集成运放参数的设计.doc

目录第1章 系统设计 21.1集成运放参数测试电路.21.2 主控制器.21.3 信号源 .21.4 有效值转换方式.21.5 基本电路器件的选择.3第2章 硬件电路设计.32.1 电路总体框架. 42.2测量电路原理分析与电路结构设计. 42.3 5 hz低频信号源 . . 42.4 单位增益带宽手动、自动测试流程图 42.5 有效值测量部分 . .72.6 控制电路 . 82.7 驱动电路 . 92.8 液晶显示.102.9 键盘控制.10第3章 软件设计.113.1 单元电路.113.2 整机测试.123.3 测试结果及误差分析12总结.13参考文献.14附录1 硬件电路图.15附录2软件代码.17第2章 系统设计1.1 集成运放参数测试电路1.1.1 方案选择利用GB3442-82标准测试电路测量放大器参数。它是目前国际普遍采用的一种闭环测试方法，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。但该方案同样容易引起自激，且电路复杂度高一些。在满足电阻精度的情况下测试结果精度高、稳定，其测量输出的电压范围有利于单片机控制处理，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。所以在本测试系统中采用方案二的框架来实现本题的要求。1.2 主控制器1.2.1 方案选择采用凌阳SPCE061A单片机。该单片机内置A/D转换模块，在32个I/O口中，有8个端口可以作为模拟量输入端口（其中1路为音频信号输入口），能满足对模拟信号输入的要求，简化外围电路设计；具有两路DAC、14个中断源等丰富的硬件资源；其集成开发环境中还配有语音播放函数，实现语音播放功能极为简单。另外，该芯片内置了在线仿真、编程接口，可方便地实现在线调试。1.3 信号源1.3.1 方案选择根据题目要求，测试用的信号源应输出有效值为4V、频率为5Hz的正弦波信号，频率与电压误差绝对值均小于1%。要求扫频信号源输出频率范围是40kHz4MHz，频率误差绝对值小于1%，输出电压的有效值为2V0.2V。利用单片机AT89C2051及其外围电路频率合成产生的5 Hz超低频信号；再利用现成的宽频带信号源、数字存储示波器，按照测试原理，连接到测试电路，采用手动控制测量。1.4 有效值转换方式1.4.1 方案选择采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效值。1.5 基本电路器件的选择依据题目的基本要求和发挥要求，本电路需考虑多方面的因素。其中电阻、开关器件和辅助运放的选择对测试精度及范围起着关键的作用。1.5.1 电阻的选择为保证参数测量的准确性,只有选取精密电阻,其误差仅为1e-4。1.5.2 开关的选择 使用机械触点式模拟开关，此类开关虽有工作速度低，寿命短，重量和体积大，触点抖动等缺点，但由于导通电阻几乎为零，断开电阻趋近无穷，可看作是近乎于理想开关，所以常常在开关速度要求不高，开关次数不多，精度要求较高的电路中使用。选取它的“接近理想开关”的特性，可以减少其对测试精度的影响，从而使单片机对整个测试电路进行比较精确的控制，及其工作速度低，寿命短，重量和体积大，触点抖动等缺点也不会对结果产生影响。1.5.3 辅助运放的选择辅助运放的选择是比较重要的一个环节，它的好坏严重影响测试结果的准确性，经过对GB3442-82测试原理电路的分析可知，辅助运放的各项性能需十分接近理想运放，即它要有：极低的失调电压和失调电流；较低的输入偏置电流；极高的开环增益和共模抑制比以及很小的温漂。经过查询资料，对众多高性能芯片的综合比较，最后选择OP07CP作为辅助运放，它的各项性能指标如下：表1.1 OP07CP性能指标输入失调电压VIO60V输入失调电流IIO0.8nA输入偏置电流IIB1.8nA开环增益AVD400V/mV共模抑制比KCMR120dB第2章 硬件电路设计2.1 电路总体框架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。 图2.1 测量装置设计要求示意图根据设计要求，制作出本测试装置的系统总体框图：手动Sin输入数 字示波器运放参数测量电路继 电 器开 关 组驱动电路打印机5 H Z信号源SPCE061A单片机1602 A 液 晶显示模块键 盘 控 选模 块D D S 扫 频信 号 源单 位增益带宽 测量电路真有效值变换电路图2.2 系统硬件连接图2.2 测量电路原理分析与电路结构设计利用G B3442-82标准测试电路测量放大器参数：辅助放大器的测试方法是一种闭环测试方法，取其在许多参数的测试过程中，它使运放的输出电压自动保持为零，使测试条件更接近于参数定义的要求，便于实现参数的自动测试。在下面的讨论中均假定被测运放以及整个测试电路已进行了相位补偿，电路没有自激振荡现象。2.3 5 hz低频信号源采用DDS技术，利用单片机来实现。由公式11： （n取0255）-（1）可得256个样值。显然每个样值都对应正弦波某个相位的幅度值。将每个样值存入ROM的TABLE中，然后以均匀的速率再把样值从ROM中查表读出，经D/A转换、平滑滤波便可得到正弦波。由此产生的正弦波既能满足频率与电压值误差绝对值小于1%的要求,又可以调节滑动变阻器严格控制其有效值的大小为4V。 图2.3 5Hz信号源电路原理图-（2）由式(2)可知AT89C2051每隔0.78125ms查表送一个与正弦波某个相位的幅度值相对应的八位数子量给DAC0832，经D/A转换，再由第一级放大器使电流信号转换成电压信号，输出的电压值，即公式算出，把它平滑滤波后输出，经过第二级OP07组成的极性变换放大电路，将前级的单极性输出电压转换成双向输出，通过调节R31 、R19来控制OP07CP(2)U5放大倍数及输出的零点，使最终输出稳定的5Hz正弦波信号。确定R19,R30,R31关系的过程如下：-(3)-(4)联立以上二式得出： ,(其中Vref=5V)-（5）如果既要求放大后信号有效值是V，又要求信号是双极性输出，则应取两个对应值代入式(5)计算得出:表2.1 4V有效值，5hz正弦波计算正弦值数字码计算参数公式参数要求0255在此我们取R19=10K,则R31=22.713K,R30=20.079K,为了便于调试，我们使用50K的电位器来替代R30,R31。图2.3中C7、C9构成平滑滤波。其中DAC0832的基准电压由两级TL431串联而成，提供电压值是+5V。原理图如图3.4： 图2.4 基准电压源2.4 单位增益带宽手动、自动测试流程图自动：题目要求扫描时间10s，将凌阳的系统时钟设置为49.126MHz，则其自带的A/D的转换速度为：-（6）显然能在10s内能完成40k4Mhz范围的扫描。系统能保证1KHz的扫描分辨率。信号源在扫描过程中其输出幅值会有微小的变化，这完全可以通过软件补偿来提高其测试精度。手动: 采取固定电压值的变频正弦波输入, 并改变信号频率,用示波器的测量探头双踪观察输入信号与输出信号大小,对应于电路输出端的电压幅度下降3dB（或0.707倍）时的频率即为单位增益带宽。是大于信号源输出值的0.7倍?显示此时的频率输出值结 束是读被测运放输出电压值否是SPCE061单片机初始化读被测运放输出电压值频率值加100khz,信号源频率加100khz读被测运放输出电压值否小于信号源输出值的0.7倍?频率值减10khz,信号源频率减10khz频率值加1khz,信号源频率加1khz小于信号源输出值的0.7倍?否图2.5 单位增益带宽测试流程图2.5 有效值测量部分AD637 是一种高精度，宽带真有效值变换芯片，它有着0.02%的最大非线性度，可测量的信号有效值可高达7V,精度优于0.5%,且外接元件少.可以实现对任意波形的有效值测量。其典型应用电路如下:图2.6 AD637典型电路由于题目要求的扫频信号频率范围是40kHz4MHz，输出电压的有效值为2V0.2 V，而芯片AD637在2V有效值输入时的频带为8Mhz，满足频带的要求，所以用AD637来测量扫频信号的有效值时，能达到题目要求的。针对5Hz的超低频信号的有效值测量, CAV选用性能稳定,漏电流小,绝缘强度高的钽电解电容,其值为10uf，它比普通电解电容、独石电容、瓷片电容有更好的低频特性。2.6 控制电路这一部分由SPCE061A单片机小系统、键盘、LCD液晶显示组成，原理框图如下: SPCE061A单片机采集A/D转换键控处理数据及显示测参结果 输入控制引 脚驱动电路1602A液晶 显示 键 盘 控 制图2.7 控制电路硬件框图选用凌阳单片机自带的10位A/D能实现AVD、KCMR的测试误差绝对值小于3dB的要求，故不需要外接A/D。键盘用来设置执行状态，液晶显示部分用来显示所测参数值。SPCE061A单片机小系统系统流程图2.8键值0键值5键值2键值3键值4键值1键值7开中断自动测量VIO,IIO及数据处理程序自动测量AVD及数据处理程序自动测量KCMR数据处理程序自动测量BGW及数据处理程序自动测量4项参数程序空操作程序LCD液晶显示自动测量VIO,及数据处理程序重新扫描键值系统初始化按键 扫描有键按下?关中断判断 键值图2.8 SPCE061控制测量流程图2.7 驱动电路由于单片机的控制端输出电流较小（大约5mA），无法驱动继电器正常工作，所以需外加比较简单的三极管集电极驱动电路，原理图如图29：当控制引脚输出1时，即In=1，D?导通、输出电流经8050放大后，驱动继电器工作。 图2.9继电器驱动电路 2.8 液晶显示图3.10 1602液晶显示模块2.9 键盘控制图2.11 键盘控制模块第3章 软件设计3.1 单元电路3.1.1 超低频5 Hz信号源性能测定采用TDS型100MHz数字存储示波器来存储信号源输出波形，并显示信号的频率和有效值分别为5.01Hz和3.99V,频率与电压值误差分别是0.2%和0.25%，已经满足了题目中要求的小于1%的要求。3.2 整机测试为了减小外界因素（主要是小信号干扰）对测试电路的影响，本设计对测试电路，5hz信号源，继电器驱动三部分制作了自动化测量电路PCB电路板。 该部分将输入失调电压、输入失调电流测试电路，交流差模开环电压增益、交流共模抑制比，以及手动单位带宽测试电路整合在一个电路中，通过继电器来切换，已达到自动测量和自动量程切换的目的。自动测量电路原理图见附录图1。图1中继电器状态和待测量的对应关系如下所示.表3.1 继电器状态和待测量的对应关系继电器状态待测量档位S1S2 S3 S4 S5 S6 S7 输入失调1000000电压1010000输入失调1100000电流1110000交流差模开1001101环电压增益1011101交流共模0001001抑制比0011001单位增益带宽11采用FLUKE8842A型万用表进行电阻，直流电压的测量，相对误差为1e-3。3.3 测试结果及误差分析比较测试结果可以看出，自动控制测试电路的测试数据与标准电路测试结果具有较大偏差，经我们分析原因有以下几点：（1）该装置主要误差在于寄生振荡波对测试结果的影响。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。（2）测试场所的电磁干扰较大，使电路运行不是十分稳定。（3）由于我们是综合四个标准电路于一体，即便是使用继电器这种性能优越的机械触点式模拟开关来选择单元电路，但在它关断与闭合时，也会影响每一个单元电路的电阻参数，使之不能完全与标准电路一致。（4）在电路设计的过程中，AvD 、KcmR测试电路的理论最大增益为120dB，在实际电路中，想用一级放大器实现这么高的增益又不自激是很难做到的，由此我们认为可以通过使用两级放大器来实现，即一级为恒定增益放大，另一级为可变增益放大，这样可以有效的改善电路性能，但由于时间的限制，我们没有将这一构想运用到实际电路上。建议添加以下抗干扰措施：在测试AvD 、KcmR时系统增益为60120dB，因此抗干扰措施必须要做得很好才能避免自激和抑制干扰。我们采用下述方法：（1）将标准参数测试电路装在屏蔽盒中。（2）继电器电源与测试电路实现电源隔离，防止流过导通继电器的电流过大，影响到测试电路的性能。（3） 对各级电路实施单点共地，防止电路各级之间相互影响。测试性能总结：本设计偏重于模拟电路处理，基本部分的各项指标都优于题目所给要求，发挥部分第一项设计仅供参考。但自动测试电路与标准电路测出的结果偏差较大。自动测试电路只能按顺序自动测试VIO、IIO、AvD 、KcmR四个参数，并显示，打印机：只留传输端口，可添加程序，串行电平转换后，输出打印。BWG需手动切换信号源,依据被测运放输出调整得出实验数据。总 结经过1周的集成运放参数测试装置的设计与实现实习,复习了原有模拟电子技术放大器方面的知识,对集成运放参数定义,辅助测量原理,测量电路结构进行了深刻的了解,并很好的制作了测量PCB电路板;对51,SPCE061单片机的控制能更灵活的运用;了解了键盘的扫描检测，LCD液晶显示其原理和使用方法。在整个设计的坎坷经历中，熟悉了电子电路的设计、制作、调试的一体化过程；学会了对项目相关信息的快速检索，选择，比较，最后选取最佳方案，达到设计要求；学会利用图书馆书籍、网络资源，特别是相关的学术论文，别人的设计经验，去粗取精，很快的找到所要的知识，加快设计的进程。学会运用各种电子调试软件预处理，去指导电路的查错，调试的效果。参考文献1 康华光.电子技术基础 模拟部分（第四版）M .北京:高等教育出版社,1999年6月.教材P249P250的1、VIO；2、IIO.2 康华光.电子技术基础 模拟部分（第四版）M .北京:高等教育出版社,1999年6月. 教材P339的VIO,IIO分析（8.2.7）式3 中国集成电路大全编写委员会.中国集成电路大全-集成运算放大器. 北京:国防工业出版社,1985年2月.教材p76 AVD测量)4 何桥,段清明,邱春玲.单片机原理及应用M.北京:中国铁道出版社,2004年3月.5 谢自美.电子线路设计实验测试(第二版).武汉：华中理工出版社,2000.6 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2003).北京:北京理工大学出版社,2005.7 张彦斌等.凌阳十六位单片机原理及应用M. 北京:北京航天航空大学出版社,2003.附录1：硬件电路图 附录2: 软件代码17#INCLUDE#INCLUDE#DEFINE KEY_UP P3_0#DEFINE KEY_DOWN P3_1#DEFINE KEY_SET P1_8#DEFINE RELAY P1_7#DEFINE LEDPORT P0#DEFINE LEDONE P2_0#DEFINE LEDTOW P2_1#DEFINE TMPORT P3_7UNSIGNED CHAR CODE LEDDIS=0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X82,0XF8,0X80,0XFF,0XBF;STATIC UNSIGNED CHAR BDATA STATEREG;SBIT 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