机器人资料-论文-161-放大器参数测试仪29082.pdf

1 一一、题目要求和方案论证题目要求和方案论证 题目要求题目要求： 1）制作出放大器参数测试仪 1）测试参数的种类、数量自定，电压增益不小于 1000，输出幅度不小于 10v； 2）测试参数的精度自定； 3）测试仪的功能，例如对测试的结果是否存储、显示、打印等自定。 方案论证方案论证： 方案一方案一：基于模拟器件的信号处理方法基于模拟器件的信号处理方法 整机测试指标：放大器放大倍数，输入阻抗，输出阻抗，最大不失真电压。 电路实现方法：前端信号采用 8038 集成函数发生器产生测量信号，频率的改 变利用改变外界的电阻方法来实现。 放大器输出幅度的测量采用二级管检波的 方法进行测量，同时利用模拟除法电路对输入信号和输出信号进行运算，从而 得到放大器的放大倍数。对于最大不失真电压的测量采用模拟滤波法，众所周 知，在放大器输出电压失真的情况下，会产生谐波分量，利用低通和高通滤波 器，我们便可以将基波分量和谐波分量分离出来，从而得到基波分量与谐波分 量的比值，根据比值的大小，我们便可以判断出失真与否，还有失真的程度， 即完成了对放大器参数的测量。 基于模拟器件的信号处理系统是一种比较传统的信号处理方法， 一般应包括放 大器、滤波器、乘法器、除法器等。这种系统实时性比较好，而且如果没有对 精度的特殊要求，它的造价一般也比较低。但用于这种场合是不合适的，原因 在于这一信号处理系统要用到除法器，而模拟除法器要达到比较高的精度，其 造价是比较高的，而且调试也比较困难，稳定性很难保证，因此本设计将不采 用模拟器件作为核心的信号处理系统。 方案二方案二：基于基于 cpldcpld 作主控单元数字测量与分析方法作主控单元数字测量与分析方法 整机测试指标：幅频特性、输入阻抗、输出阻抗、最大不失真电压、失真度的 测量； 电路实现方法：前级信号源利用 fpga 来实现，通过 dds 技术产生频率和幅度 可程控的信号源，用于对放大器的测量；后级输入阻抗，输出阻抗，最大不失 真电压，失真度的测量，采用 cpld 控制外接高速 ad 进行数据采集与处理，从 而得到对放大器参数的测量。 方案的优缺点： 优点：完全依靠于数字化的测量，比如对最大不失真电压的测量，可以利用 cpld 进行 fft，从而完成对信号频谱的分析，得到最大不失真电压和失真度的 测量。此种方案处理速度快，实时性好。 缺点：成本高，编程任务重，同时针对题目的要求，由于电压增益不小于 1000 倍，输出幅度不小于 10v,可以很明显的看出，测量对象是低频放大器，因此 对主控单元的处理速度要求不是非常严格，因此设计过程中没有采用此方案。 方案三方案三：基于单片机作为主控单元基于单片机作为主控单元，利用数字器件的测量利用数字器件的测量 2 整机测试指标：幅频特性、输入阻抗、输出阻抗、最大不失真电压； 电路实现方法：信号源采用 ad9850 进行生成，采用 ad9850 的最大优点是频率 可控，频率稳定度高，且幅度稳定，一般不需要外界的附加电路便可以实现， 从而给电路的设计带来方便，放大器的输入阻抗测量采用等效电阻法进行测 量，放大器的输出阻抗利用双重负载法进行测量，大负载接入放大器输出端， 可以将电压信号完全采集出来，而利用小负载时，由于放大器本身存在内阻， 因此当小负载可以和放大器的输出电阻相匹配的时候， 便可以等效为放大器的 输出电阻和小电阻进行分压，从而利用公式可以求得放大器的输出电阻。 而最大不失真电压的测量采用了频域计算的方法， 通过时域的测量并进行了变 换得到了最大不失真电压。 另外系统采用此方案，有许多优点，例如不易受干扰、重复性好、调试容 易、稳定性好等，最突出的是精度高。缺点是：实时性较差、系统复杂，造价 稍高，需要较多的开发经验。对于这一系统，由于对实时性要求不是太高，而 精度是主要矛盾，因此我们决定选取基于数字器件的信号处理系统，来完成本 设计。 综上所述，我们选择方案三，通过分析可以看到，方案一没有充分应用现 在电子器件的大规模集成电路， 因此， 实现的功能不能够达到智能仪器的要求； 方案二虽然应用了大规模集成电路，但是成本较高，同时由于测量的放大器是 低频放大器，因此对速度要求不是非常严格，因此完全可以利用单片机来作为 主控单元，同时前端信号的产生，利用了 ad 公司的单片 dds 专用芯片 ad9850 来实现，它具备与单片机方便的接口，可以通过单片机编程实现对其产生信号 频率的控制，缩短了整机的开发时间。 二二、整机工作原理与功能实现整机工作原理与功能实现 1 1、 系统的方框图设计系统的方框图设计 图 2-1 系统设计方框图 以上框图中表示的为放大器参数测试仪的主要组成。 1 1） 待测放大器待测放大器：待测放大器的主要技术指标均已达到或超过题目当中给定的测 量指标。经过直接测量，放大器的最大放大倍数为 1200 倍，输出最大不失真电 压为 14v,输入阻抗为 10k，输出阻抗为 50-100 欧姆。由此可见，这样的低频 模拟放大器基本可以满足我们的测试要求。 待测放大器电路采用集成运算放大器完成， 集成运算放大器性能指标大大优 于晶体管组成的分立元件放大器。理想集成运算放大器的主要特点： 差模增益趋 向于无穷大，输入电阻趋向于无穷大，即两个输入端之间的等效电阻很大。集成 运放的共模抑制比很大，通常大于 80 至 100db。 待测放大器 人机界面 放大器测试仪 1 2 3 3 关于集成运放的输出端与输入端之间相位关系特性主要有下列几点： 同相输 入端与输出端的信号相位相同， 反负相输入端与输出端信号相位相反。 在反相输 入端信号电压不变时， 同相输入端的输入信号电压增大， 输出端的信号也在增大； 同相输入端的输入信号电压减小，输出端的信号也在减小。 在同相输入端信号电 压不变时，反相输入端的信号电压增大，输出端的信号电压减小；反相输入端的 信号电压减小，输出端的信号电压增大。集成运放的输出电压由下式决定： uoao（ui1ui2） 式中：uo 为集成运放的输出电压；ao 为集成运放的开环放大倍数； ui1 为集 成运放同相输入端信号电压；ui2 为集成运放反相输入端信号电压。从上式中可 以看出， 当输入信号电压 uo1 大于输入信号 uo2 时， 输出信号电压 uo1 大于零 （为 正）；当输入信号电压 uo1 小于输入信号 uo2 时，输出信号电压 uo1 小于零（为 负）。 为了电路分析和计算的方便， 需要将电路中的集成运放看成是一个理想的集 成运算放大器，显然当集成运算放大器的性能愈好时，计算和误差就会愈小，所 设计的实际电路与理论计算就愈接近。 1：反相放大器 反相输入运算放大器的输入输出关系为 uo=- auf ui=-rf ui/r1 输入电阻 ri=r1 输出电阻 ro0 平衡电阻 rp=r1/rf 图 2-2 反相放大器电路 反馈电阻的阻值不可太大，否则会产生教大的噪声及漂移，一般为几十千欧 到几百兆欧。r1 的取值应远小于信号源的内阻。 反相放大器的实际输出电阻 在一定的输入电压 ui 作用下，反相放大器的输出端可以看作是电势为一定 值的有源二端网络，其等效输出电阻是在无负载时输出开路电压 uo 除以负载短 路电流 ik， roe=uo/ik 如下图 2-3 所示，由于输出端短路接地，输出对反相端的反馈电压为零，反 相端对地的电压为输入电压 ui 的分压值 + _ + + uo _ + ui _ r1 rf rp 4 图 2-3 放大器输出电阻等效计算电路 u- =uir2/（rd+r3）/r1+r2/（rd+r3） =uir2（rd+r3）/r2（rd+r3）+r1（r2+r3+rd） 差模输入电压经过差模放大后的输出电压为 eo= -ad（u-u+）=-adu-rd/（rd+r3） 反相放大器的输出短路电流 ik 是 eo 经过 ro 的短路电流 io 和经 r2 流入地 的电流 i2 之和。则有 ik=eo/ro+u-/r2=-adr2rd+ro （rd+r3） ui/ror2 （rd+r3） +r1 （r2+r3+rd） 由以上式子可求得反相放大器的等效输出电阻为 roe=uo/ik =ror2（rd+r3）+r1（r2+r3+rd）/rdr1ad+（rd+r3） （r2+ro）+r1 （r2+r3+rd+ro） 因为 ro r1、r2，则 roero/（1+ad f） 可见反相放大器的输出电阻与集成运放的输出电阻ro相比， 降低了 （1+ad f） 倍。 当输入交流信号时， 由于运放的开环增益是频率的函数， 反相放大器的输出 阻抗也是频率的函数，则 zoe=zo/1+ad（j）f 一般信号频率 n，则输出阻抗 zoero/（1+adf） ，当输出频率比较 高时，输出阻抗将有很大的变化。 + ui - r1 u- r2 rd r3 i2 ro + eo - io ik 5 2：同相放大器 同相放大器的电路图如下图 2-4 所示： 图 2-4 同相放大器电路 输入与输出之间的关系为 uo=（r1+rf）ui/r1 输入电阻 ri=ric 此式中 ric 为运放本身同相端对地的共模输入电阻，一般比较大，约为 100 兆欧母左右。 同相放大器的输出电阻与反相放大器的输出电阻一样 ro0 平衡电阻为 rp=r1/rf 同相放大器与反相放大器相比， 同相放大器具有很高的输入电阻和很低的输 出电阻是很好的阻抗变换器。 2 2）放大器测试仪放大器测试仪：这是测试放大器的最关键的部分，此部分可以实现对输入阻 抗，输出阻抗，最大不失真电压，幅频特性的测量。主要框图如下： 图 2-5 放大器参数测试原理框图 3 3）人机界面人机界面：主要由两大部分组成，分别为上位机显示界面和下位机操作系 + _ + + uo _ + ui _ r1 rf rp 信号源 待测放大器 检波器 多路开关 a/d 数据采集 主控器 mcu 锁存器 6 统所构成。对于下位机的操作系统主要包括，键盘部分，数码管显示部分，数 据上传部分，电源部分所构成。其中，利用键盘，用户可以选择要测量的放大 器参量， 从而进行相应的测量； 数码管显示部分， 可以显示用户操作是否正确， 操作的提示信息等附加功能；数据上传部分是整个系统的连接纽带，负责向上 位机传送测得的数据；电源部分主要为整个系统提供稳定的工作电源。 2 2、各级电路的选取以及工作原理各级电路的选取以及工作原理 1 1）幅频特性测量电路的选取幅频特性测量电路的选取 采用检波法测量输入输出的信号幅度，然后进行除法运算，从而达到了测量幅 频特性的目的。对于前端信号利用了 ad 公司的专用集成芯片 ad9850，它具有 于单片机便捷的接口，因此可以通过软件对输出信号的频率进行控制，由于测 量的对象是低频放大器，因此我们使 ad9850 输出的频率范围是从 0500khz, 幅度的测量通过二极管检波。在实际电路当中，根据实际需要对电路参数进行 了恰当的设置。 为了保护 ad9850，同时减小信号源的输出阻抗，我们在 ad9850 的后侧放了一 级射随，采用了 ad813 完成，此运算放大器的带宽为 10mhz,完全可以满足我 们的需要，信号经过射随之后，经过检波管进行检波，所得的直流进入 a/d, 放大器的输出信号也要经过检波管进行检波,防止检波电路对前级放大器输出 造成影响，因此在放大器与检波器之间加了一级的缓冲，从而达到了相互隔离 的目的。检波之后，得到的直流进入 a/d 转换，a/d 的输入切换通过模拟开关 来实现，虽然模拟开关在导通时有一定的内阻，但是电路采用模拟开关，切换 的是电压信号，用模拟开关便可达到这一目的，并且不会给系统带来特别大的 误差；如果采用继电器，虽然导通内阻为零，但是切换速度不能过快，给系统 的实时性造成影响。鉴于此种原因，我们选择了模拟开关实现对电压信号的切 换测量。a/d 转换器，我们采用的是 ti 公司的 8 位串行单通道 ad tlc0831， 它占用外界资源少，接口简单，编程方便。 图 2-6 幅频特性测试电路（一） 7 图 2-7 幅频特性测试电路（二） 2 2） 输入阻抗测量电路的选取输入阻抗测量电路的选取 在输入阻抗测量电路的选取上， 我们首先考虑到把放大器的输入阻抗等效为一 个待测电阻，建立起来这个概念之后，对于输入阻抗测量电路的选取，就有了 一个整体的认识。 将前端信号源和放大器的输入端之间串入了一个已知阻值的 电阻， 然后通过检波管对信号源的幅值和放大器等效输入阻抗上的电压幅值进 行检波，送入 a/d，并且通过单片机进行计算，便可以得到放大器的输入电阻。 具体的电路如下图所示。 图 2-8 输入阻抗测试电路 8 需要说明的是， 对于测量放大器的输入阻抗时上端已知电阻的选取到底以何种 标准为宜，经过我们反复的测试，发现这个已知电阻的选取既不能太大，又不 能太小，太大则导致落在放大器等效输入阻抗的电压值过小，测量不准确；同 理，如果阻值过小，导致信号源的压降全都落在放大器的等效输入电阻上，也 不能精确的测量放大器的输入电阻值。 3 3） 输出阻抗电路的选择输出阻抗电路的选择 对于输出阻抗的测量的方法与输入阻抗有类似的方面，输出阻抗也可以等效， 这样我们在放大器输出时接入两种不同的负载，一种是无穷大，相当于开路时 测量放大器输出的电压值，一种情况是接入一个阻值赋在很小的负载，这样由 于放大器本身存在内阻，导致有一部分电压会落在内阻上，从而通过检测电压 值，便可以计算出放大器的输出阻抗。具体电路形式见下图。 图 2-9 输出阻抗测试电路 4 4） 最大不失真电压测量的电路选取最大不失真电压测量的电路选取 对于最大不失真的测量， 已经在前面的方案选择里讲到了很多种的实际测量方 法，可以利用时域分析法，频域法；在这里我们采用了频域分析的方法，利用 a/d 转换器对放大器的输出电压进行测量，并对采集的数据进行 fft 变换，从 而得到电压的频谱，再设计作品的实际过程中，我们利用了 tektronix tds220 数字示波器对放大器地输出电压进行了频谱分析， 得到了其基波与各次谐波之 间的频谱幅度关系，分析发现，当放大器的输出电压出现失真时，它的基波分 量和三次谐波分量会有较大的变化，特别是三次谐波分量会很快上升，而基波 分量有小幅度的下降，从而在对输出电压进行 fft 之后，对其的基波与三次谐 波的幅度进行比较，便可以得到该放大器的输出电压是否失真，并可以得到最 大不失真电压。具体电路如下图所示： 9 图 2-10 最大不失真电压测试电路 5 5） 信号源电路与信号源电路与 a/da/d 电路电路 信号源采用 ad 公司的专用集成芯片 ad9850，可以产生频率可控的正弦信号。 由于测量对象属于低频放大器，因此产生信号的频率范围是从 0-500khz； ad9850 采用 32 位频率控制字，由于单片机是 8bit 数据宽度，因此需要 4 个 字节便可以完成对 9850 频率的设置；对于频率与频率控制字之间的关系，如 下公式所示： 其中公式当中的 fout 是 ad9850 输出的频率值；频率控制字；clkin 是 ad9850 的主振时钟。可以看到，根据所要得到的频率值，很容易就可以得 到 ad9850 的频率控制字。 通过单片机实现对 ad9850 的操作就很容易的得到了 测量放大器的前端信号源。其中，ad9850 的各位控制字和读写时序见下图： 图 2-11 ad9850 时序图 10 a/d数据采集电路采用tlc0832进行测量， a/d转换器的输入范围是05v， 8bit 串行，因此与微处理机接口与编程都十分方便。 tlc0832 的基本特性：tlc0832 是八位逐次逼近模数转换器，它有两个可 选择的输入通道。tlc0832 的特点如下： *8 位分辨率； *可和微处理器接口或独立使用； *可满量程工作或使用 5v 基准电源； *具有单通道或多路器选择的双通道，并可选择单端或差分输入； *采用单 5v 供电，输入范围为 05v； *输入和输出与 ttl 和 cmos 兼容； tlc0832 处于工作状态时，置 cs 端方可启动转换，并使所有的逻辑电路使 能。cs 在整个转换过程中必须置为低电平，接着从处理器接受一个时钟。当一 个时钟的时间间隔被自动插入后，可以使多种转换器选定的通道稳定。而当 do 脱离高阻状态时，可提供一个时钟的时间间隔的前导低电平，以使多路器稳定。 sar 比较器用于对电阻梯形网络输出的逐次信号和输入模拟信号进行比较，比较 器输出则用于表示刘大于还是小于电阻梯形网络的输出。在转换过程中， 转换的 数据同时从 do 端输出，并以最高位(msb)开头。在经过 8 个时钟后，转换完成， cs 变高，内部所有寄存器清零，此时，输出电路变为高阻状态。如果希望开始 另一个转换，cs 必须有一个从高到低的跳变，且后面应紧跟着输入地址数据。 tlc0832 的输入配置可在多路器寻址时序中进行，多路器地址通过 di 端移入寄 存器。 用多路器地址选择模拟输入通道的方法如表 2-1 所列， 其工作时序图如图 1 所示。 表 2-1 选择模拟输入通道 通道号 ch0 ch1 输入数据流（bit） 110 111 图 2-12 tlc0831 时序图 11 6 6） 数据处理与主控电路数据处理与主控电路 由于对数据采集与处理的速度要求不太高， 同时以控制和运算为主的系统一般 选用单片机来处理数据，单片机技术是比较成熟的技术，它的特点是以程序控 制的方式把比较复杂的问题化大为小逐步求精， （如：乘法可以化为若干次加 法处理）这样一来非常复杂的问题也可以处理了，缺点是实时性较差，单片机 由于其使用面非常之广因此价格极其低廉， 对于本系统使用单片机是再合适不 过了。在有些场合速度要求较高而问题又比较复杂（如：数字滤波技术）就需 要我们另辟蹊径了，比如 dsp 器件就是专为解决这些问题设计的。dsp 器件从 本质上说和单片机类似也是程序控制方式，但其采用了不同于冯-诺依曼的哈 佛结构使程序运行速度更快，在总线上采用流水线结构，并专设有用于乘法运 算的硬件乘法器。这些技术的综合运用使得 dsp 器件执行一条指令的时间以 ns 计。dsp 器件的缺点是成本高对开发人员的数学功底要求较苛刻，但 dsp 器 件以其固有的优点代表着数字信号处理器件发展的方向。 本系统采用 89c51 单片机，由于其优良的性能和低廉的价格，用在本系统的数 字处理机部分是非常合适的。单片机按其性能可分为 8 位和 16 位，16 位单片 机由于其造价较高使用不多，8 位单片机以 51 系列为代表。at89c51 单片机是 51 系列单片机性价比较高的一种，内含 4k 电可擦 rom、128 字节 ram。用户程 序可以直接烧录到芯片内而不需要外配 rom 和 ram 非常方便，at89c51 内含两 个 16 位定时器，一个全双工串口，5 个双优先级中断源，4 个 8 位 i/o 口。这 些资源在大多数场合已足够用，这里也不例外，因此本设计的数字处理机电路 非常简洁。 7 7） 显示与键盘电路显示与键盘电路 对于这部分电路、一般常用两种办法： a：利用专门译码芯片如 cd4053 和专用编码芯片 icl8279 控制数码管和键盘。 b：利用单片机、i/o 口直接驱动输入方法和完成对键盘的控制。 图 2-13 显示与键盘电路 由于本设计用了多达 16 个键盘和 8 个数码管， 用专用模块编码译码成本 相对较高(icl8279 零售价 40 元)，所以不采用 a 方案。另一方面，考虑到本 设计中单片机负荷较重，需要同时进行数据的采集及处理，并控制多个模块工 作， 难以再给出 i/o 口来对键盘和数码管进行控制， 因而 b 方案也是不合适的。 针对以上分析，根据题目要求，我们用 max7219 来管理 8 位数码管，利用单片 机的 p1 口完成对键盘的扫描与控制， 从而完成了廉价高效的显示和键盘单元， 由于 max7219 内部有 128 字节的 ram，因此还为系统提供了 128 位的 ram，以 及更为强大的数据处理能力，可谓一举多得。实践证明这样的设计是行之有效 的。 显示 ad9850 89c51 单片机 键盘 max7219 12 8 8） 与上位机通讯电路与上位机通讯电路 串口是计算机与外部设备进行数据交换的重要介质， 所以串行通信在实际工程 实现中有着广泛的应用。而 microsoft 公司的 vc+6.0 功能强大，其基础类库 （mfc）封装了 win32 api 中的标准通信函数，可方便的支持串口通信。在放 大器参数测试仪的设计中，为了能够将幅频特性曲线、输入阻抗、输出阻抗、 最大不失真电压通过 pc 进行显示，我们运用了串口进行了下位机（单片机） 与上位机（pc 机）的通信。 二者通过 rs-232 串行口接收或上传数据和指令。传输介质为二芯屏蔽电 缆，接线图如下图所示： 图 2-14 rs-232 串行口接线图 rs-232 信号的电平和单片机串口的电平不一致，必须进行二者之间的电平转 换。在此使用的集成电平转换芯片 max232 为 rs-232c/ttl 电平转换芯片。它 只使用单+5v 为其工作，配接 4 个 1uf 电解电容即可完成 rs-232 电平与 ttl 电平之间的转换。其原理图如下图所示，转换完毕的串口信号 txd、rxd 直接 和单片机 at89c51 相连接。 图 2-15 rs-232c/ttl 电平转换图 3 3、电路设计与参数计算电路设计与参数计算 1)1) 待测放大器的设计待测放大器的设计 为了满足测试要求，设计的放大器应该具有放大倍数在 1000 倍以内可调的 特点，因此我们采用两级运放，第一级最大放大倍数 50 倍，第二级最大放大倍 数为 20 倍，从而达到设计要求。同相放大器与反相放大器相比，同相放大器具 有很高的输入电阻和很低的输出电阻是很好的阻抗变换器。 因此为了提高放大器 本身的性能，我们第一级放大采用同相而第二级采用反相放大。其电路图如图 2-15 所示， 13 图 2-16 放大器原理图 图 2-17 放大器电路图 2)2) 输入阻抗测量电路的设计输入阻抗测量电路的设计 在输入阻抗电路设计参数的计算过程中，考虑到了几个参数的选取，包括检波 器的输入阻抗，检波二极管的抬升电压的获取，放大器输入端固定电阻的阻值 选取； 为了提高检波器的输入阻抗，在检波管的后级电阻选取了大电阻，为了提高低 频信号的检波质量，与其并联的电容也选取了较大值，根据实际效果，检波电 阻为 50k，检波电容为 10uf，通过实际测量，可以满足电路的要求。 为了对幅度小的信号也能进行检波，防止检波管的死区电压影响检波管的效 率，在检波管上加了一个偏置电压，该电压能够让检波管处于微导通状态，从 而提高了检波效率。根据实际情况，选择的检波管型号为 2ap9，属于锗管， 因此将偏置电压设置为 0.3v，实际证明，效果很好。 由于检波电路的输入阻抗与前面提到的电路均有直接关系，因此，在前面的电 阻选择上，我们均选用了较大的电阻，以免使检波电路的输入阻抗过小，影响 前级电路。 3 3）幅频特性电路参数的计算幅频特性电路参数的计算 在幅频特性测量上，也应用了检波电路，具体电路参数与输入阻抗的参数计算 过程近似。电路实现过程中发现，在放大器放大倍数超过 800 倍时，放大器输 出检波器会对放大器的输出信号造成影响， 这对测量输出阻抗和最大不失真电 压是极为不利的。 防止出现这种失真， 我们在放大器的输出端加了一级射随器， 这样解决了放大器失真的问题。 4 4） 输出阻抗的测量参数的计算输出阻抗的测量参数的计算 14 对待测放大器进行了手动测量，发现放大器的输出阻抗在 10 欧姆-30 欧姆 之间，如此小的输出阻抗，给实际的自动测量带来了很多技术难题。针对这个 问题，我们采用了双负载对输出信号进行提取，对于双负载的切换，并没有采 用模拟开关，而是采用继电器，因为输出阻抗本身就较小，采用模拟开关，由 于其本身存在导通电阻的问题，因此会给测量带来很大的误差。虽然继电器切 换频率不能过快， 但是对于放大器输出阻抗的测量上并不需要对继电器进行过 高频率的切换，因此采用继电器实现切换是理想的选择。 放大器的双负载，在实际过程中，我们分别选择了 100k 和 100 欧姆，因此可 以对放大器的输出阻抗进行测量。 三三、at89c51at89c51 软件设计软件设计 第一节第一节 放大器各参数测量程序设计放大器各参数测量程序设计 此部分处理程序主要控制着 a/d 转换器的工作，检测峰值，继电器和模拟开关 的切换，与微机的通信和显示键盘通信等。 1 1）主程序设计主程序设计 初始化部分用于加载各特殊功能寄存器的值，和一些重要的寄存器初始状态， 然后检测是否开始测量，这时程序不停检查各测量标志位的状态，一旦有要测 量的指标，马上跳转到相应的程序完成对相应指标的测量，放入暂存器保存当 前值，以备用于上传到 pc 机。 （详细程序见附录） 2 2）中断程序设计中断程序设计 中断程序主要用于键盘检测与相应功能标志位的置位， 一旦有中断申请， 证明要测量放大器的某个参数，程序马上执行置标志位的工作，并迅速跳回主 程序，主程序可以通过判断相应的测量标志位是否置位来执行相应的程序，这 样可以保证对键盘响应的测量任务每一次都能以最快的速度执行， 并且不会影 响其他中断源的工作。 3）定时器中断程序设计定时器中断程序设计 定时器中断程序主要用于控制 a/d 转换器的采样频率，由于在测量放大 器的输入阻抗、输出阻抗、最大不失真电压的过程中，要通过信号源加入一定 频率的正弦信号， 然后通过测量输入信号与待测量点之间的关系来计算出各个 放大器的参数， 信号源提供的频率为 300hz,因此采样速率我们设置为 5k,因此 在一个周期当中相当于采集了 16 个点，总共采集点数为 128 点，在测来能够 最大不失真电压的时候，我们利用的单片机进行 fft 变换，实践证明由 128 个 数据点来进行 fft 变换得到信号的频谱是比较好的。 定时器初值计算： 4 4）串行通讯中断子程序设计串行通讯中断子程序设计 串行通讯主要用于接收微机的控制信号， 和握手信号， 握手信号是一个特殊数值， 当单片机接到这个信号后， 马上在返回给微机这个信号， 这样微机就可以判断出 和本系统是否连上，为下一步的处理做准备，由于程序很简单，在此就不多作介 0ebhtl0 0feh th0 h 100592.11/8 102. 6553665536 102 . 5k 6 4 - = = = -=-= = - eb fe s 时钟周期 定时时间 初值 定时时间 1 -4 15 绍了，详细情况参见源程序清单。 波特率计算： 晶振选用 11.0592mhz 的原因，只有这一晶振频率下才能保证单片机工作最快 且定时器的初值为整数， 否则或者单片机工作速度下降或者波特率不准影响通 讯质量。 第二节第二节 显示与键盘处理程序设计显示与键盘处理程序设计 显示与键盘处理程序担负着原始数值信号到显示七段码的变换， 对数码管 和键盘的扫描等功能。 此部分程序由于在数码管扫描时采用的是 max7219 专用数码管扫描芯片， max7219 是串行接口，能驱动 8 位数码管，其读写时序非常简单，根据下面的 时序图，我们很容易的编写了 at89c51 的程序，在单片机当中，我们开辟了 8 个字节作为显示缓冲区，同时用 max7219 的最大优点是，一旦单片机将数据发 送给 max7219 之后，那么单片机就不用去管理数码管了，可以由 max7219 单独 来完成扫描过程。mxa7219 时序图如下图所示： 图 3-1 max7219 时序图 键盘程序采用中断设计方法，通过与门连接到单片机的中断口上，我们利 用了中断 int0，从而实现了对 4*4 键盘的扫描。由于程序设计不是很复杂， 在此不再加以赘述，详见程序清单。 四四、上位机程序设计上位机程序设计 对于单片机与 pc 机通讯采用了协议，传输波特率为 9600，通过 vc+ 6.0 fdhtl fdhth fdh smod 01 01 0 10072. 3 100592.11/12 256 1 2561 10072. 3 2 960032 2 32 1 6 5 5 = = = -=-= = = = 溢出率定时器 机器周期 初值定时器 波特率 溢出率定时器 16 编写上位机的程序，在 windows 环境下提供了完备的 api 应用程序接口函数， 程序员通过这些函数与通信硬件接口。通信函数是中断驱动的：发送数据时，先 将其放入缓存区，串口准备好后，就将其发送出去；传来的数据迅速申请中断， 使 windows 接收它并将其存入缓冲区，以供读取。发送过程较易实现，接收处 理方式主要有查询和中断方式。采用查询方式时，cpu 要不断测试串口是否有数 据，以防止接收串口数据出现错误、遗漏、效率低；而采用中断方式则无需测试 串口，一旦有数据传至，cpu 终止当前任务，由中断服务程序完成操作，所以， 中断方式具有效率高、接收准确、编程简单等优点。因此在上位机程序的编写过 程中采用的是中断接收方式。 第一节第一节 通信协议通信协议 为了实现更好的数据传输， 防止出现数据冲突， 我们在单片机与上位机通讯 时， 约定了协议， 当单片机向 pc 机发送关键字时， pc 机程序才执行相应的功能。 现将双方的通讯协议介绍如下： 波特率为 9600bit ,n81(无奇偶校验，8 数据位，1 停止位),每个字节使用 ascii 码 1、幅频特性（单位：横轴 k 欧姆，纵轴倍数） a 总点数 x 坐标 x 坐标 。 。 。 。 s 起始位 1 字节 幅频特性总点数 4 字节 1 字节 7 字节 。 。 。 。 停止位 1 字节 2、输入阻抗（单位：k 欧姆） i 输入阻抗 s 起始位 1 字节 3 字节 停止位 3、输出阻抗（单位：欧姆） o 输出阻抗 s 1 字节 5 字节 停止位 4、最大输出不失真电压（单位：v） v 最大输出不失真电压 s 1 字节 2 字节 停止位 第二节第二节 程序实现与流程程序实现与流程 该程序实现主要功能为： 以图形的方式显示被测放大器的幅频特性， 输入阻 抗，输出阻抗及最大不失真电压。 程序实现方法，串口通过 mscomm 控件接收数据，对接收到的数据进行处理并在 屏幕上显示出来。 1. 在 oninitdialog 中配置串口 串口设置为二进制方式， 大于等于一个字符则发出一个 oncomm 事件， 配置为 “9600，n,8,1”。 2. oncomm 函数 oncomm 函数接收数据并存入缓冲区，检测到s后则判为一组新数据接收 完，发出 wm_comnewdata 消息。 3数据处理 17 oncomnewdata()函数响应 wm_comnewdata 消息并对接收到的数据进行处理， 为防止前一数据未处理完毕又接收到新数据造成数据丢失， 特设一循环检测直到 处理完毕。 4屏幕显示 在 onpaint()函数中将接收到的数据按其特定的方式显示出来。 各部分程序流程图 图 4-1 屏幕显示程序流程图 n y 清空 m_fa将得到的新 值赋给 m_fa 按得到的频点对未 采集到的插值 y m_strrxdata 中有无i 解码后送给 m_rin 即输入 阻抗 解码后送给 m_rout m_strrxdata 中有无v 解码后送给 m_violocity m_strrxda ta 中有无 o 开 始 m_strrecv 从开始到s 赋给 m_strrxdata m_strrecv 中有无 s m_strrxdata 中有无a 结束 y n n y n y 18 上位机的程序流程如下图所示： 图 4-2 上位机程序流程 五五、实验数据测量与误差分析实验数据测量与误差分析 为了验证所作放大器参数测试仪是否能够达到测试指标， 我们用仪器进行了 实际的测量，实验仪器与测试数据如下。我们用到的测试仪器是，wyk302b2 直流稳压源、sg1640b 信号发生器、tektronix tds220 数字示波器、da-16 型晶 体管毫伏表、sabtronics （5000 dmm/scanner 型） 高精度 7 位半数字电压 表。 1）放大器幅频特性测试放大器幅频特性测试 表 5-1 放大器幅频特性测试数据 将内存位图显示在显示器 结束 开始 创建内存 dc 及位图 背景图放入内存 在内存 dc 上绘制网格线 在内存 dc 上绘制字符标注 绘制幅频响应曲线 19 直流电源 vcc=+15v，输入信号峰峰值：vpp=10mv 输出信号 uo 也是峰峰值 f/hz 100 235 543 764 1018 1300 1570 1860 2160 uo/v 12.2 12.2 12.2 12.2 12.2 12.2 12.15 12.1 12.0 au 1220 1220 1220 1220 1220 1220 1215 1210 1200 f/khz 2.54 2.90 3.50 4.04 4.72 5.28 5.92 6.95 8.05 uo/v 11.9 11.85 11.80 11.65 11.50 11.40 11.30 11.20 10.90 au 1190 1185 1180 1165 1150 1140 1130 1120 1090 f/khz 9.25 10.62 11.90 12.50 12.99 14.50 17.79 20.28 25.03 uo/v 10.30 9.64 8.96 8.68 8.48 7.68 6.48 5.68 4.44 au 1030 964 896 868 848 768 648 568 444 f/khz 33.00 39.50 50.76 60.20 65.20 80.39 89.30 101.5 131.5 uo/v 3.24 2.58 1.84 1.38 1.16 0.824 0.688 0.560 0.388 au 324 258 184 138 116 82.4 66.8 56.0 33.8 f/khz 155.2 259.3 353.9 413.4 491.5 uo/v 0.276 0.108 0.098 0.082 0.051 au 27.6 10.8 9.8 8.2 5.1 根据以上数据可以画出放大器的幅频特性图如下所示，为了方便观察， 我们 将此图分为 0500khz 和 0100khz 两档来画。 放大器幅频特性（0hz500khz） 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0100000200000 300000 400000500000 600000 f/hz au 图 5-1 放大器幅频特性图（0500khz） 20 放大器幅频特性（0hz100khz） 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 020000400006000080000100000 f/hz au 图 5-2 放大器幅频特性图（0100khz） 由以上的数据和幅频图分析我们可以很明显的看到，放大器的低频放大倍数 为 1220 倍，通频带为 0hz13khz，满足低频放大器的要求。 2）最大不失真电压最大不失真电压 直流电源 vcc=+15v ，f 为输入信号频率，vpp 为最大不失真电压 表 5-2 最大不失真电压测量数据（一） f/khz 0.101 0.396 0.562 1.02 1.34 2.45 4.91 6.42 8.57 vpp/v 14.4 14.5 14.5 14.4 14.3 14.4 14.4 14.3 14.3 可见在 08.57khz 范围内最大不失真电压基本保持不变，因此，在测量时采 用 300hz 信号输入。 最大不失真电压 vpp=13.380.08v 直流电源 vcc=+12v ，f 为输入信号频率，vpp 为最大不失真电压 表 5-3 最大不失真电压测量数据（二） f/khz 0.115 0.326 0.587 1.12 1.98 3.56 5.12 6.77 8.43 vpp/v 11.6 11.5 11.6 11.4 11.3 11.4 11.4 11.3 11.3 可见在 08.43khz 范围内最大不失真电压基本保持不变，因此，在测量时采 用 300hz 信号输入。 最大不失真电压 vpp=11.40.1v (12990hz,848) 21 3）输入电阻的测量输入电阻的测量 放大器输入电阻测试电路如下图所示 us=u1+uin u1/uin=r1/rin rin=uinr1/u1 r1=5.6k 图 5-3 放大器输入电阻测试电路 表 5-4 放大器输入电阻测试数据（一） f=306hz us/v 0.496 1.200 1.450 1.720 1.990 uin/v 0.246 0.572 0.708 0.850 0.980 u1/v 0.250 0.628 0.742 0.870 1.010 rin/k 5.510 5.101 5.343 5.471 5.433 表 5-5 放大器输入电阻测试数据（二） f=510hz us/v 0.582 0.782 1.350 1.700 2.020 uin/v 0.264 0.364 0.654 0.850 1.010 u1/v 0.318 0.418 0.696 0.850 1.010 rin/k 4.649 4.876 5.262 5.600 5.600 表 5-6 放大器输入电阻测试数据（三） f=5.01khz us/v 0.630 0.856 1.080 1.590 2.010 uin/v 0.288 0.394 0.570 0.810 1.020 u1/v 0.342 0.462 0.510 0.780 0.990 rin/k 4.716 4.776 6.259 5.815 5.769 由以上数据可见在 05khz 范围内放大器的输入电阻变化不大，因此，在测 量时采用 300hz 信号输入来测量放大器的输入电阻。 rin=5.30.4k + us - rin 放大器 r1 + uin - +u1- 22 4）放大器输出电阻的测量放大器输出电阻的测量 放大器输出电阻的大小反映了放大器带负载的能力，ro 越小，带负载的能 力越强，当 ro rl时，放大器可以等效为一个恒流源。 测量电路如下图所示。在波形不失真的前提下，首先测量 rl 没有接入的输 出电压 u，然后接入负载 rl再测量此时放大器的输出电压 uo，则放大器的输出 电阻为 ro=（u/uo1）rl 测量时两次测量输入电压 ui 要保持相等，而且大小要适当，保证在接入和 断开时输出波形不失真。rl与 ro 数量相当，同时考虑到 lm358 的最大输出电 流为 1020ma，为了使输出波形不至于失真，因此选择 rl=200。 图 5-4 放大器输出电阻测量电路 表 5-7 放大器输出电阻测试数据（一） f=306hz u/v 0.50 2.08 3.10 4.14 5.12 uo/v 0.48 1.90 2.80 3.68 4.48 ro/ 20.83 18.95 21.43 25.00 28.57 由以上数据可以计算出当信号频率为 300hz 时，放大器的输出电阻为 ro=234 表 5-8 放大器输出电阻测试数据（二） f=500hz u/v 1.03 1.37 1.68 2.06 2.51 uo/v 0.976 1.29 1.58 1.96 2.36 ro/ 11.07 12.41 12.66 10.21 12.71 由以上数据可以计算出当信号频率为 500hz 时，放大器的输出电阻为 ro=121 + ui - ro ro rl + uo - 放大器 + u - k 23 从测量和计算的结果来看， 输入信号的频率不同测得的放大器输出电阻也不 一样， 其基本趋势是随着频率的升高输出电阻减小， 这是由于运算放大器的输出 级晶体管的节电容的容抗随着频率的升高而减小造成的；而且当输入交流信号 时，由于运放的开环增益是频率的函数，放大器的输出阻抗也是频率的函数， zoe=zo/1+ad（j）f 则当输出频率变化时，输出阻抗将发生变化。 所以， 放大器输出电阻随输入信号的频率变化而变化是可以接受的。 在测量 过程中， 由于放大器输出电阻基本在十几到几十欧， 我们采用 300hz 输入信号来 进行测量。 利用放大器参数测试仪测量的实际效果如下图所示： 图 5-6 放大器参数测试仪测量实际效果图 综上所述：利用放大器参数测量仪测得的数据，基本上是准确的，存在一定的 误差，这是由于各方面的因素导致的，比如 a/d 精度，运算放大器的噪声，检 波二极管的非线性等导致。 六六、系统存在的问题和改进的措施系统存在的问题和改进的措施 1 1）存在的问题存在的问题 a: 参数测量不是特别精确 在测量输出阻抗时很明显，这是由于 a/d 的精度问题，同时运算放大器本身存 在干扰，实测表明，a/d 转换器的前端信号存在 10mv 的噪声，因此，在单片 机读入 a/d 的转化数值之后，进行相应的运算。会给每次的测量带来一定的误 差。 b: 上位机界面过于简单 由于时间有限，同时对仪器仪表方面的知识积累还很不够，所以一个能够让所 有用户都能满意的仪器到底是什么样的用户界面， 还是一个值得我们认真去调 查、去思索的问题，因此，界面的设计上肯定会出现不完备的情况。 2 2）解决的方法解决的方法 a：测量不精确的解决方法 输出稳定的改进在不对本设计进行原则性改动时可以使用 rc 滤波器对噪声进 行滤除，同时单片机软件上可以采用平均的办法在一定程度上改善稳定性。 24 b：界面改进的问题 这方面的改进还是很好做的，主要是对界面的功能进行改进，比如增加同频带 指示线，还可以让测量的幅频特性以 db 形式表现。 3 3）前景展望前景展望 此系统还有很大的开发空间和潜力，可以分为以下几个方面来讲。 a：放大器测量的频率范围可以提高 现在这套系统是按照测量低频放大器的指标设计的，但是，我们前端提供的用 于测量放大器的信号源是可以产生从 0hz-45mhz 的信号， 而在此系统当中我 们只使用了 0500khz 的信号，可见，信号源有很大的开发潜力，利用当前系 统，只需对软件进行小量的修改，便