畢業(yè)設(shè)計（論文）集成運放參數(shù)測試儀

1、集成運放參數(shù)測試儀作者賽前輔導(dǎo)教師： 文稿整理輔導(dǎo)教師： 摘要本系統(tǒng)是基于spce061a單片機的運算放大器閉環(huán)參數(shù)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用輔助運放測試方法，可對運放的輸入失調(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行測量，并具有將測試數(shù)據(jù)打印輸出的功能。利用dds芯片ad9851實現(xiàn)了40khz4mhz掃頻輸出，并具有自動量程轉(zhuǎn)換、自動測量功能和良好的人機交互性。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、方案論證與比較1運放參數(shù)測試電路方案一： 采用集成運放參數(shù)的定義設(shè)計測試電路。該方案原理簡單，電路簡潔，易于制作，但是容易自激，噪

4、聲比較大，會導(dǎo)致測試結(jié)果誤差較大。同時在測量失調(diào)電流時，采樣電阻的阻值會大到數(shù)兆歐，因而容易在輔助運放的輸出端引入很大的工頻干擾。按定義設(shè)計的電路測量差模開環(huán)增益時，因為開環(huán)電壓增益通常很高，故要求輸入電壓很小(幾百微伏)才能保證對輸入信號線性放大。但在小信號輸入條件下測試時，易引入各種干擾，而且獲得高質(zhì)量的小信號也比較困難，所以該方案難以實現(xiàn)。方案二：按照gb344286半導(dǎo)體集成電路運算(電壓)放大器測試方法的基本原理規(guī)定的輔助直流測試法，可實現(xiàn)運算放大器直流參數(shù)的準(zhǔn)確測量。該方案的測試原理如圖1所示。圖1 gb344286規(guī)定的運算放大器直流參數(shù)測試方法它是目前國際普遍采用的一種測試方法

5、，具有穩(wěn)定性好、精度高、范圍大等特點，可測量各種集成運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)，測試方便，測量輸出的電壓范圍合適。但該方案同樣容易引起自激，且電路復(fù)雜度高一些。方案二為國家標(biāo)準(zhǔn)，而且輔助放大器對系統(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)中基本沿用方案二的框架來實現(xiàn)本題的要求。2. 掃頻信號源方案一：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達到4mhz。方案二：采用直接數(shù)字頻率合

6、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，是目前實際運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)計與實現(xiàn)1輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流測試電路如圖5所示，將繼電器s1和s2關(guān)閉，可構(gòu)成輸入失調(diào)電壓測試電路；將繼電器s1和s2斷開，可構(gòu)成輸入失調(diào)電流測試電路。電容c1和c2補償電路的分布參數(shù)，抑制自激現(xiàn)象的發(fā)生。c1，c2的值由實驗獲得，將數(shù)百皮法的瓷片電容接入電路選定位置，觀察自激信號的變化，直到取得使自激信號最小的電容值為止。采用高精確度和低溫漂的o

7、p07作為輔助運放，提高測試電路增益的穩(wěn)定性。先將s1和s2關(guān)閉，測得輔助運放的輸出電壓為vlo，則有：選r9r1，使vioiio r4，于是運放的輸入失調(diào)電壓為：再將s1和s2斷開，測得輔助運放輸出電壓為vli，則有：由失調(diào)電壓的測量原理可知：因此運放的輸入失調(diào)電流iio為：圖3 輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流測試電路2交流差模開環(huán)電壓增益和交流共模抑制比測試電路交流差模開環(huán)電壓增益和交流共模抑制比測試電路分別如圖4和圖5所示。圖4 交流差模開環(huán)電壓增益avd測試電路設(shè)信號源輸出電壓為vs，測得輔助運放輸出電壓為vlo，則有：圖5 交流共模抑制比測試電路信號從運放的同相和反向端同時輸入，形成共模

8、抑制信號。設(shè)信號源輸出電壓為vs，測得輔助運放輸出電壓為vlo，則有：3單位增益帶寬測量電路單位增益帶寬測量電路為一個反向比例放大器，從vin輸入恒定幅值的正弦信號，改變信號頻率，對應(yīng)電路輸出端的電壓幅值下降到3db時的頻率即為單位增益帶寬。4. 測試avd、kcmr的信號源該信號源用于avd、kcmr參數(shù)的測量。本系統(tǒng)利用spce061a單片機自帶的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。5.自動量程轉(zhuǎn)換和自動測量電路此為該電路的特色部分：將輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流測試電路，交流差模開環(huán)電壓增益、交流共模抑制比測試電路，以及單位增益帶寬測試電路整合在一個電路

9、中，并通過繼電器來切換，以達到自動測量和自動量程切換的目的。這樣既實現(xiàn)了測量的自動化，也大幅簡化了電路，即通過一個核心測量電路就可以完成所有參數(shù)的測量工作。整合后的前級處理電路如圖6所示。圖6 集成運放參數(shù)測試儀前級處理電路其中s1s8為8個繼電器。繼電器狀態(tài)和待測量的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。表1 繼電器狀態(tài)和待測量的對應(yīng)關(guān)系表 繼電器狀態(tài)待測量檔位s1s2s3s4s5s6s7s8輸入失調(diào)電壓04mv01100000040mv01000000輸入失調(diào)電流00.4ua0010000004ua00000000交流差模開環(huán)電壓增益6080db0110001180120db01100011交流共模抑制比6

10、080db1110001080120db11100010單位增益帶寬000111006峰峰值檢測電路的設(shè)計該電路由一個二極管和一個電容組成，用于測量單位增益帶寬時的輸出信號的檢測。實際測量表明，該峰值檢測電路在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，可以保證測量精度。8.掃頻信號源采用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。采用并行送控制字的方式，減少控制耗時，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

11、7所示。ad9851頻率控制字fsw與最終合成的信號頻率之間的轉(zhuǎn)換公式為：若系統(tǒng)時鐘頻率為120mhz，則最大分辨率=120hz=0.03hz。遠超出本題1khz分辯力的要求。圖7 掃頻信號源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)送的信號解調(diào)出來，送入單片機進行解碼。hs0038解調(diào)出來的信號是13位串行數(shù)據(jù)，碼率固定。10打印功能連接電路本設(shè)計采用微型打印機，打印機連線一端接打印機，另一端為rs232的接口，接在單片機上。打印機和單片機的rxd和txd連接時必須進行電平轉(zhuǎn)換，圖8即為通信時的接口轉(zhuǎn)接電路和硬件連接方式。圖8 打印功能轉(zhuǎn)接口轉(zhuǎn)接電路

12、四、軟件設(shè)計（1）軟件功能設(shè)計軟件系統(tǒng)使用菜單模式，直觀且利于操作，便于維護和升級。為了增強系統(tǒng)的抗干擾性，在硬件watchdog的基礎(chǔ)上，同時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，從機主要是提供對外設(shè)的支持。包括紅外鍵盤，語音播報，lcd顯示。當(dāng)有鍵盤輸入請求或語音播報和lcd顯示輸出請求時，從機響應(yīng)各種命令，并進行相應(yīng)的處理。這種設(shè)計模式大大減輕了主機的負擔(dān)。有利于系統(tǒng)的設(shè)計，程序流程圖如圖10所示。圖9 系統(tǒng)軟件框圖圖10 主機程序流程圖五、系統(tǒng)測試1測試儀器caltek ca1640p-20型函數(shù)發(fā)生器/計數(shù)器tektroni

13、x 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. 測試方法（1）自制儀器測試方法將待測運放放在自制參數(shù)測試儀的測試點上，被測運放選8引腳雙列直插運放f741 、lm741、a741、f007等通用型運算放大器，通過功能按鍵選通不同的測試參數(shù)對應(yīng)的儀器狀態(tài)。（2）校驗儀器測試方法按題目要求，要按附錄提供的符合gb3442-82的測試原理圖，再制作一組符合該標(biāo)準(zhǔn)的測試vio、iio、avd和kcmr參數(shù)的測試電路，以此測試電路的測試結(jié)果作為測試標(biāo)準(zhǔn)，對制作的運放參數(shù)測試儀進行標(biāo)定。所以校驗儀器測試方法按題

14、目附錄中的測試方法進行測試，這里不再贅述。3.測試數(shù)據(jù)和結(jié)果（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)電流測試結(jié)果被測樣品自制參數(shù)測試儀測量顯示結(jié)果vi0iio校驗電路測試計算結(jié)果vi0、ii0f7410.5mv，4na0.48mv，3.7naca7411.04mv, 3.1na1.06mv，2.6na（2）交流差模開環(huán)電壓增益 (avd)交流差模開環(huán)電壓增益的測試結(jié)果如表3所示。表3 交流差模開環(huán)電壓增益測試結(jié)果被測樣品自制參數(shù)測試儀測量顯示結(jié)果avd(db)校驗電路測試計算結(jié)果avd(db)f74110

15、5106ca7418888.87（3）交流共模抑制比 (kcmr)交流共模抑制比的測試結(jié)果如表4所示。表4 交流共模抑制比測試結(jié)果被測樣品自制參數(shù)測試儀測量顯示結(jié)果kcmr (db)校驗電路測試計算結(jié)果kcmr (db)f741105107ca74191.593.2（4）信號源測量題目要求自制信號源，用于avd、kcmr參數(shù)的測量，要求信號源能輸出頻率為5hz、輸出電壓有效值為4 v的正弦波信號，頻率與電壓值誤差絕對值均小于1%，實際測得結(jié)果如表5所示。表5自制信號源測量結(jié)果輸出信號電壓有效值（v）電壓誤差（）輸出信號頻率（hz）頻率誤差（）3.980.550（5）發(fā)揮部分 bwg要測單位增益

16、帶寬，必須有一個輸出幅值穩(wěn)定的掃頻信號源，題目要求設(shè)計并制作一個掃頻信號源，要求輸出頻率范圍為 40khz4mhz，頻率誤差絕對值小于1%，輸出電壓的有效值為2v0.2 v，實際制作的掃頻信號源各項參數(shù)如表6所示。表6 掃頻信號源參數(shù)測試結(jié)果輸出40khz100khz1mhz4mhz輸出電壓（v）2.001.981.941.81相對誤差（v）0.00.020.060.19六、結(jié)論1整機指標(biāo)本系統(tǒng)不僅完成了題目所有基本部分的要求，而且完成了所有發(fā)揮部分的要求，功能指標(biāo)上均有擴展，題目要求指標(biāo)和系統(tǒng)實際性能如表7所示。表7 性能總結(jié)題目基本要求題目發(fā)揮要求作品實際性能能測試vio、iio、avd、

17、kcmr，并顯示能測試vio、iio、avd、kcmr，并顯示vio測量范圍為040mv，誤差絕對值小于3%vio測量范圍為040mv，誤差絕對值小于1% iio 測量范圍為04a，誤差絕對值小于3%iio 測量范圍為04a，誤差絕對值小于3%avd測量范圍為60db120db，測試誤差絕對值小于3dbavd測量范圍為 60db120db，測試誤差絕對值小于3dbkcmr測量范圍為 60db120db，測試誤差絕對值小于3dbkcmr測量范圍為 60db120db，測試誤差絕對值小于3db自制5hz、4 v（有效值）的正弦波信號，頻率與電壓值誤差絕對值均小于1%能產(chǎn)生5hz、4 v（有效值）的

18、正弦波信號，頻率與電壓值誤差絕對值均小于0.5%制作另外一組測試vio、iio、avd 和kcmr參數(shù)的測試電路制作了另外一組測試參數(shù)測試電路增加bwg參數(shù)測量功能，要求測量頻率范圍為100khz3.5mhz，測量時間10秒，頻率分辨力為1khz；能測bwg測量時間3秒，頻率分辨力1khz；設(shè)計并制作一個掃頻信號源，輸出頻率范圍為 40khz4mhz，頻率誤差絕對值小于1%；輸出電壓的有效值為2v0.2 v掃頻信號源輸出頻率范圍為 1hz20mhz，頻率誤差絕對值小于0.1%，輸出電壓的有效值為2v0.1 v增加自動測量功能，能自動按vio、iio、avd、kcmr和bwg的順序測量、顯示并打印以上5個參數(shù)測量結(jié)果能自動測量，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工頻干擾對測試結(jié)果的影響。電路分布參數(shù)不確定、輔助運放性能不良是系統(tǒng)閉環(huán)后產(chǎn)生寄生振蕩的主要原因。工頻干擾則是