一、理论分析与参数计算

图1

被测线路如图1所示。先将标准阻抗和待测阻抗串联，利用 DDS 对其施加一个正弦激励信号，然后通过高速ADC 采集 A、B 两点电压信号波形，通过定时器触发采样，通过DMA将所采集的数据从ADC的DR寄存器转移到一个变量中，完成一次采样。求出信号的频率和幅值等相关参数。幅值可以通过找出之前存储1024个点的数组中最大最小值，回归处理过后算出差值。FFT后的输出不是实际的信号频率，需要经过转换。f(k)=k*(fs/N)，其中f(k)是实际频率，k是实际信号的最大幅度频率所对应的数。

参数计算公式如下

二、系统总体方案设计

经过方案论证和讨论，最终确定该装置的仿真原理图如图2所示：

图2

如图2，连接AD9850模块和C51最小系统板：将AD9850模块的时钟线（SCK）连接到C51最小系统板的适当引脚。将AD9850模块的数据线（SDA）连接到C51最小系统板的适当引脚。将AD9850模块的片选线（SS）连接到C51最小系统板的适当引脚。确保连接正确，根据硬件和引脚定义进行连线。配置AD9850模块：使用C51最小系统板的GPIO接口通过SPI或其他通信协议向AD9850模块发送频率和幅度参数。参考AD9850模块的数据手册，使用适当的指令和格式配置模块以产生所需的正弦波信号。设置AD9850模块的频率为500kHz，并将幅度参数设置为1V峰峰值。确保通过适当的通信协议与AD9850模块进行正确的通信和配置。连接被检测电路：将负载网络中的电感、电容元件与被检测电路连接。确保正确连接元件的引脚，并提供所需的电源和接地连接。使用STM32单片机采集波形：将STM32单片机的引脚配置为输入模式，并连接到被检测电路的输出端。使用STM32单片机的ADC模块设置合适的采样率和分辨率。使用ADC模块采集经过被检测电路的正弦波输出的波形数据，并将数据存储到单片机的内存中。对比波形和参数：从单片机的内存中读取采集到的波形数据。使用适当的算法，比较采集到的波形与预期的500kHz、1V峰峰值的正弦波进行对比。可以使用均方根误差（RMSE）或其他比较方法来评估波形的差异程度。判断故障点：根据对比结果和预设阈值，判断负载网络中电感、电容元件的故障点。如果差异超过阈值，则表示相应的元件可能存在故障。可以根据差异的方向（频率偏高或偏低，峰峰值增加或减小）来判断元件故障的类型。

三、软件设计

软件部分主要需要完成控制DMA采样、DDS 输出正弦波频率、DMA采样、模拟开关和继电器切换，并完成数据分析及最终结果显示。

四、测试结果

经过测试，线路短路或开路，屏幕可以在 5s 内给出准确指示。测试结果如下:

l 误差分析及改进

AD9850模块精度误差：使用更高精度的信号发生模块，如AD9851或DDS芯片。进行校准，与已知准确信号对比并修正误差。

STM32单片机的ADC误差：使用更高分辨率的ADC模块或外部ADC芯片。进行校准，与已知准确信号对比并修正误差。

电路元件参数误差：使用高精度、低漂移和低温度系数的电感和电容元件。预先校准并记录元件参数值。在测量中考虑实际元件参数，并进行相应修正。

环境干扰的影响：优化电路布局和地线设计。使用屏蔽罩和滤波器减少干扰。增加采样点数或进行平均采样。算法和数据处理改进：使用复杂的波形匹配算法，如相关性分析或快速傅里叶变换。综合考虑多个参数进行判断，如频率、峰峰值和相位。

五、参考文献

[1] 华成英 童诗白 主编，《模拟电子技术基础》 高等教育出版社，2006 年;

[2] 康光华 主编，《电子技术基础》.模拟部分高等教育出版社，2006年;

[3] 赛尔吉欧 弗朗哥 主编，刘树棠等译.《基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计》，西安交通大学出版社，2010年;

[4] 聂广林 赵争召 主编，《电工技术基础与技能》,重庆大学出版社，2010年；