準備2022年電賽，本隊伍已經(jīng)制作2019年和2021年電賽信號題，本次主要講解為2019年電賽D題硬件部分，少部分為軟件需要做的部分。后續(xù)會對整個硬件進行優(yōu)化和整理。

1.題目分析

1.1 題目要求：

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2 題目分析：

題目的硬件所確定的部分為一個分壓式放大電路，其中利用的9013 npn來進行反向放大。本次主要的難點為設(shè)計一個便于拔插的電路和設(shè)計一個電路檢測儀。

題目中基礎(chǔ)部分為需要設(shè)計檢測儀能夠檢測放大電路的輸入電阻、輸出電阻、增益和頻幅特性曲線由于設(shè)計的反向放大電路只有一個輸入輸出端口，所以不能采用一般的方式去求出我們需要的。我們必須采用其他方式來獲取我們所需要的。其中給出的電路是確定的，其中的輸入電阻、輸出電阻都是可以計算得出的，交流時候電容看作短路，其電壓置0 可得電路見圖2.1所示；? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(注：每個9013的放大系數(shù)是不同的，所以輸入電阻是不同的）

圖2.1? 小信號等效電路?

分析完確定的電路則需要分析需要測試的電路，其中要求測出輸入電阻，輸出電阻，放大增益，頻幅特性曲線，由于需要自身產(chǎn)生信號并且單片機進行采集。所以需要設(shè)計的電路為輸出電阻采樣電，輸出電阻電路分析，信號產(chǎn)生源模塊，ADC采樣電路。

2.1輸入電阻分析

由于待測電路只有一個輸入口，所以常規(guī)的利用歐姆定律采集電壓和電流是不可行的，本次我使用一個串聯(lián)的電阻，采集電阻倆端電壓，利用公式:? ?Us/ri? =? Ur/R 。 其中Ur為串聯(lián)電阻倆端電壓，可以利用倆個ADC采集數(shù)據(jù)，聯(lián)合公式 ri = （Us/Ur）* R標 便可以求出輸入電阻。具體設(shè)計見圖2.2所示；

圖2.2 輸入電阻電路計算設(shè)計?

?2.2 輸出電阻分析

?同理，由于輸出端口只有一個端口，不用利用簡單的外加電壓的方式求出其輸出電阻，并且由于輸出電阻是已知的，所以非常好用來分析誤差的大小。? ? ? ? ? ??

為了能夠得到輸出電阻，也是利用電壓的關(guān)系去求，電路 設(shè)計如圖2.3所示； 當不接電阻時求出其Uo‘ ，當接上負載時候求出其電阻倆端的電壓Uo“ ，利用電路的聯(lián)系?Uo’ = Uo”+Urs ，Uo"/RL =Io? ?Io* rs=Urs??則可以得到輸出電阻的公式：rs=[（Uo"-Uo‘）/Uo“ ]*RL .

為了軟件能夠更好的控制，利用一個繼電器來控制，當繼電器不工作的時候，ADC采集的為開路電壓及Uo’，當繼電器工作時，ADC采集的電壓為負載電壓大小為Uo”，利用自行設(shè)計的并聯(lián)電阻大小便可以計算出輸出電阻的大小。

圖2.3 輸出電阻設(shè)計電路?

2.3 增益分析

對于增益是非常的簡單的，將上面分析的Uo‘與串聯(lián)電阻的右端點（即是題目電路中的U1） 利用公式 AV=? -Uo’/U1? 利用ADC采樣得到的有效值相除便可以得到其增益的大小，其中最主要注意的其是反向放大，所以在公式需要添加負號。

2.4 幅頻特性曲線分析

幅頻特性曲線是以其頻率為橫坐標，以增益為縱坐標的曲線。其中電路中存在470pf形成了低通濾波器的效果，從而能夠?qū)㈩l幅特性曲線下降的曲線也能畫出。其中最主要的是找到其轉(zhuǎn)變的四個點如果能夠找到便可以很快的畫出曲線。部分曲線見圖2.4所示；

?圖2.4 頻幅曲線繪畫

2.5 信號發(fā)生源分析

基礎(chǔ)部分為產(chǎn)生一個1KHZ的正弦波信號，并且在測試幅頻特性曲線時，需要不斷改變其輸人頻率，所以需要一個信號產(chǎn)生源，本次電路選擇的為AD9833.模塊

其中AD9833內(nèi)部電路原理圖見圖2.5所示； 其中利用單片機SPI協(xié)議與AD9833的其中FSYNC,SCLK,SDATA.三個引腳所連接。利用正負12V供電。

其中注意的是AD9833輸出恒定為0.6V的電壓，只能改變其頻率。對于我們設(shè)計的放大的電路如果直接利用AD9833的電壓，那么我們的電路會發(fā)生失真見圖2.6，所以需要將AD9833的輸出進行濾波和衰減。

?圖2.5 AD9833內(nèi)部原理圖

圖2.6 電路0.6V輸出仿真?

2.6 ADC采樣電路分析?

為了采樣的精度足夠，采用外部ADC模塊，本次實驗采用的為AD7606可以采集正負電壓不需要對信號進行抬壓，但是為了采樣的精確性，需要對DDS衰減輸入的信號進行放大后進行采樣，由于放大后的信號發(fā)生了變化，AD7606不能滿足其精度，所以利用AD637模塊去提高采樣的精度，并且AD637可以將輸入的正弦波信號直接通過運算輸出有效值。

在實際電路中，軟件測試時，AD7606在采集串聯(lián)電阻倆端電壓時候，由于ADC轉(zhuǎn)換速率達不到題目要求，所以團隊改變原有的策略，將原來一路采用AD637變?yōu)槎嗦肥褂肁D637模塊

2.7 衰減信號電路分析

?由于DDS 信號源AD9833是輸出電壓恒定0.6V，頻率可調(diào)的信號，但是將0.6V的信號直接輸入到放大電路會造成雙向失真，于是需要將DDS輸出的信號進行衰減，可以利用三種方法：

2.7.1 電阻分壓衰減

經(jīng)過實際測試，為了使得輸入信號不會失真，輸出的信號為100—200mv之間較穩(wěn)定，于是利用常見的電阻分壓對電壓進行分壓，并且為了電路的穩(wěn)定性，將分壓的信號接跟隨器。電路見圖2.7；

圖2.7 電阻分壓衰減設(shè)計?

?2.7.2 PI型衰減網(wǎng)絡(luò)

π型衰減器主要作用是對信號進行衰減處理，同時進行阻抗匹配，阻抗匹配主要是為了調(diào)整負載功率和抑制信號反射?

R2和R3是相同值，其中需要衰減多少，大家可以在網(wǎng)上找一個pi衰減網(wǎng)絡(luò)計算器，將自己需要設(shè)計的衰減倍數(shù)輸入即可得到其電阻的大小，注意衰減網(wǎng)絡(luò)是以dB為單位需要進行一定換算，其這換算公式為? 20lg(N)? 其中N為需要衰減的倍數(shù)，本次電路中用的是該網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計見圖2.8所示；

?圖2.8 PI型衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.7.3 運算衰減電路?

可以利用運算放大器來設(shè)計衰減網(wǎng)絡(luò)，其中運用的為反向縮小，其中計算公式為：

U2= U1*(-RP1/R1)，可以調(diào)節(jié)其滑動變阻器從而得到所需縮小的倍數(shù)。設(shè)計電路為圖2.9所示；

注：為了電阻匹配其運算放大器的正極端需要設(shè)計一個補償電阻，具體大小為RP1//R1。當補償電阻設(shè)計不正確時，會出現(xiàn)交越失真。

?圖2.9? 運算衰減電路設(shè)計

2.8 繼電器電路設(shè)計

由于先前考慮用AD7606直接采集電阻倆端數(shù)據(jù)，但是顯示采用周期太久，達不到要求，于是利用?繼電器，將控制采樣的數(shù)據(jù)先后。繼電器模塊見圖2.10所示?

圖2.10 繼電器模塊設(shè)計?

3.整體原理圖設(shè)計

綜合以上分析，本次實驗主要設(shè)計便于拔插的利用四角排針，整體電路見圖3.1，圖3.2所示；

為了簡便操作將串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻一并設(shè)計進待測電路。

以 R1為例，當朓帽接24時則電阻正常接入，當朓帽接13時將電阻斷路，當都不接時將電阻斷路，其他類型分析，當電容分析時，不接跳帽時將電容斷路，接12或者34時，電容正常接入，當12和34全部相接時，電容加倍。

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?圖3.1 待測電路設(shè)計

圖3.2 待測電路pcb繪制

?由于AD637和運算放大器需要使用正負12V的電壓，所以使用電荷泵將12V轉(zhuǎn)為-12V，并且由于DDS輸出恒定0.6V電壓，需要進行降壓，在串聯(lián)電阻的電壓很小，直接利用AD637會出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)有誤，所以需要設(shè)計運算放大電路，具體設(shè)計見圖3.3，圖3.4所示；

需要注意的點為設(shè)計的運算放大的大小在實物測試中需要知道其具體大小才能便于軟件編程其計算公式部分，若不知道其運算放大的具體大小會影響其輸入輸出電阻的準確值。

圖3.3 電荷泵及運算放大電路原理圖

?圖3.4? pcb繪制部分

4. 硬件測試

在上軟件前需要將硬件各部分進行測試，其降壓電路，放大電路，運算放大電路，AD模塊的測試都需要利用其儀器進行測試，如果最理想的都不能測出來那么軟件是測不出來的。

需要測試的數(shù)據(jù)有：

1.電荷泵轉(zhuǎn)化電壓? ? 2.pi型衰減網(wǎng)絡(luò)衰減倍數(shù)大小? ?3.運算放大器放大倍數(shù)大小??

4.分壓式放大電路放大倍數(shù)大小? 5. AD637轉(zhuǎn)換有效值大小? ?6.故障分析其直流輸出大小

7.DDS輸出正弦波圖形和電壓大小? 8 .將各模塊連接后觀看其波形和電壓。整體聯(lián)合后波形測試見圖4.1所示；通過DDS產(chǎn)生的信號經(jīng)過各個模塊輸出波形較穩(wěn)定。

圖4.1 硬件調(diào)試過程

等到硬件部分各個部分都可以用的時候，就可以上軟件來聯(lián)調(diào)了。其中的輸入輸出電阻，增益，頻幅特性曲線都是需要配合軟件來聯(lián)調(diào)的，調(diào)試過程見圖4.2所示；

?圖4.2 軟件聯(lián)調(diào)

5. 故障分析

?為了分析故障最好的做法便是軟件仿真。，通過測量輸入電阻，輸出直流電壓和輸出電壓大小可以分析出對應(yīng)的故障，初步分析出故障可以通過以下辦法去判斷見圖5.1所示；

?圖5.1 故障分析結(jié)果

?文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-400063.html

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