2022年2022年集成运放参数测试仪 .pdf

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1、目录1.设计要求 12.方案设计 12.1 系统基本方案 12.2 各模块方案选择和论证 13.整体电路设计、工作原理和参数测试 63.1 整体电路设计 63.2 电路的工作原理 7 3.3 参数测试 84.总结 85.系统需要的元器件清单 8参考文献 9名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 10 页 -10 1.设计要求主要内容：设计并制作一台能测试通用型集成运算放大器参数的测试仪。基本要求：（1）能测试 VIO、IIO、AVD和 KCMR四项基本参数，显示器最大显示数为 3999；（2）各项被测参数的测量范围及精度如下(被测运放的工作电压为 15V)：VIO：测量范

2、围为 040mV，误差绝对值小于3%读数+1个字；IIO：测量范围为 04A，误差绝对值小于3%读数+1个字；AVD：测量范围为 60dB120dB，测试误差绝对值小于3dB；KCMR：测量范围为 60dB120dB，测试误差绝对值小于3dB；（3）测试仪中的信号源用于AVD、KCMR参数的测量，要求信号源输出频率为5Hz、输出电压有效值为4 V 的正弦波信号，频率与电压值误差绝对值小于1%。2.方案设计2.1 系统基本方案根据题目要求，系统可以划分为控制模块、测试模块和信号源模块。模块框图如图1所示。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证【1】。图 1 测试仪的基本模块方

3、框图2.2 各模块方案选择和论证(1)控制器模块【2】根据题目要求，控制器主要用于控制测试电路的切换、控制A/D 转换模块、信号源的控制和对显示模块的控制。对于控制器的选择有以下三种方案。控制模块测试模块信号源模块名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 10 页 -20 方案一：采用 FPGA(现场可编程门阵列)作为系统的控制核心。FPGA 可以实现复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA 软件仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA 采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核

4、心。由测试模块输出的信号并行输入 FPGA，FPGA 通过程序设计控制A/D转换，并进行输出，但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA 的高速处理的优势不能得到充分的体现，并且由于其集成度高，硬件量大、设计复杂且难度大，可能会影响完成任务的进度。方案二：采用单片机（AT89C51）作为系统的控制核心。单片机算术运算功能强，软件编程灵活，可用软件编程实现各种算法的和逻辑控制，但由于设计中要求复杂的逻辑控制，单片机的硬件设计简单，这就会大大加强软件编程的工作量，可能会导致程序的混乱，且单片机的硬件简单，其口线不足，就可能导致设计不能成功。方案三：采用单片机(AT89C55)和复杂可编程逻辑器

5、件(FPGA)共同作为系统的控制核心。单片机实现顶层控制和数据处理，FPGA 实现底层控制。在单片机的管理下，由复杂可编程逻辑器件 FPGA 完成具体的操作，例如对信号的采样和存储，信号源的控制；而单片机实现对 FPGA 及整个测试仪的管理，例如选择所要测试的运放参数；数据处理；键盘选择显示参数，等等。这样可以结合两者的优点，使两者有机的结合起来。减少每个部分的工作量。基于以上分析，因此本设计采用方案三。初步拟定控制器的组成如图2 虚线框内所示。图 2 控制器框图测试信息源扫描信号源键盘/显示测试模块FPGA 单片机A/D 模板RAM 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，

6、共 10 页 -30(2)参数测试模块【2】本模块主要用于运放参数的测量，输出的是模拟量。所要测试参数的电路具有一定的共同点，所以可考虑用开关进行切换，以达到不同的功能。因此，在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

7、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)信号调理模块【2】模拟信号输出是一低频信号，且存在有一定的干扰，特别是50Hz交流电及其高次谐波的影响较大，所以要采用具有最大平坦响应的巴特沃斯二阶RC有源低通滤波器来进行信号的条理。在测试不同的参数时，要选择不同的滤波器，可采用继电器进行切换，以实现不同参数的测试。(4)信号源

8、模块【2】测试信号源产生模块在进行VDA、CMRK测试的时候，需要接输出频率为5Hz、输出电压有效值为 4V的正弦波信号，这就要求设计此模块，有以下三种方案。方案一：用晶体振荡电路产生符合要求的正弦波信号。晶体可以产生非常稳定的正弦波信号，但是，要求的是输出频率为5Hz、输出电压有效值为4V，对于低频而言，晶体是很难做到这么精确的指标。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。由于是要求输出频率为5Hz，wt 的宽度将会很大，这就会严重影响到精

9、度和稳定度。方案三：用 FPGA 和 D/A 转换器产生符合要求的正弦波信号。频率精度很高，而且稳名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 10 页 -40 定度也很高。由于要求的频率很低，所以一般的 D/A转换器就可胜任。符合任务中的要求。所以，基于以上分析，拟定方案三。框图如图3 所示。图 3 测试信号源产生框图扫频信号源模块由于任务要求制作一信号源，且输出频率范围为40kHz4MHz,误差小于 1%，电压有效值为 2V0.2V 有以下两种方案可供选择：方案一：用专门的 DDS 芯片做符合要求的扫频源。由于芯片的成本很高，而且市场供应不足。所以不采用此方案。方案二：用

10、FPGA 做符合要求的信号源。FPGA 的逻辑功能强大，集成度高，减小了体积，提高了稳定度。使用VHDL 语言，设计灵活，且自由度大，可应用MaxPlus II软件仿真、调试、易于功能扩展。基于以上优点，本模块采用方案二。(5)显示模块【2】显示器是人机接口输出的一部分，良好的人机接口将会使输出内容能够更加的丰富。我们考虑以下两种方案。方案一：采用 LED(发光二极管)作为显示部分。LED有 8 段和米字型两种用于显示各种数字。但是，LED显示的形式比较单一，功能简单，而且比较耗电。人机交换比较困难。方案二：采用 LCD（液晶显示器）作为显示部分。LCD具有以下优点：轻薄短 小、低好电量、无辐

11、射危险、平面直角显示、影像稳定不闪烁、可视面积大、画面效果好、分辨率高。LCD有显示图形、字符和数字等功能，且LCD的人机界面友好。在本设计中要能显示数码、字符以及汉字，只有点阵式显示器才能够胜任。所以，基于以上方案，本模块采用LCD作为显示器。系统各模块的最终方案经过仔细的分析和论证，决定了系统个模块的最终方案如下：控制模块：采用单片机(AT89C55)和复杂可编程逻辑器件(FPGA)共同控制；集成运放参数测试模块：采用继电器切换的测试电路；FPGA D/A 信号调理测试模块名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 10 页 -50 信号调理模块：采用二阶RC有源滤波器；

12、测试信号源产生模块：采用FPGA 和 D/A 转换器产生正弦波信号；扫频信号源模块：采用FPGA 产生方波扫频信号；A/D 转换模块：采用AD1674作为转换器；显示模块：采用LCD(液晶显示器)。系统的基本框图如图4 所示。单片机主要用于顶层控制和运算处理电路，而FPGA 实现底层控制，实现某部分具体电路的功能，两部分可以进行有机的结合，以实现其任务书所给要求。其工作过程如下：系统通电后，用单片机控制测试电路进行模式选择，实现各种参数的测试，模拟量经信号调理后，单片机发出信号以实现FPGA 对 A/D的采样，FPGA 将采样后的数据存入RAM，发出信号给单片机，使单片机从RAM 中读出采样好

13、的数据，再进行运算处理，最后控制LCD进行输出。图 4 系统基本框图A/D 转换电路RAM FPGA 单片机键盘显示模块D/A 转换器测试信号源扫描信号源运放参数测试电路模型信号调理电路名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 10 页 -60 3.整体电路设计、工作原理和参数测试3.1 整体电路设计参数测试电路的设计【3】。题目要求能测试IOV、IOI、VDA、CMRK四个参数。经过综合考虑，本单元电路利用给出参考阻值，并用继电器进行切换。为保证测量精度，要求R、Ri、fR 的阻值准确测量，1R、2R 的阻值尽可能一致；IOI与 R的乘积远大于IOV；IOI与Ri/fR

14、的乘积应远小于IOV。我们取Ri=100、fR=20k、1R=2R=30k、LR=10k、R=1M。由于要求量程切换。在此fR 可以取两个值进行切换，另一个fR=200k电路如图 5 所示。图 5 测试电路电路图由于辅助运放的性能好坏对测试结果的精度有直接的影响，因此在选择辅助运放时，我们查找和比较了多种运放的性能参数，通过比较，我们最后选择 OP37A 作为该电路的辅助运放。OP37A 的输入失调电压为 10uV,输入失调电流为 7nA,交流差模开环增益为126dB，交流共模抑制比为120 dB，单位增益带宽为 40MHz。其性能参数和通用运放相比，要小 12 个数量级，因此，我们采用OP3

15、7A 作为辅助运放。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 10 页 -70 3.2 电路的工作原理运放参数测试电路【4】输入失调电压、失调电流等参数的测试原理如图5 所示。a）输入失调电压 UIO 由于运放电路参数的不对称，使得两个输入端都接地时输出电压不为零，称之为放大器的失调。为使输出电压回到零点，必须在输入端加一个纠偏电压来补偿这种失调，这个纠偏电压就叫运算放大器的输入失调电压UIO。因此，UIO的定义为使输出电压为零时，在两个输入端之间加的直流补偿电压。输入失调电压的测量原理如图5 所示，此时应将 K1、K2闭合，将 K4、K8均拨到左边位置（接地）。通常Ri

16、值不超过 100，因此 RfRi。这时若测得辅助运放A的输出电压为 ULO，利用题目要求的公式即可推算出输入端的失调电压。b）输入失调电流 IIO IIO 的定义为补偿失调电压后，使输出电压为零时，流入运算放大器两输入端的电流差值。测试原理仍用图5，将 K4、K8均拨到左边位置。测试分两步进行：第一步是将K1、K2闭合，测得输出电压为ULO，这时的电路与测试输入失调电压完全相同。第二步是将 K1、K2都断开，此时运放的两个输入端上除失调电压UIO之外，还有输入电流在电阻上所产生的电压，只要测得辅助运放的输出电压为UL1，利用题目要求的公式即可根据公式计算出输入失调电流值。c）交流差模开环电压增

17、益AVD 开环电压增益是指放大器在无反馈时的差模电压增益，其数值等于输出电压的变化量Uo与输入电压的变化量UI 之比。由于 AVD很大，输入信号很小，而且输入电压与输出电压之间还存在相位差，很容易引起较大的测试误差，因此在测试开环电压增益时都采用交流开环、直流闭环的方法。测试原理如图5 所示，应将 K4拨到左边位置，K8拨到右边位置，将 K1、K2均断开。设信号源输出电压为Us，测得辅助运放输出电压为UL0，利用题目要求的公式即可用公式计算交流差模开环电压增益。d）交流共模抑制比 KCMR 共模抑制比（KCMR）定义为差模电压增益AVD与共模电压增益AVC之比，即 KCMR AVD/AVC。K

18、CMR 的大小不仅与频率有关，还与输入信号大小和波形有关，因此测量频率不宜太高，信号不宜过大。其测试原理如图5 所示，将 K4拨到右边位置，K8拨到左边位置，将 K1、K2均断开。设信号源输出电压为Us，测得辅助运放输出电压为UL0，利用题目要求的公式即可算出交流共模抑制比。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 10 页 -80 3.3 参数测试使用的测试运放为UA741,被测试运放的工作电压为15V【2】。表 1 标准电路测试参数IOVIOIVDACMRK值-1.328mV-2.20nA 94dB 90 dB 表 2 IOV（输入失调电压）测试序号1 2 3 4 5

19、IOV（mV）-1.328-1.264-1.104-0.985-1.006 表 3 IOI（输入失调电流）测试表 4 VDA(交流差模开环电压增益)测试序号1 2 3 4 5 VDA(dB)94 90 94 100 94 表 5 CMRK（交流共模抑制比）测试序号1 2 3 4 5 CMRK(dB)90 88 88 90 90 4.总结本次课程设计，我们采用了单片机技术、在系统可编程技术和模拟技术使三者有机的结合起来。设计理念先进，性能稳定。在测量方面采用了高精度数字测量方法，确保了测量的精度和测量的稳定性。这次课程设计的过程使我们有了一次深刻的经历，我们利用了已学的知识，发挥了自己的才智将课

20、本中介绍的理论方法变成了一种实实在在的作品，我们深深感觉到理论联合实践的重要。另外，这次经历使我们更体会到在任何的艰难困苦乃至绝望的时候一定要保持必胜的信心和坚定的信念。序号1 2 3 4 5 IOI(nA)-2.25-2.22-2.19-2.28-2.20 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 10 页 -90 5.系统需要的元器件清单表 1 元器件清单序号元器件类型元器件规格数量备注1 稳压电源030V 2 WYK-302B2 2 双踪模拟示波器40MHz 1 VP-55648 3 双踪数字示波器100MHz 1 A54622A 4 数字万用表1 GDM-8055

21、5 低频信号发生器P1.7G/256M 内存1 联想 PC 6 低频信号发生器01MHz 1 XJ1631 7 电阻Ri1002 8 电阻fR20k、200k4 9 电阻1R、2R30k各 1 个10 电阻LR10k1 11 电阻 R 1M 2 参考文献1 蔡惟铮.集成电子技术 M.北京：高等教育出版社，1994.13-17.2 全国大学生电子设计竞赛组委会编.第四届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编 M.北京：北京理工大学出版社，2001.166-173.3 蔡锦福编著.运算放大器原理与应用 M.北京：科学出版社，2005.33-47.4 肖景和编著.集成运算放大器应用精粹M.北京：人民邮电出版社,2006.25-29.5 杨刚,龙海燕.电子系统设计与实践 M.北京：电子工业出版社，2008.78-86.6刘午平主编.模拟电子技术从入门到精通M.北京：国防工业出版社，2006.173-182.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 10 页 -