畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-集成運(yùn)放參數(shù)測(cè)試儀

1、集成運(yùn)放參數(shù)測(cè)試儀作者賽前輔導(dǎo)教師： 文稿整理輔導(dǎo)教師： 摘要本系統(tǒng)是基于SPCE061A單片機(jī)的運(yùn)算放大器閉環(huán)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用輔助運(yùn)放測(cè)試方法，可對(duì)運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、交流差模開環(huán)電壓增益和交流共模抑制比以及單位增益帶寬進(jìn)行測(cè)量，并具有將測(cè)試數(shù)據(jù)打印輸出的功能。利用DDS芯片AD9851實(shí)現(xiàn)了40kHz4MHz掃頻輸出，并具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)測(cè)量功能和良好的人機(jī)交互性。AbstractThis system is designed based on SPCE061A microcontroller to measure the close loop parameter

2、s of the amplifier. The system can measure the input offset voltage、the input offset current、the open loop AC differential mode voltage gain、the AC common mode rejection ratio and unit gain bandwidth，using the measure method of assistant amplifier. What is more, data printing is completed in this sy

3、stem. The system can generate sweep sinewave singal with frequency range from 40 kHz to 4 MHz, using the DDS chip of AD9851. SPCE061A microcontroller can control relays to complete auto measurement range switching and auto measuring.一、方案論證與比擬1運(yùn)放參數(shù)測(cè)試電路方案一： 采用集成運(yùn)放參數(shù)的定義設(shè)計(jì)測(cè)試電路。該方案原理簡(jiǎn)單，電路簡(jiǎn)潔，易于制作，但是容易自激，噪

4、聲比擬大，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果誤差較大。同時(shí)在測(cè)量失調(diào)電流時(shí)，采樣電阻的阻值會(huì)大到數(shù)兆歐，因而容易在輔助運(yùn)放的輸出端引入很大的工頻干擾。按定義設(shè)計(jì)的電路測(cè)量差模開環(huán)增益時(shí)，因?yàn)殚_環(huán)電壓增益通常很高，故要求輸入電壓很小(幾百微伏)才能保證對(duì)輸入信號(hào)線性放大。但在小信號(hào)輸入條件下測(cè)試時(shí)，易引入各種干擾，而且獲得高質(zhì)量的小信號(hào)也比擬困難，所以該方案難以實(shí)現(xiàn)。方案二：按照GB344286?半導(dǎo)體集成電路運(yùn)算(電壓)放大器測(cè)試方法的根本原理?規(guī)定的輔助直流測(cè)試法，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器直流參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。該方案的測(cè)試原理如圖1所示。圖1 GB344286規(guī)定的運(yùn)算放大器直流參數(shù)測(cè)試方法它是目前國(guó)際普遍采用的一種測(cè)試

5、方法，具有穩(wěn)定性好、精度高、范圍大等特點(diǎn)，可測(cè)量各種集成運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電流、共模抑制比、差模開環(huán)增益等參數(shù)，測(cè)試方便，測(cè)量輸出的電壓范圍適宜。但該方案同樣容易引起自激，且電路復(fù)雜度高一些。方案二為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而且輔助放大器對(duì)系統(tǒng)增益的穩(wěn)定性有很關(guān)鍵的作用，而自激問題可以通過一定的方法抑制，所以在本系統(tǒng)中根本沿用方案二的框架來實(shí)現(xiàn)此題的要求。2. 掃頻信號(hào)源方案一：采用模擬分立器件或單片壓控函數(shù)發(fā)生器ICL8038，通過調(diào)整外部元件改變輸出信號(hào)頻率。但是模擬器件元件分散性很大，產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定性較差，精度低，抗干擾能力低。一般器件輸出的頻率范圍難以到達(dá)4MHz。方案二：采用直接數(shù)字頻

6、率合成DDS技術(shù)。它的頻率穩(wěn)定度完全由晶振的頻率穩(wěn)定度決定，具有較高的頻率輸出范圍，是目前實(shí)際運(yùn)用中最廣泛使用的一種方案，該方案完全可以滿足題目的要求。本系統(tǒng)選用方案二。二、系統(tǒng)原理框圖整體系統(tǒng)原理圖如圖2所示：圖2 系統(tǒng)原理圖三、單元電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流測(cè)試電路如圖5所示，將繼電器S1和S2關(guān)閉，可構(gòu)成輸入失調(diào)電壓測(cè)試電路；將繼電器S1和S2斷開，可構(gòu)成輸入失調(diào)電流測(cè)試電路。電容C1和C2補(bǔ)償電路的分布參數(shù)，抑制自激現(xiàn)象的發(fā)生。C1，C2的值由實(shí)驗(yàn)獲得，將數(shù)百皮法的瓷片電容接入電路選定位置，觀察自激信號(hào)的變化，直到取得使自激信號(hào)最小的電容值為止。采用高精確度和低溫漂的O

7、P07作為輔助運(yùn)放，提高測(cè)試電路增益的穩(wěn)定性。先將S1和S2關(guān)閉，測(cè)得輔助運(yùn)放的輸出電壓為VLO，那么有：選R9>>R1，使VIO>>IIO × R4，于是運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓為：再將S1和S2斷開，測(cè)得輔助運(yùn)放輸出電壓為VLI，那么有：由失調(diào)電壓的測(cè)量原理可知：因此運(yùn)放的輸入失調(diào)電流IIO為：圖3 輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流測(cè)試電路2交流差模開環(huán)電壓增益和交流共模抑制比測(cè)試電路交流差模開環(huán)電壓增益和交流共模抑制比測(cè)試電路分別如圖4和圖5所示。圖4 交流差模開環(huán)電壓增益AVD測(cè)試電路設(shè)信號(hào)源輸出電壓為VS，測(cè)得輔助運(yùn)放輸出電壓為VLO，那么有：圖5 交流共模抑制

8、比測(cè)試電路信號(hào)從運(yùn)放的同相和反向端同時(shí)輸入，形成共模抑制信號(hào)。設(shè)信號(hào)源輸出電壓為VS，測(cè)得輔助運(yùn)放輸出電壓為VLO，那么有：3單位增益帶寬測(cè)量電路單位增益帶寬測(cè)量電路為一個(gè)反向比例放大器，從Vin輸入恒定幅值的正弦信號(hào)，改變信號(hào)頻率，對(duì)應(yīng)電路輸出端的電壓幅值下降到3dB時(shí)的頻率即為單位增益帶寬。4. 測(cè)試AVD、KCMR的信號(hào)源該信號(hào)源用于AVD、KCMR參數(shù)的測(cè)量。本系統(tǒng)利用SPCE061A單片機(jī)自帶的10位DA轉(zhuǎn)換器和豐富的中斷資源，采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，產(chǎn)生該信號(hào)。此為該電路的特色局部：將輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流測(cè)試電路，交流差模開環(huán)電壓增益、交流共模抑制比測(cè)試電路，以及單位增益帶

9、寬測(cè)試電路整合在一個(gè)電路中，并通過繼電器來切換，以到達(dá)自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)量程切換的目的。這樣既實(shí)現(xiàn)了測(cè)量的自動(dòng)化，也大幅簡(jiǎn)化了電路，即通過一個(gè)核心測(cè)量電路就可以完成所有參數(shù)的測(cè)量工作。整合后的前級(jí)處理電路如圖6所示。圖6 集成運(yùn)放參數(shù)測(cè)試儀前級(jí)處理電路其中S1S8為8個(gè)繼電器。繼電器狀態(tài)和待測(cè)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。表1 繼電器狀態(tài)和待測(cè)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系表 繼電器狀態(tài)待測(cè)量檔位S1S2S3S4S5S6S7S8輸入失調(diào)電壓04mV01100000040mV01000000輸入失調(diào)電流0010000004uA00000000交流差模開環(huán)電壓增益6080db0110001180120db01100011交流

10、共模抑制比6080db1110001080120db11100010單位增益帶寬000111006峰峰值檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)該電路由一個(gè)二極管和一個(gè)電容組成，用于測(cè)量單位增益帶寬時(shí)的輸出信號(hào)的檢測(cè)。實(shí)際測(cè)量說明，該峰值檢測(cè)電路在40kHz4MHz具有很好的線性度。7AD采樣電路本系統(tǒng)采用16位串行型AD轉(zhuǎn)換器MAX195，可以保證測(cè)量精度。采用AD9851直接數(shù)字頻率合成芯片來產(chǎn)生滿足需要的掃頻信號(hào)。采用并行送控制字的方式，減少控制耗時(shí)，而AD9851的響應(yīng)速率保證其在10秒內(nèi)完成掃描。經(jīng)過輸出掃頻測(cè)試，DDS芯片可以在10秒內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定輸出頻率在40kHz4MHz連續(xù)變化的正弦波。其電路原理圖如圖7

11、所示。AD9851頻率控制字FSW與最終合成的信號(hào)頻率之間的轉(zhuǎn)換公式為：假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為120MHz，那么最大分辨率=120×Hz=0.03Hz。遠(yuǎn)超出此題1kHz分辯力的要求。圖7 掃頻信號(hào)源9紅外鍵盤和接收電路本系統(tǒng)采用專用紅外解調(diào)芯片HS0038將遙控器SAA3010T發(fā)送的信號(hào)解調(diào)出來，送入單片機(jī)進(jìn)行解碼。HS0038解調(diào)出來的信號(hào)是13位串行數(shù)據(jù)，碼率固定。10打印功能連接電路本設(shè)計(jì)采用微型打印機(jī)，打印機(jī)連線一端接打印機(jī)，另一端為RS232的接口，接在單片機(jī)上。打印機(jī)和單片機(jī)的RXD和TXD連接時(shí)必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，圖8即為通信時(shí)的接口轉(zhuǎn)接電路和硬件連接方式。圖8 打印功能

12、轉(zhuǎn)接口轉(zhuǎn)接電路四、軟件設(shè)計(jì)1軟件功能設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)使用菜單模式，直觀且利于操作，便于維護(hù)和升級(jí)。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，在硬件Watchdog的根底上，同時(shí)還增加了軟件陷阱處理，防止軟件的“跑飛。2系統(tǒng)軟件框圖和程序流程圖 系統(tǒng)軟件框圖如圖9所示，從機(jī)主要是提供對(duì)外設(shè)的支持。包括紅外鍵盤，語音播報(bào)，LCD顯示。當(dāng)有鍵盤輸入請(qǐng)求或語音播報(bào)和LCD顯示輸出請(qǐng)求時(shí)，從機(jī)響應(yīng)各種命令，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。這種設(shè)計(jì)模式大大減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)。有利于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，程序流程圖如圖10所示。圖9 系統(tǒng)軟件框圖圖10 主機(jī)程序流程圖五、系統(tǒng)測(cè)試1測(cè)試儀器CALTEK CA1640P-20型函數(shù)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器Tektro

13、nix TDS210雙蹤數(shù)字示波器MATRIX MPS-3003L-3A穩(wěn)壓源FLUKE 17B DIGITAL MULTIMETER 萬用表2. 測(cè)試方法1自制儀器測(cè)試方法將待測(cè)運(yùn)放放在自制參數(shù)測(cè)試儀的測(cè)試點(diǎn)上，被測(cè)運(yùn)放選8引腳雙列直插運(yùn)放F741 、LM741、A741、F007等通用型運(yùn)算放大器，通過功能按鍵選通不同的測(cè)試參數(shù)對(duì)應(yīng)的儀器狀態(tài)。2校驗(yàn)儀器測(cè)試方法按題目要求，要按附錄提供的符合GB3442-82的測(cè)試原理圖，再制作一組符合該標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試VIO、IIO、AVD和KCMR參數(shù)的測(cè)試電路，以此測(cè)試電路的測(cè)試結(jié)果作為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)制作的運(yùn)放參數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行標(biāo)定。所以校驗(yàn)儀器測(cè)試方法按題目附

14、錄中的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，這里不再贅述。1輸入失調(diào)電壓(VIO)、輸入失調(diào)電流 (IIO)輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流的測(cè)試結(jié)果如表2所示。表2輸入失調(diào)電壓、 輸入失調(diào)電流測(cè)試結(jié)果被測(cè)樣品自制參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量顯示結(jié)果VI0IIO校驗(yàn)電路測(cè)試計(jì)算結(jié)果VI0、II0F741，4nA，CA741，2交流差模開環(huán)電壓增益 (AVD)交流差模開環(huán)電壓增益的測(cè)試結(jié)果如表3所示。表3 交流差模開環(huán)電壓增益測(cè)試結(jié)果被測(cè)樣品自制參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量顯示結(jié)果AVD(db)校驗(yàn)電路測(cè)試計(jì)算結(jié)果AVD(db)F741105106CA741883交流共模抑制比 (KCMR)交流共模抑制比的測(cè)試結(jié)果如表4所示。表4 交流共模抑制比測(cè)

15、試結(jié)果被測(cè)樣品自制參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量顯示結(jié)果KCMR (db)校驗(yàn)電路測(cè)試計(jì)算結(jié)果KCMR (db)F741105107CA7414信號(hào)源測(cè)量題目要求自制信號(hào)源，用于AVD、KCMR參數(shù)的測(cè)量，要求信號(hào)源能輸出頻率為5Hz、輸出電壓有效值為4 V的正弦波信號(hào)，頻率與電壓值誤差絕對(duì)值均小于1%，實(shí)際測(cè)得結(jié)果如表5所示。表5自制信號(hào)源測(cè)量結(jié)果輸出信號(hào)電壓有效值V電壓誤差輸出信號(hào)頻率Hz頻率誤差505發(fā)揮局部 BWG要測(cè)單位增益帶寬，必須有一個(gè)輸出幅值穩(wěn)定的掃頻信號(hào)源，題目要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)掃頻信號(hào)源，要求輸出頻率范圍為 40kHz4MHz，頻率誤差絕對(duì)值小于1%，輸出電壓的有效值為2V±0.

16、2 V，實(shí)際制作的掃頻信號(hào)源各項(xiàng)參數(shù)如表6所示。表6 掃頻信號(hào)源參數(shù)測(cè)試結(jié)果輸出40kHz100kHz1MHz4MHz輸出電壓V相對(duì)誤差V六、結(jié)論1整機(jī)指標(biāo)本系統(tǒng)不僅完成了題目所有根本局部的要求，而且完成了所有發(fā)揮局部的要求，功能指標(biāo)上均有擴(kuò)展，題目要求指標(biāo)和系統(tǒng)實(shí)際性能如表7所示。表7 性能總結(jié)題目根本要求題目發(fā)揮要求作品實(shí)際性能能測(cè)試VIO、IIO、AVD、KCMR，并顯示能測(cè)試VIO、IIO、AVD、KCMR，并顯示VIO測(cè)量范圍為040mV，誤差絕對(duì)值小于3%VIO測(cè)量范圍為040mV，誤差絕對(duì)值小于1% IIO 測(cè)量范圍為04A，誤差絕對(duì)值小于3%IIO 測(cè)量范圍為04A，誤差絕對(duì)值

17、小于3%AVD測(cè)量范圍為60dB120dB，測(cè)試誤差絕對(duì)值小于3dBAVD測(cè)量范圍為 60dB120dB，測(cè)試誤差絕對(duì)值小于3dBKCMR測(cè)量范圍為 60dB120dB，測(cè)試誤差絕對(duì)值小于3dBKCMR測(cè)量范圍為 60dB120dB，測(cè)試誤差絕對(duì)值小于3dB自制5Hz、4 V有效值的正弦波信號(hào)，頻率與電壓值誤差絕對(duì)值均小于1%能產(chǎn)生5Hz、4 V有效值%制作另外一組測(cè)試VIO、IIO、AVD 和KCMR參數(shù)的測(cè)試電路制作了另外一組測(cè)試參數(shù)測(cè)試電路增加BWG參數(shù)測(cè)量功能，要求測(cè)量頻率范圍為100kHz，測(cè)量時(shí)間10秒，頻率分辨力為1kHz；能測(cè)BWG測(cè)量時(shí)間3秒，頻率分辨力1kHz；設(shè)計(jì)并制作一

18、個(gè)掃頻信號(hào)源，輸出頻率范圍為 40kHz4MHz，頻率誤差絕對(duì)值小于1%；輸出電壓的有效值為2V±0.2 V掃頻信號(hào)源輸出頻率范圍為 1Hz20MHz，頻率誤差絕對(duì)值小于0.1%，輸出電壓的有效值為2V±0.1 V增加自動(dòng)測(cè)量功能，能自動(dòng)按VIO、IIO、AVD、KCMR和BWG的順序測(cè)量、顯示并打印以上5個(gè)參數(shù)測(cè)量結(jié)果能自動(dòng)測(cè)量，順序顯示，順序打印其他有紅外鍵盤，可通過遙控器控制系統(tǒng)。有語音播報(bào)功能，使系統(tǒng)有很好的交互性2誤差分析該系統(tǒng)主要誤差在于寄生振蕩波和50Hz工頻干擾對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。電路分布參數(shù)不確定、輔助運(yùn)放性能不良是系統(tǒng)閉環(huán)后產(chǎn)生寄生振蕩的主要原因。工頻干擾

19、那么是由于采樣電阻過大引起的。參考文獻(xiàn)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試第二版.武漢：華中理工出版社，2000.2 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編2003. 北京：北京理工大學(xué)出版社 ，2005.3 張彥斌等.凌陽(yáng)十六位單片機(jī)原理及應(yīng)用. 北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2003.4 薛鈞義,張彥斌,樊波等. 凌陽(yáng)十六位單片機(jī)原理及應(yīng)用. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.5 康華光,陳大欽.電子技術(shù)根底模擬局部第四版.北京：高等教育出版社,1999.6 康華光，鄒壽彬.電子技術(shù)根底數(shù)字局部第四版.北京：高等教育出版社，1999.“那破玩意兒，有什么用啊，連大學(xué)畢業(yè)證都成費(fèi)紙了，還拿初中畢業(yè)證嚇唬我，誰希罕！劉冰兒想。但她看在老班苦口婆心的份上，還是給了她面子，來參加中考了。這漫長(zhǎng)的兩個(gè)小時(shí)怎么過？老班在考場(chǎng)外盯著他們這些差生呢，怕他們?cè)缭绯鋈?，影響了成?jī)?！白魑囊欢ㄒ獙懲臧?。當(dāng)她進(jìn)來的時(shí)候，老班站在門外，向她發(fā)出討好的笑。想到這里，劉冰兒看了看作文題目：“陽(yáng)光燦爛的日子。她抬起頭，朝窗外望了望：陽(yáng)光很純潔，很嫵媚，果然是個(gè)陽(yáng)光燦爛的日子。劉冰兒不討厭這個(gè)題目，雖然她很討厭作文課。它仿佛觸動(dòng)了她心底的一角，讓她聽到了冰層融化的聲音。那一瞬間，劉冰兒做出了一個(gè)重大的決定，她要寫作文了。雖然進(jìn)考場(chǎng)時(shí)，她曾賭氣地想，要做一個(gè)白先生，把老師氣死。但現(xiàn)在