2022年2022年集成运放参数测试仪(哈工大 .pdf

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1、试题编号B 集成运算放大测试仪学校哈尔滨工程大学姓名杨亮姓名韦峻峰姓名宋海东名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 21 页 -1 摘要集成运放的带宽与失调是衡量一个运放优劣的重要性能指标。本设计在单片机控制下，适当地改变运放测试电路连接，通过 ADC 采集得到一系列运放的参数的物理量。通过计算，可以得到运防的VIO、IIO、AVD、KCMR和 BWG 等参数并且记录现场放的VIO、IIO、AVD、KCMR和BWG等参数并且记录现场的温度,且具有自动测量的功能。系统内置DDS 信号源AD9851，可以输出高稳定度的正弦信号。系统采用控制模块采集系统的框架，可以非常方便的通

2、过RS-232 将测试结果上传至计算机已备分析计算。本设计还具有打印测试结果、数据存储等功能。关键词运放VIOIIOAVDKCMRBWGDDS 参数Abstract The bandwidth and bias are important index of operational amplifiers who can tell OP s performance.This testing system is under the control of micro controller.By modifying the testing circuit,a group of data can be o

3、btained.Then we can get some parameters of the OP under test like VIO,IIO,AVD,KCMR and the temperature of Op.Automatic measurement can be achieved.AD9851 is a stable DDS generator and we can get a pure sine signal from it.The result of measurement can be recorded,upload via RS-232 or be printed out

4、by a printer.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 21 页 -1 集成运放参数测试仪设计任务及要求一、任务设计并制作一台能测试通用集成运算放大器的测试仪，示意图如图1。二、要求1.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:测量范围为 040mV(量程为 4mV 和 40mV),误差绝对值小于3%读数+1 个字；IIO:测量范围为 04uA(量程为 0.4uA 和 4uA),误差绝对值小于 3%读数+1 个字；AVD:测量范

5、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(自制)用于 AVD、KCMR参数的测量，要求信号源能输出频率为 5Hz、输出电压有效值为4V 的正弦波信号，频率与电压值误差绝对值均小于 1；（4）按照本题附录提供的符合GB3442-82的测试原理图（见图 2图 4）,再制作一组符合该标准的测试VIO、IIO、AVD和 KCMR参数的测试电路，以此测试电路的测试结果作为测试标准，对制作的运放参数测试仪进行标定。2.发挥部分（1）增加电压模运放BWG(单位增益带宽)参数测量功能，要求测量频率范围为 10

6、0KHz3.5MHz,测量时间 10 秒，频率分辨率为1KHz;为此制作一个扫频信号源，要求输出范围为40KHz4MHz,频率误差绝对值小于 1%,输出电压的有效值为2V+0.2V;（2）增加自动测量(含自动量程转换)功能。该功能启动后，能自动按VIO、VIO、IIO、AVD、KCMR和 BWG的顺序测量、显示并打印以上五个参数测量结果；键盘与显示控制电路运放参数测试电路信号源被测运放名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 21 页 -1 1 方案比较与论证1.1 系统整体方案比较论证方案 1：利用标准测试电路，再配合FPGA 或 DSPADC 采集控制系统进行参数测试。

7、由于本系统要求精度不是很高，采集速度不是很快，因此从硬件成本上考虑较为浪费。FPGA、DSP 的编程较单片机更为繁琐，因此调试不是十分方便。方案 2：参考资料，自行设计电路，配合单片机采集控制系统进行参数测试。这种方案成功系数较低，因为这设计到阻抗匹配等问题。难度大，调试周期长,适合这样的大赛。方案 3：利用 GB3442-82 给出的电路，配合单片机采集控制系统进行参数测试。这种测试框架结构简单，调试方便，成本低。本所以采用这种模式。综上所述，系统各部分组成原理如图？所示。图 1.1 1.2 键盘显示模块方案比较键盘可以采用编码和非编码两种方案。编码键盘成本稍高，但节约CPU 资源；扫描键盘

8、成本低但CPU 开销大。本作品选择使用编码式的键盘。分析题目可知，显示模块可以选用数码管、LCD 来实现。为了获得较好的人机界面，本作品选择了带背光的LCD 产品 12864。由于 LCD 驱动较数码管驱动更占用 CPU 时间，系统加上了一块专门负责键盘和显示的MCU 完成人机界面的功能。1.3 自制信号源模块据题目要求，需要自制用于 AVD、KCMR和 BWG测试的信号源。现拟提出以下几个方案：方案 1:采用 MC145145 芯片的锁相频率合成所需的正弦波。由于锁相环的锁定速度较慢，产生频率一般很高，因此很可能达不到发挥部分“测量频率范围为100KHz3.5MHz,测量时间 10秒，频率分

9、辨率为1KHz”的要求。测试板被测放大器液晶显示器测试电路调理电路控制电路单片机系统板（A/D D/A 等）数据下载口编码键盘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 4 页，共 21 页 -2 方 案 2:采用AD 公司 的 DDS芯 片 AD9851。该 芯片 内 置 X6 倍 频器，fosc=30MHZ*6=180MHz,频率稳定度高，频率改变时间短（18 个系统时钟周期）。完全可以胜任题目的要求。方案 3：采用 FPGA 或 DSP合成正弦信号。这种方式成本很高，调试不便，不适合在此场合应用。方案 4：带有 DAC的单片机产生信号。这种方式受到片上DAC 和单片机工作

10、频率的限制，很难达到生成3.5MHz 正弦信号的指标。综上所述，方案 2 为最优方案。2 系统硬件设计2.1 系统硬件结构框图集成运放参数测试仪由键盘显示模块、控制采集模块、运放参数测试平台、自制信号源、打印机组成。系统结构框图如图*所示。2.1.1 键盘显示模块由 AT89C55 外挂 128X64 LCD 及编码键盘组成。由于键盘、显示部分较于消耗单片机CPU 资源，LCD 不自带字模因而需要占用大量单片机的 ROM 空间，故将该部分独立于采集系统。2.1.2 控制采集模块选用了Analog Device 公司的具有 51 内核的高速 SOC 芯片 ADuC841，该芯片内置 12 位 A

11、DC 及 DAC，且自带 15ppm的电压基准，ADC最大误差 2LSB，DAC 最大误差 3LSB，可以满足本系统误差绝对值小于3%的性能指标要求。2.1.3 运放参数测试模块包括基本测试电路和测试功能切换、量程切换电路和输出信号调理电路。因模拟和数字的不兼容性，为了减小它们之间的干扰，一般采用光耦或继电器切换。对于本系统而言，由于光耦是晶体管，在电路中并不是一个稳定的电阻，受温度影响特别大，而继电器导通电阻非常小，所以我们采用继电器进行控制。这些电路把测量的数据转换为ADC 可以采样的信号。采集模块 ADC 提供被测运放的各个测试项目的数据。2.1.4 自制信号源模块由AD 公司正弦信号

12、DDS 合成器 AD9851 制成，可以生成高纯度（在 1.1MHz 下无杂散动态范围SFDR 为 64dBc，20MHz下为 53dBc）、高稳定度的正弦信号。本系统可以使用与Centronics打印接口兼容的打印机。本系统推荐使用打印机型号为 MP-T24LP 型微型台式打印机。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 21 页 -3 图 2.1 2.2 VIO、IIO测量电路原理及设计当运放的输入为 0 时，输出往往不为0，这个电压是由输入级晶体管或FET特性不理想、晶体管hFE 的差异导致的。运放的这种特性通常用输入失调电压(VIO)来衡量。国标定义为“常温（27

13、摄氏度）下，当运放输入端口短路时，放大器的输出失调电压折合到输入端的等效差模输入电压值称为输入失调电压”。这个参数主要反映了输入级差分对管的失配程度，一般Vos约为（110）mV，高质量运放 Vos在 1mV 以下。输入失调电流的定义为“常温下当运放输入端口开路时，为了得到零输出，必须加到运放两个输入端的直流补偿电流，称为输入失调电流Ios”。这个参数也键盘显示模块AT89C55 控制采集模块ADuC841 运放参数测试平台自制信号源被测运放打印机名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 21 页 -4 是用于表征差放输入级两管不对称所造成的影响，记为Ios|IB1-IB2

14、|（IB1与 IB2是 Vo=0 时的两管基极电流）。通常，Ios 为（0.55）nA，高质量的运放如 ICL7650的 IIO低达 0.5pA。以下简述 IIO、VIO的测试原理。图 2.2 图*的左边为实际 VIO测量电路。假设运放存在失调，2 脚电压为 VIO，则运放后电压表示数可以由VIO/R1=UV/R2得出，VIO=UV1 R1/R2。图*的右边为 IIO测量电路。经分析计算得到IIO=UV2-UV1/R31+(R2/R1)。可见，若将电阻R2、R3的精度提高就可以提高测量精度,所以我们精确的选取它们。同时该电路用于运放温度特性的测量。将被测运放放于恒温槽中，恒温后用 ADC 采样

15、其电压值，就可以得到运放的温度特性参数。2.3 AVD的测量差模开环增益的定义是运放在没有外部反馈作用时的差模电压增益，它是决定运放电路运算精度的重要因素，定义为运放开环时的输出电压与差模输入电压之比，即：AVDVOD/VID。也可用分贝表示为：20 lg（AVD）20 lg（VDO/VID）。对于一般运放，AVD在（80120）dB 之间，高精度的运放 AVD可达（120140）dB。Avd 的 测 量 与 计 算：根 据 设 计 要 求（60 120dB），其 取 植 范 围 为60bd12020 lg()()20 lg20 lg()()SifSifV DLDiLDiVRRVRRAdBdB

16、VRVRdb，即 103106的测量范围。我们采用分量程的测试方式，在Vio 的测试电路因此通过k2 和 k5把量程切换到高放大范围，即Rf=100k，衰减器为 0.63。因20 lg()()20 lg20 lg()()SifSifV DLDiLDiVRRVRRAdBdBVRVR所以得20 lg60()|(100)SV DL DVAdBRfkV。在我们软件运算是只要算前项，最后字加上 60bd 即为最终结果。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 21 页 -5 AVD 的测量采用图*的电路，已知信号源电压为4V，按照电路测得辅助运放输出电压为 VLO，则有20 lg()

17、()SifV DLDiVRRAdBVR2.4 KCMR的测量共模抑制比 KCMR(CMRR，Common Mode Rejection Ratio)，它是衡量输入级各参数对称程度的标志。运算放大器在同相端输入信号时，共模抑制比对运算精度有较大影响，通常KCMR 约为（70100）分贝，高质量的可达160 分贝。本系统要求 KCMR 为（60120dB）。因为其测试范围广，60dB 的调节范围，这样很难在同一个量程内精确测量。所以我们用切换量程的方法，其实此电路是在前面量程切换的基础上改照而成。只要用简单的继电器切换即可实现。KCMR的测量见图*的电路，它的已知信号源电压有效值为4v，我们采用采

18、用AD公司的 DDS AD9851 芯片，详见有关部分。2.5 BWG的测量BWG（单位增益带宽积）参数测试，运放的单位增益带宽积为常数，增益越高，带宽越窄。即AvBWG常数。测试电路由信号发生器、测试电路、被测放大器、检波电路、等组成，其框图将见图*所示。图 2.3 图 2.4 信号源测试电路检波电路滤波电路单片机处理AD 采样调振放大电路名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 21 页 -6 2.5.1 信号发生器信号发生器仍采用采用AD公司的 DDS AD9851芯片，但是由于工作在比较高的频率下 100KHz4MHz，而幅度由不能满足我们的要求，在此频率下，一般放

19、大器很难工作，为此我们选用AD公司的 AD603高速程控增益放大器，既可以放大，又可以在程控调节幅度，减小由于频率变化而导致的幅度变化。基本电路如图？所示。它可以有40db 的可调范围。它三种不同的工作模式，我们选取9MHZ通频带，增益从 1050db。2.5.2 测试电路当输入信号源的频率由低逐渐增高时，电压增益V 0Av=1V 1保持不变。继续升高频率直到 Av=0.707 时所对应的频率就是该运放放大倍数等于1 时的带宽，即单位增益带宽。图 2.5 2.5.3 检波电路检波有峰值检波和平均值检波，峰值检波是微分性的电路，对快速变化非常敏感，所以容易受干扰；而平均值检波是积分性的电路，调节

20、起来比较慢，抗干扰能力较强，所以高频效果好，对低频效果较差。对于本系统而言，测量频率为100Hz3.5MHz 的范围内，所以采用平均值检波，这样系统会平缓，增强系统抗干扰能力。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 21 页 -7 图 2.6 2.6 实际测量电路遇到的问题和解决方法按照 GB-3442-82的标准，焊接电路后接入示波器观察，发现输出有严重的自激现象。运放工作在自激状态得到的测量结果是不正确的。因此消除自激非常重要。运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成深度负反馈条件下，很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定的工作，就需外加一定的频率补偿网络，以消除

21、自激振荡。通常使用如图*的相位补偿电路，可以消除自激现象。图 2.7 图中运放的电源两端加入了电解电容和独石电容并联形式的退耦电路。如果电源纹波较大，为了防止通过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在运放的正、负供电电源的输入端对地分别加入一个电解电容（10uF）和一个高频滤波电容（0.01uF0.1uF）。另外，焊接运放电路时需要特别小心，如走线尽量直、信号流向尽量不要构成环路等。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 21 页 -8 2.7 量程电路及切换依据2.7.1 量程电路图 2.8 根据设计要求 VLO分为（04mv）和（040mv），而 AD采样范围是

22、02.5v。放大器的 Vpp为15v，为了使放大器不失真的输出，我们取当VLO40mv，可得式 2.4.1。1025040G ainm（2.4.1）而根据测试电阻建议值我们可以推出2.4.2：Gain(min)=()(20100)200100RiRfkRf（2.4.2）所以得到，在 040mv得档位时，最大输出电压值为（2.4.3）：0.015V(max)(max)40200()8VoutvGainmvv（2.4.3）。限于 ad 采样范围（02.5v），在放大器后加了一级32的可变衰减器，保证能安全正确的采样。而根据测试电阻建议值我们又可以推出2.4.4：Gain(max)=()(10010

23、0)1000100RiRfkRf（2.4.4）所以得到，在 04mv得档位时，最大输出电压值为（2.4.5）：VoutvGainmvv（2.4.5）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 21 页 -9 为了保证在 ad 采样范围（02.5v），在放大器后加了一级63的可变衰减器，保证能安全正确的采样。2.6.2 量程的切换依据：本系统要求 Vio、Iio绝对误差小于 3，即 6 位二进制采样时最大值的绝对误差为1.6 0;j-)ADCCON1=0 x8c;/内部基准，以最慢速度采样.ADCCON2=channel;/通道设置SCONV=1;/开始单次转换名师资料总结-

24、精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 21 页 -16 while(ADCCON30 x7f);/判断是否转换结束，如果没有完成则等待 return p_adval/16;3.3.2 运算结果的处理ADC采样的结果与测试需要的结果是不完全相同的，一般有函数关系。解决这个问题可以从两方面下手，即要么调整硬件使这个系数接近某个整数，要么在软件上通过查表或运算求出结果。有时，还需要结合这两种方法以获得更高的精度。3.4 DDS 模块的软件设计AD9851采用串行方式控制。初始状态输出为5Hz，以满足基本要求的测试项目。扩展要求中需要一个扫频信号源，为此需要自行选定扫频频点及计算控制字。A

25、D9851的输出频率遵循以下公式：其中 Phase为 32位字长的频率控制字，System Clock 现为 30MHz 6180MHz，这里使用了芯片内部的6 倍倍频器，这样做的优点是可以减少成本并提高稳定性。经计算得到公式为：频率控制字 23861输出频率(KHz)每次变换频率时只需按照以下时序将控制字送出，便可以得到制定的频率。即将控制字移位，用 IO 口送出。图3.5 打印机的软件设计打印机作为一种输出设备广泛在测试仪器中使用。用单片机驱动打印机，需要将 C.标准的的打印机数据线挂在单片机总线上，通过单片机总线对其进行驱动。打印机驱动用到的信号线有：DATA0-DATA7 输入打印机的

26、数据总线STB 数据选通。当总线上数据就绪，将STB 置低通知打印机取走数据。（低电平有效）BUSY 打印机忙此外还有一些信号线，如设备出错ERR、数据应答 ACK 等可以选用，但这些信号线不是必需的。因而本系统没有使用。打印机使用ESC 开头的指令集，可以编写子程序，将一些常用的指令组合写在一起。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 21 页 -17 例如打印机初始化程序、打印汉字及字符的程序等等。4 系统的组装与测试测试仪器:RIGOL DS5102C 数字示波器 100MHz UNI-T UT56 数字万用表 4位半以下数据均用上述设备测量得到。在进行基本性能指

27、标测试前，了解测试仪内部信号源的工作状况是非常必要的。因为准确的测量结果需要建立在稳定的“源”的基础上，如果“源”不稳定，测试的结果就不真实可信。下面给出AD9851自制的信号源的一些参数。其中实际输出频率及输出幅度均从示波器上读出表*AD9851 信号源输出结果记录表理论输出频率(KHz)实际输出频率(KHz)输出幅度(mV)理论输出频率(MHz)实际输出频率(KHz)输出幅度(mV)5.000（Hz）5.005(Hz)232 1.000 0.995 224 10.00 10.00 224 2.000 2.000 222 40.00 40.00 222 3.000 3,000 226 100

28、.0 100.5 228 4.000 4.005 222 从上表可以得到这样的结论：AD9851 的输出幅度及频率是十分稳定的，完全可以满足测试要求。431基本性能指标测试根据题目要求，性能指标测试应该遵循如下过程：1将待测运放插入符合GB3442-82标准的自制的运放参数测试电路，用数字万用表测出 VIO、IIO。2将自制信号源电缆分别插入数字示波器和频率计，观察输出频率应该在4.95Hz 到 5.0Hz，幅度应该在 5.0926.224 范围内。3将自制的标准测试电路接到AVD和 KCMR测试状态测出这两个参数。4将运放从标准测试电路取下，装入待测测试仪的测试平台，测量上述基本参数，并与自

29、制的标准电路进行比较。基本参数测试记录表测试仪器数字万用表UNI-T UT56 数字示波器RIGOL DS5102C 温度运放名称信号源频率幅度测试仪器自 制 测 试 仪标 准 测 试 仪误差VIOIIOAVDKCMR名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 21 页 -18 1电子线路设计实验测试,谢自美主编。华中理工大学出版社。2 运算放大器电路。内山明治。科学出版社，2001。3OP 放大电路设计。冈村迪夫。科学出版社，2004。4 单片机原理及其接口技术。胡汉才。清华大学出版社，1996 5 电子创新设计。王松武、于鑫。国防工业出版社，2005 6 模拟电子技术。谢红主编。哈尔滨工程大学出版社，2002。7 数字电子技术基础。岩石主编。高等教育出版社，2002。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 21 页，共 21 页 -