基于STM32的简易电路测试仪的设计

故障原因。主控板釆用STM32F103ZET6,实现整个电路的控制。该测试仪可以对故障电路进行单一故障的诊断。应用了电

压跟随器，使电路性能保持稳定。与人工检测相比，该设计具有灵活可控、可靠性高、智能诊断等优点。关键词：测试计量技术及仪器；智能仪器仪表；STM32；故障检测中图分类号：TM 392

文献标志码：ADesign of Simple Circuit Tester Based on STM32WU Kunyang, WU Guangdong, GAO Jian(College of Instrumentation & Electrical Engineering, Jilin University, Changchun, Jilin 130012 , China)Abstract: Based on the third generation electronic design automation ( EDA ) tools that are characterized by a high -level lan­

guage description, system level simulation and synthesis technology, in order to realize the diagnosis of internal faults of com­

plex circuits, a simple circuit tester based on STM32 is proposed. The tester acquires the voltage value required for calculation through AD acquisition, converts the voltage value into circuit parameters, and judges the cause of the fault. STM32F103ZET6

is adopted as the master panel to control the whole circuit. The tester can diagnose a single fault of the faulty circuit and uses a

voltage follower to keep the circuit performance stable. Compared with the manual detection, the design is of flexible control, high reliability and intelligent diagnosis etc.Key words: testing and measuring techniques and instruments；intelligent instrumentation； STM32； fault detectiono引言1. 2 双端电压调理模块的论证与选择方案一：CMOS模拟开关和TPS54062DGKR有源降压 随着大型仪器的普及，许多仪器的内部电路越发复杂。

芯片。CMOS模拟开关作为一种可控开关，有开关速度快、

电路故障的诊断难度也随着电路复杂度的提高而增加⑴。 功耗低、寿命长等特点，但是不能工作在电压或者信号幅值

为了简化复杂电路的判断过程，笔者设计了一款简易电路测 较大的场合，容易损坏，且需额外增加程序模块进行控制。 试仪。先通过理论分析，判断出各个故障带来的电路参量的

TPS芯片有着极大的电压转化范围，体积小、功耗低、集成度

变化情况，并以此为依据对电路故障原因进行诊断。很高，但是内部转化的函数关系不明确，会给后期的数据处

1方案设计与论证理带来困难。方案二：电磁继电器和无源降压模块。电磁继电器作为

1. 1 信号源的论证与选择十分常用的开关控制组件，能够适应大电压、大电流的工作 方案一：模拟正弦波LC振荡电路。借助文氏桥电路组

场合，控制方便，易于操作，但开关速度较慢、寿命相对较短。

成正弦波振荡电路，使用分立元件搭建虽然制作简单，但不

无源降压模块在本次方案设计中主要由电阻构成，利用电阻

便于调试，频率稳定度较差，失真度较高，难以达到高精度调 的分压原理将高电压降低到主控制器能够采集的范围，其转

节，也不能满足扫频所需要的快速频率调节要求。化关系十分明确，但转化范围相对有限。方案二:AD9910集成芯片。AD9910作为DDS芯片，内

综合比较，考虑到实际设计中对于开关转换速度和元件

置14位DAC,具有1GSPS的高采样率，频率分辨率低于0.

寿命的要求并不高，电磁继电器30 ms的转换速度以及10

23 Hz,频率变化速度极快，且能够实现程控电压幅度输出。万次的触点寿命满足设计要求。且被测电路输出信号幅值 在实际测试中，方案一由于反馈电压取自电容的两端，

接近15 V,远低于电磁继电器耐受电压，再考虑数据的后期

它对高次谐波的阻抗大，反馈也强，因此在输出波形中含有 处理以及成本等因素，选择方案二。较多的高次谐波成份，电路频率的平均稳定度⑵约为66 Hz/

1. 3 电压采集与处理装置的论证与选择h,输岀波形不理想。方案二则能实现高速的大范围扫频，且

方案一：FPGA采集和STM32处理与显示。FPGA工

频率平均稳定度为8 Hz/h,故选方案二。作频率极高，作为前端电路进行信号采集时具有高速度的特

作者简介：吴坤洋(2000-),男，本科，研究方向：航天光学遥感系统设计。

吴广栋(1998-),男，本科，研究方向：航天光学遥感系统设计。

高鉴(1999-),男，本科，研究方向：航天光学遥感系统设计。・75Microcomputer Applications Vol. 36,No. 4,2020研究与设计微型电脑应用2020年第36卷第4期点，但是受内部逻辑门阵列的数量限制，其数字处理的能力

表1测试电路故障原因判断有限，而STM32F103ZET6作为功能强劲的MCU,具有很强

故障原因判断依据故障原因判断依据的数据处理能力和良好的人机交互功能，故FPGA结合 STM32进行数字处理与显示可以同时兼顾二者的优点。Ri短路输岀电压约11 V 输入电阻约o nr4开路输出电压为12 V方案二：利用STM32进行信号采集、数据处理与显示。

STM32F103ZET6自身拥有3个ADC通道，这些ADC可以

R2短路输岀电压为12 V

C1开路输入电阻无穷大独立使用，也可以使用双重/三重ADC采样模式自行采集模

输入电阻约o n拟信号并实现模数转换，但是速度较慢，采样频率较低。r3短路输出电压为12 Vc2开路放大倍数约为1虽然方案一在工作频率方面更有优势，但由于设计指标 输入电阻无变化输出有直流偏置中对于信号采集速度的要求在2秒以内，STM32的ADC模块

R4c3开路放大器带宽 完全可以达到要求，且免除了 FPGA结合STM32时需要用到 短路输出电压 直流偏置减小明显变宽的SPI通信模块，在系统设计上相对简单,更容易实现。本着

输入电阻=R2

C1加倍低频放大倍数 系统设计精简有效以及成本尽可能降低的原则，选择方案二。Ri开路输出电压为12 V发生变化2系统理论分析与计算r2输出电压约为4 V低频放大倍数 开路c2加倍2. 1 信号发生器部分理论分析发生变化信号源发生的正弦波由DDS生成。DDS相位累加器的

r3开路输出电压约为0 Vc3加倍放大器带宽减小输出为线性增加的阶梯信号，经波形查询表后将相位信息转 化成相应的正弦波幅度信息，经数模转换器后输出近似正弦

3电路与程序设计波的波形，最后经过低通滤波器滤除量化噪声，得到平滑正

3. 1 系统总体框图弦波⑶。正弦波频率为系统总体框图，如图2所示。/ou, = k •人/2\"

（1）其中几5为DDS输出频率\"为二进制控制频率字，人为内 部参考时钟频率，N为相位累加器长度⑷。2. 2 双端电压调理部分理论分析如果信号源的输出过大，经过放大器放大后会发生失真

现象，经过测试，信号源的输出为10 mV左右即可，但

STM32在采集小信号时存在一定误差，故将信号源输出调

至500 mV,之后经过一个阻值较大的分压电路分出10 mV

的小信号输入给被测电路。另外，STM32的所能够采集的

电压最大不超过3.3 V,故测量输出部分也需要采用电阻分 压电路，但若直接采用电阻分压电路，会引入负载效应，导致 测量结果不精确，因此需要在电阻分压电路前加上一个电压

跟随器，减小负载效应带来的影响。3.2 输入端信号调理电路的设计2. 3 测试电路理论分析在前期理论分析和后期的综合调试过程中，我们发现

测试电路仿真电路，如图1所示。运用模电所学小信号 DDS产生的正弦波信号带有较高的直流偏置，同时由于正弦

模型进行理论推演，并结合Multisim软件进行仿真我们得到

波信号幅值较小，周围环境的噪声对其干扰也较严重，故此，

了被测电路的输入电阻（约为1.2千欧姆）、输出电阻（约为2 我们在被测电路输入端（即测试仪器输出端）添加了图3中

千欧姆）及增益（约为30）,如式（1）—式（3）。的信号调理电路，通过前端的RLC带通滤波电路滤去输入

R = Rl//R2//rhe

（1）信号中的高频干扰和宜流分量，同时为了增大信噪比，我们 Ro —

（2）采用了生成较大幅值信号并采样而后降压输入的方式，如图A =~ p—厂be （3）其中仏= 200+（1 + （3）严26⑸，推出了故障原因的判断条件如 上EQ表1所示。在理论分析过程中，通过对放大电路的仿真测试发现放

76Microcomputer Applications Vol. 36,No. 4,2020研究与设计微型电脑应用2020年第36卷第4期大电路输出信号幅值过大，超过了 STM32电压采集0〜3. 3

V的范围，故设置了电阻分压模块来进行等比例降压，同时

为了减小该模块对原放大电路输出电阻的影响，添加了 UA741运算放大器组成的电压跟随器。输出端信号调理电

路，如图4所示。图5幅频特性曲线显示表2电路参数测试结果测试次数123456实测R人/kQ1. 011.091. 041. 030. 991. 04相对误差/ %3.812.06. 895. 861. 756. 89实测R出/kQ2. 112. 031.921.852. 162. 08相对误差/%5.51.54.07.5&04.0程序分为电路参数测试模块、幅频特性测试模块和故障 增益363539384036判断模块三大模块。相对误差/%5. 37.92. 605. 25. 3首先启动电路测试模块。该模块有两大电路，分别对输 测试次数789101112入电阻和输出电阻进行测量。我们通过单片机输出高低电

实测R人/kQ0. 961.031.010. 981. 040. 97平控制继电器开关以切换两个测量电路，再根据分压原理分

相对误差/%1. 335.863.80. 766. 880. 31别求得输入电阻和输出电阻的阻值，并将数据显示在屏 实测R岀/kf)1. 982.132.071.921.872.03幕上。相对误差/%16.53.546. 51.5随后幅频特性测试模块开始工作。首先给予被测电路

增益373839364039稳定的电压，再通过DDS模块输出1 HZ-1 MHZ的正弦波，

相对误差/%2.602.65.35.22. 6主控板通过采集固定频率点位的输出电压并加以处理得到 表3故障判断测试结果幅频特性曲线。测试次数将数据采集完成后，启动故障判断模块。依次将输出电

123456压、输入电阻和输出电阻3个数据与给定阈值加以比对，并 实测R入/kQ0. 020. 980. 99无穷0. 991.02分析幅频特性曲线采样点位的数据是否与测试电路预期曲

实测R出/M2. 082.021. 972.011. 971. 99线点位一致。综合以上分析结果，单片机通过给定程序判断

实测U入/V2. 982. 972. 992. 982. 982. 99出电路故障原因将结果显示在屏幕上。实测U出/V2. 732. 980. 952. 992. 980. 014测试幅频曲线保持保持保持保持带宽保持不变不变不变不变减小不变4. 1 电路搭建故障原因Ri短路r3短路r2开路C】开路C3加倍r3开路由DDS产生的高速扫频信号接入输入端信号调理电路 检测结果Ri短路输入至被测黑箱电路双端输入端，黑箱输出端接入输出端调

r3短路r2开路G开路C3加倍r3开路理电路进行降压。单片机对输入输出调理电路进行电压采 结果显示，输入电阻和输出电阻的测量结果都能保持在

集，最终将测试结果输出到TFT屏幕上进行显示。实际电 平均相对误差为4%的范围内，幅频特性曲线显示良好，与理

路与仿真电路相同。论幅频特性曲线保持高度吻合。4. 2 测试方案4.5

问题及解决措施通过TFT屏实时显示被测放大电路的输入电阻、输出 问题一：电压采集过程中STM32测量误差过大。电阻、增益、上限频率等题目要求的电路参数，同步实时显示

解决方案：①给VREF+接入稳定的电压参考：由图6

被测放大电路的幅频特性曲线。供电图可知，存在VREF-和VREF+引脚，ADC是由这两个

4. 3 测试仪器引脚供电。ADC的电压采集范围为:VREF-数字存储示波器GD&2202A、信号发生器AFG2225、

+。给VREF+接入稳定的电压参考，那么使用ADC就能

数字万用表C9807A+、直流稳压电源GPS3303C。测量到精确的电压值。精度为12位(4096)的ADC,VREF

4.4 测试结果+参考为3 V,转换时间足够，得到的值是2048,那么采样对

按计算，理论输入电阻为0. 973 kQ,理论输出电阻为2

象电压就是1.5 Vo②通过校验单片机基准电压，TL431输

kQ,理论增益为38,电路参数测试结果如表2所示。进行故

出高精度的2.495 V到MCU(IC2)的第9脚进行AD采

障判断检测，测试六种故障情况，测试结果如表3所示，均判 样，已知TL431B标准输出电压是Vb=2.495 V,10 Bit =

断成功。幅频特性曲线，如图5所示。(下转第81页)77Microcomputer Applications Vol. 36 ,No. 4,2020930993

研究与设计微型电脑应用2020年第36卷第4期4总结本文主要介绍中介公司与保险公司对账的实现过程，为

了方便不同地区的经代公司结算人员使用，设计为E/S架 构，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系

统的开发、维护和使用。目前程序运行正常，但还有很多优

化点，随着保险业务的发展会面临更大的保单数量，所以后

续会在提高运行性能方面作优化。参考文献图4批次对账实现效果图开票实现如下图所示，有新增开票信息，批量审核，合并 开票三个功能，其中每个信息后面的操作可以对已开票信息

口] 王竹泉，盛中华.跨区分销企业的会计核算体系[J].会

计之友,2004(8):40-41.进行编辑。[2] 任广震，侯进，王献.MVC模式在E/S结构政务系统的

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5总结文中提出了一种基于STM32以及集成运放器件的简

511；则 AD _ value = 2495 / (5000 / 1024)；再利用 TL431B的输出基准电压反推实际VCC值。皈易电路测试仪。电路由DDS信号源、双端电压调理模块和

电压采集与处理装置等器件组成，价格低廉，简单可靠，且易 于实现。实验结果与理论分析及仿真结果一致，验证了所设

计仪器的可行性，为电测仪表等领域快速实现故障检测提供

了一种简易可行的方案。参考文献[1] [2] [3]

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图6供电图张林行，尚小虎，赵美聪，等.一种基于FPGA的DDS

信号源实现[J].微型电脑应用,2015,31(12):16-18.[5] 康华光.电子技术基础？模拟部分[M].(第六版). 北京：高等教育出版社，2006.问题二：测试仪器输出端和输入端信号调理电路对被测

电路的输入电阻和输出电阻影响较大。解决方案：场效应晶

[6] 侯志伟，包理群.基于STM32的多重ADC采样技术研 究与应用口 ]•工业仪表与自动化装置，2019(3)：

体管跟随器的转移因数接近于1 ( 0.999或更大)，且具有很 高的输入阻杭(几十到几百kM),通过电压跟随器减小级间

的相互影响，增强电路的稳定性。〔7]结合数据处理成功将相 对误差减小到5%的范围之内。[7]

28-32.谢直山，何自成.测量设备中的电压跟随器[J].电测与 仪表,1981(1):30-34.(收稿日期：2019.07. 28)・81・