2019大学生电子设计竞赛—简易电路测试仪及2020TI杯邀请赛校内选拔—差分放大测试装置题目解析

   在十天之前，刚做了2019年大学生电子设计竞赛的题目—简易电路特性测试仪，然后在三天前参加TI杯邀请赛校内选拔赛，题目就是国赛题的改编，只不过多了很多其他要求。为此，这期的题目解析就把这两道题放一起来进行赏析。Let's begin！

一、题目再现

2019年大学生电子设计竞赛：

（1）测量放大电路的输入电阻：输入1kHz正弦，误差不超过10%

（2）测量放大电路的输出电阻：输入1kHz正弦，误差不超过10%

（3）测量放大电路的增益：输入1kHz正弦，误差不超过10%

（4）测量放大电路的幅频特性曲线：显示上限截止频率，误差不超过25%

（5）判断放大电路故障：能正确判断电阻短路、断路，电容开路，电容增大两倍，且测试时间不超过2s

2020TI杯邀请赛校内选拔赛：

（1）按照题目所给，搭建差分放大电路，能具有较高的共模抑制比

（2）测量差分放大电路的放大倍数：输入1kHz正弦，误差不超过10%

（3）测量差分放大电路的输入电阻：输入1kHz正弦，误差不超过10%

（4）测量差分放大电路的幅频特性曲线：显示上限截止频率，能够显示从100Hz到1MHz增益，误差不超过10%

（5）测量差分放大电路的传输特性：输入直流-100mV-100mV，测量Io（=Ic1-Ic2）~ui（=ui1-ui2）特性曲线

（5）产生直流-100mV到100mV，步进1mV可调；交流差模信号100Hz~1MHz可调，0~50mVrms可调；能测量输出信号波形并显示

二、2019国赛题题目解析

（1）具体电路参看上传的Multisim电路图，注意输入信号大小不能让放大电路饱和，否则一切测都没用！

（2）图中的开关都代表的继电器，型号是G6K-RF，这是一个高频的继电器，价格比较昂贵（从之前的板子上拆下来再用的，换成其他继电器没有问题）

（3）输入接5V，然后输出级C端接地是为了测量电容电压的上升时间，从而测量电容容值大小（有极性的电解电容短时间是可以承受反压的），TLV3501在电容电压从0V上升到1.6V时输出翻转，单片机获得从接入5V到电平翻转的时间，从而获得充电回路的时间常数，进而获得电容容值

（4）改进：在测量输入电阻时通过测量接入电阻与否时输入端的电压值，进而获得输入电阻阻值，其实大可不必这样，因为输入端有隔直电容，所以电阻是否接入不会改变电阻的静态工作点，也就不会改变静态ib，所以也不会改变，所以输入电阻也就维持不变，那么其实可以采用只测量输出电压的变化，在放大倍数不变的情况下可以反推出输入到集电极的电压大小，进而得到输入电阻的大小。这样就可以省去测量电阻串入后入端电压的测量，省去了一个ADC，太妙了！！

（5）TL081用起来要小心，他的输出电压范围和负载有很大关系的，单电源供电时，接近0V的信号不能输入，接近电源轨的电压也不能输入（和所带负载有关，具体见器件手册那张图）

（6）ADC采样LTC1968的输出时，记得要等到它稳定再采，有效值检测的稳定时间和他的电容有关，电容越大稳定时间越长，但是测量更加精确

三、2020TI杯校内选拔赛题目解析

（1）首先需要搭建一个差分放大电路，注意三极管参数的对称性，应选用β值接近的三极管，集电极电阻也应经过校准，可以通过检测共模抑制比来检验参数是否对称。

（2）-100到+100mV直流产生：利用片内DAC产生0到2V的直流信号，然后利用TL081做一级跟随（注意，stm32内部自带的ADC输出不是低阻的，这一点要注意），然后通过一个电平转化电路变为-1V到1V，再利用10倍衰减转化到-100到+100

（3）正弦波产生：利用DDS芯片AD9854产生一路正弦波，然后通过ADA4528进行跟随（注意，这里的跟随需要偏置电压和偏置电流都很小，因为前级需要隔直电容和几十k的电阻，偏置电流过大会造成直流量的误差），再输入到INA2133差动放大器中实现与直流量的减法，这样出来就是两路差分信号，交流相位差180°，直流量为相反数。

（4）放大倍数测量：差动放大器输出到被测差分电路中，输出利用仪表放大器AD8253取出集电极的差模量，衰减隔直后再通过LTC1968测量有效值，这里的隔直是必须的，防止因为输入端直流量的不对称造成输出差模信号中存在直流成分，进而影响对正弦波有效值的测量

（5）输入电阻测量：因为输入端没有隔直电容，电阻的加入会导致输入电阻的变化，但是这种变化是比较微弱的，精度要求不高可以采用之前的测量方法

（6）幅频特性测量：类似

（7）差模传输特性：直流量不断变化，通过测量差模输出直流量得到差模传输特性，此时差模直流信号的测量通过另一路电平提升后直接送入ADC中实现。

（8）波形复现部分：低频的波形可以通过ADC直接采样实现，频率较高的情况下利用欠采样技术，具体程序见 https://download.csdn.net/download/qq_42031914/12785928

（9）全部电路图已经上传。