2022年2022年集成参数测量仪报告 .pdf

《2022年2022年集成参数测量仪报告 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年2022年集成参数测量仪报告 .pdf（11页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、集成运放参数测试仪作者：李霄孙建国马俊摘要本系统是基于 STM32F103Z 单片机的运算放大器闭环参数测试系统，该系统采用辅助运放测试方法， 可对运放的输入失调电压、 输入失调电流、 交流差模开环电压增益和交流共模抑制比以及单位增益带宽进行测量。利用 DDS 芯片 AD9851实现了 5HZ信号的输出和 40kHz4MHz扫频输出，并具有自动量程转换、 自动测量功能和良好的人机交互性。AbstractThis system is designed based on STM32F103Z microcontroller to measure the close loop parameters

2、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 sys

3、tem. The system can generate sweep signal with frequency5HZ and range from 40 kHz to 4 MHz, using the DDS chip of AD9851. STM32F103Z microcontroller can control relays to complete auto measurement range switching and auto measuring. 关键字： STM32F103Z 集成运放测量自动测量一、方案论证与比较1运放参数测试电路方案一：采用集成运放参数的定义设计测试电路。该

4、方案原理简单，电路简洁，易于制作，但是容易自激，噪声比较大，会导致测试结果误差较大。同时在测量失调电流时， 采样电阻的阻值会大到数兆欧， 因而容易在辅助运放的输出端引入很大的工频干扰。 按定义设计的电路测量差模开环增益时，因为开环电压增益通常很高，故要求输入电压很小( 几百微伏 ) 才能保证对输入信号线性放大。但在小信号输入条件下测试时， 易引入各种干扰， 而且获得高质量的小信号也比较困难，所以该方案难以实现。方案二 ：将测试放大器参数的实现分成4 个电路检测。 该方案实现各个参数的测量比较好，且有利于各个参数调试。 但是对于要实现智能测试该方案较复杂，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载

5、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 11 页 - - - - - - - - - 在电路中所用的继电器太多， 很容易引起电磁干扰， 不利于系统的整体性能提高，且不能实现电路的智能测试。方案三： 按照 GB344286半导体集成电路运算 (电压)放大器测试方法的基本原理 规定的辅助直流测试法， 可实现运算放大器直流参数的准确测量。该方案的测试原理如图1 所示。图 1 GB344286 规定的运算放大器直流参数测试方法它是目前国际普遍采用的一种测试方法，具有稳定性好、 精度高、范围大等特点，可测量各种集

6、成运算放大器的输入失调电压、失调电流、共模抑制比、差模开环增益等参数， 测试方便， 测量输出的电压范围合适。 辅助运放的加入可以降低在测量时对对某些测试电阻精确匹配，有利于提高测试的精度。 但该方案同样容易引起自激，且电路复杂度高一些。方案二为国家标准，而且辅助放大器对系统增益的稳定性有很关键的作用，而自激问题可以通过一定的方法抑制， 所以在 本系统中基本沿用方案三的框架来实现本题的要求2、开关的选择本题设计过程中主要考虑的是能否有效的切换到各参数测量电路中，对于开关的选择有以下三种方案。方案一：用拨号开关来实现电路的切换。拨号开关是完全的用人工进行控制。由于本模块中采用了较多的切换器件，在电

7、路中容易产生混乱，而且如果要做到完全统一调度也是非常困难的，由于是手动控制，效率是非常低的。方案二：用模拟开关来实现电路的切换。模拟开关可以由单片机来控制其通和断，但是，模拟开关在进行切换的时候，会有一些分布参数，例如模拟开关的内阻和分布电容等参数，又因为信号的幅度很小，如果这些参数比较大，就会严重影响到信号。方案三：用继电器来实现电路的切换。继电器可以用集成芯片SN75451来驱动继电器以实现电路的通断。 12V直流驱动的继电器的触发电阻50能够满足小幅度信号的要求。基于继电器的以上优点，本模块中采用方案三 作为开关，以实现电路的不同功能。3. 信号源选择方案一：采用模拟分立器件或单片压控函

8、数发生器ICL8038，通过调整外部元件改变输出信号频率。 但是模拟器件元件分散性很大， 产生的频率稳定性较差，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 11 页 - - - - - - - - - 精度低，抗干扰能力低。一般器件输出的频率范围难以达到4MHz 。方案二：用 555定时器产生符合要求的正弦波信号。因为测试信号源的精度要求很高，而 555 定时器的电阻和电容的取值将影响到输出脉冲的宽度wt ，随着wt 的宽度的增加，它的精度和稳定度也将下降。 由于是要

9、求输出频率为5Hz，wt 的宽度将会很大，这就会严重影响到精度和稳定度。方案三： 利用传统的模拟分立元件或单片压控函数发生器MAX038 ， 可产生三角波、方波、正弦波，通过调整外围元件可以改变输出频率、幅度，但采用模拟器件由于元件分散性太大，即使用单片函数发生器，参数也与外部元件有关，外接电阻电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定度较差、精度低、抗干扰能力差、成本也较高。方案四：采用直接数字频率合成（DDS ）技术。它的频率稳定度完全由晶振的频率稳定度决定， 具有较高的频率输出范围， 是目前实际运用中最广泛使用的一种方案，考虑本题逻辑控制量不多而对信号质量要求较高，选用ADI公司推出的DDS

10、 专用芯片 AD9851 来产生正弦信号。该方案完全可以满足题目的要求。本系统 选用方案四 。二、系统原理框图整体系统原理图如图2 所示：图 2 系统原理图图 2 系统原理图三、单元电路设计与实现1输入失调电压和输入失调电流测试电路如图3所示，为实现测试系统的自动控制， 考虑到模拟开关芯片的带宽有限，输入信号幅度受限且各通路之间容易引起串扰，会影响测试精度， 并且本题的参数测量没有速度要求，所以用继电器对测量电路进行选通。继电器不同设置，可构成输入失调电压测试电路，输入失调电流测试电路，交流差模开环电压增益和交流共模抑制比测试电路。电容 C3和 C6补偿电路的分运放参数测试电路数据采集与处理测

11、试参数选择增益控制DDS 信号源输出单片机液晶显示输出键盘输入名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 11 页 - - - - - - - - - 布参数，抑制自激现象的发生。C4 ，C5的值由实验获得，将数百皮法的瓷片电容接入电路选定位置， 观察自激信号的变化， 直到取得使自激信号最小的电容值为止。采用高精确度和低温漂的OP07作为辅助运放，提高测试电路增益的稳定性。在测量失调电压和失调电流时， 发现工频干扰很大， 故在辅助运放后面加一级信号调理部分， 用来抑制

12、噪声和工频干扰。 测量差模放大倍数和共模抑制比时我们也做了类似处理。其中 S1S7为 7 个继电器。继电器状态和待测量的对应关系如表1 所示。表 1 继电器状态和待测量的对应关系表测试参数继电器状态失调电压Vio 失调电流 Iio 交流差模开环电压增益 Avd 交流共模抑制比Kcmr S1 接 3 接 3 接 3 接 1 S2 闭合打开闭合闭合S3 闭合打开闭合闭合S4 接 3 接 3 接 1 接 1 S5 接 3 接 3 接 1 接 3 S6 接 3 接 3 接 1 接 1 S7 无关无关接 3 接 3 由上表和失调电压的测量原理可知：911RRRVVLOIO参照上表，运放的输入失调电流II

13、O为：RVVRRRILOLfiiIO1*参 照上 表 ， 运 放 的交 流 差 模 开 环 电压 增 益VDA为 ：)(*lg(20dBRRRVVAifiLOSVD参照上表，运放的交流共模抑制比CMRK为：)(*lg(20dBRRRVVKifiLOSCMR名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 11 页 - - - - - - - - - 图三、集成运放参数测试仪前级处理电路图四、继电器模块2. 可控放大与有效值检测电路( 测量 AVD、KCMR参数)使用 PGA

14、203 通过编程来控制放大倍数，放大合适的倍数，再通过AD637输出有效值，使用 STM32F103Z 单片机的内部 AD对输出值进行采样。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 11 页 - - - - - - - - - 图五、可控放大与有效值检测电路3单位增益带宽测量电路单位增益带宽测量电路为一个反向比例放大器，从Vin输入恒定幅值的正弦信号，改变信号频率，对应电路输出端的电压幅值下降到-3dB 时的频率即为单位增益带宽。图六、单位增益带宽测量电路4. 测试

15、 AVD、KCMR的信号源该信号源用于 AVD、KCMR参数的测量。 本系统利用 DDS 芯片 AD9851，产生所需要的 5HZ，有效值为 4V 的信号。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 11 页 - - - - - - - - - 5. 扫频信号源采用 AD9851直接数字频率合成芯片来产生满足需要的扫频信号。采用并行送控制字的方式，减少控制耗时，而AD9851 的响应速率保证其在10 秒内完成扫描。经过输出扫频测试，DDS 芯片可以在 10 秒内连续稳

16、定输出频率在40kHz4MHz 连续变化的正弦波。其电路原理图如下图所示。AD9851频率控制字 FSW 与最终合成的信号频率0f之间的转换公式为：3202/FSWffc图 7 扫频信号源测试中发现 AD9851 直接输出的电压信号存在直流偏置，须用一个反向求和电路调整 DDS 输出电压的幅度，获得一个真正的正弦波。要求所采用运放的带宽较宽，不会影响总的信号波形， ADI公司的 AD811 可以满足题目的要求， 当增益为1时带宽可达 140MHz.题目要求的有效值2V扫频信号源通过高速宽带放大器THS3091 放大得到。考虑到高频时 uA741的压摆率受限，影响增益带宽积的测量，将DDS 的输

17、出衰减至 200mV 后，再输入运放进行测量。用电位器衰减易引入噪声，经电位器的输出信号有效值随信号频率的改变变化很大，这里用 TI公司的精密运放OPA37 对2V的信号进行衰减之后，再进行测量。6 测试仪器与测试数据分析1、 测试仪器 TSD1002 60M 数字示波器 DT9205 3位半数字万用表 GFG-8225A 信号发生器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 11 页 - - - - - - - - - 2、测试结果测试数据和分析（1） 、5Hz 信

18、号源测试频率电压有效值频率相对误差电压相对误差表（ 1）（2） 、40KHz 4MHz 扫频信号理论频率值实际频率值电压有效值频率相对误差电压相对误差40KHz 41KHz 42KHz 2MHz 2.1MHz 3.9MHz 4MHz 表（ 2）（3） 、集成运放的VIO（输入失调电压） 、IIO（输入失调电流） 、AVD（交流差模开环电压增益） 、KCMR（交流共模抑制比）和BWG（单位增益带宽）测试参数LM741 uA741 1 2 3 1 2 3 VIO1.01mV 1.02mV 1.00mV IIO1.40nA 1.40nA 1.14nA AVD101dB 101dB 120dB KCM

19、R88dB 90dB 92dB BWG712KHz 960KHz 四、软件设计（1）程序流程图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 11 页 - - - - - - - - - 五、误差分析1该系统主要误差在于寄生振荡波和50Hz工频干扰对测试结果的影响。 电路分布参数不确定、辅助运放性能不良是系统闭环后产生寄生振荡的主要原因。工频干扰则是由于采样电阻过大引起的。 2 测试第一项参数Vio 时，发现其为负电压，与通常的指标有差别，为方便 AD采样，在后级对该电压

20、进行了电平提升处理；并且各项参数的测量误差在题目要求的误差范围之内. 六、创新部分系统初始化开机界面显示扫描按键按 键2扫频40KHz4MHz 按 键3手 动 测量 失 调电压 Vio 按键 4手动 测 量失 调 电流 Iio 按键 5 手动测量开环放大倍数 Avd 按键6 手动 测 量 共模 抑 制 比Kcmr 按键 7手动测 量 带 宽增益 BWG 按键8 自动 测 量 以上 的 所 有量按键BACK返回界面名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 11 页 -

21、 - - - - - - - - 七、结论本系统不仅完成了题目所有基本部分的要求，而且完成了所有发挥部分的要求，功能指标上均有扩展，题目要求指标和系统实际性能如表7 所示。表 7 性能总结题目基本要求题目发挥要求作品实际性能能测试 VIO、IIO、AVD、KCMR，并显示能测试 VIO、IIO、AVD、KCMR，并显示VIO测量范围为040mV ，误差绝对值小于3%VIO测量范围为040mV，误差绝对值小于1%IIO测量范围为04A， 误差绝对值小于3% IIO测量范围为04A，误差绝对值小于3%AVD测 量 范 围 为60dB 120dB，测试误差绝对值小于3dBAVD测量范围为60dB12

22、0dB，测试误差绝对值小于3dBKCMR测 量 范 围 为60dB 120dB，测试误差绝对值小于3dBKCMR测量范围为60dB 120dB，测试误差绝对值小于3dB自制 5Hz、4 V（有效值） 的正弦波信号，频率与电压值误差绝对值均小于1%能产生 5Hz、4 V（有效值）的正弦波信号，频率与电压值误差绝对值均小于0.5 %增加 BWG参数测量功能， 要求测 量 频 率 范 围 为100kHz 3.5MHz ，测量时间 10 秒，频率分辨力为1kHz ；能测 BWG测量时间 10 秒，频率分辨力1kHz；设计并制作一个扫频信号源，输出频率范围为40kHz 4MHz ，频率误差绝对值小于1%

23、；输出电压的有效值为2V0.2 V 扫频信号源输出频率范围为40KHz 20MHz ，频率误差绝对值小于0.1%， 输出电压的有效值为 2V 0.1 V增加自动测量功能，能自动按VIO、IIO、AVD、KCMR和 BWG的顺序测量、显示并打印以上5 个参数测量结果能自动测量八、结束语我们在整个设计制作过程中，始终关注系统的性能指标和运行稳定性，采取了诸多有效措施， 完成了设计任务规定的基本部分和发挥部分的各项要求，达到了发挥部分的各项性能指标，而且有些指标有较大提高。参考文献1 赵文博，刘文涛 . 单片机语言 C51 程序设计北京：人民邮电出版社， 2005年2 模拟电子技术基础华成英、童诗白

24、主编高等教育出版社 2006.1 3 电子设计指南孙肖子等主编高等教育出版社 2006.1 4 德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南黄争编著名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 11 页 - - - - - - - - - 德州仪器半导体技术有限公司大学计划部 2010.6 5 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计 美 赛尔吉欧佛朗哥著刘树棠 朱茂林 荣玫 译西安交通大学出版社 2010.1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 11 页 - - - - - - - - -