（电路与系统专业论文）基于虚拟仪器的集成运算放大器综合参数测试平台[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 运算放大器在现代科技的各个领域得到了广泛的应用。运算放大电路作为许 多模拟系统和混合数字信号系统中的一个组成部分，而且也是构成这些系统的基 本单元，运算放大器的可靠性直接影响到由其组成的设备、系统的可靠性。为保 证运算放大器的可靠性，在实际应用中需要对运算放大器的综合参数进行测试。 虚拟仪器是现代测试技术和计算机技术深层次结合的产物，虚拟仪器技术大 大突破了传统技术在数据采集、处理、显示、存储等方面的限制，本文基于虚拟 仪器技术构造了集成运算放大器的综合参数测试平台，在保证一定功能和测量精 度的同时，大大降低了测试成本，更方便灵活，易于维护。 本文对虚拟仪器技术进行概要的介绍，对集成运算放大器的分类和测试原理 进行了说明，并重点对辅助运算放大器测试法进行了深入研究。根掘辅助运算放 大器测试法设计了测试单元电路，利用计算机和数据采集卡p c i - 6 2 2 1 实现了测 试所需的正弦波信号源生成、丌关切换及电学量的数据采集，从而构造了集成运 算放大器的综合参数测试平台的硬件基础。 本文使用n i 公司的l a b v i e w 软件构造集成运算放大器的综合参数测试平台 的软件部分。软件部分的框架由主程序控制模块、数据采集模块、信号源模块、 开关控制模块、分析及处理模块以及结果显示与输出模块。通过软件实现了对集 成运算放大器综合参数的自动测试，充分发挥了虚拟仪器“软件就是仪器”的特 点，具有很好的灵活性和扩展性。 关键词：虚拟仪器；l a b v i e w ：运算放大器；数据采集；测试系统 i i i a b s t r a c t o p e r a t i o n a la m p l i f i e ra r ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d so fm o d e r ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n o w a d a y s o p e r a t i o n a la m p l i f i e rw h i c hi saf u l la n db a s i cp a r to fm o s ta n a l o gs y s t e ma n d m i x e r - s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，i sc r i t i c a li nt h ed e s i g ng o o dp e r f o r m a n c e a n dt h er e l i a b i l i t yo f o p e r a t i o n a la m p l i f i e rd i r e c t l yi n f l u e n c et h er e l i a b i l i t yo fe q u i p m e n t sa n ds y s t e mw h i c hi sb u i l d e d 、i t l lo p e r a t i o n a la m p l i f i e r t om a k es u r et h er e l i a b i l i t yo fo p e r a t i o n a la m p l i f i e r , t h ec o m p r e h e n s i v e p a r a m e t e r so fo p e r a t i o n a la m p l i f i e rs h o u l d b et e s t e d v i r t u a li n s t r u m e n ti st h er e s u l t so ft e c h n o l o g yo fm o d e r nm e a s u r i n gc o m b i n e dd e e p l yw i t h t h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r t h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n tb r e a k st h r o u g ht h el i m i mo f t r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yi ns u c hf i e l d sa sd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t ad i s p l a y i n ga n dd a t a s t o r a g e b a s e do nt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n t ，t h et 警tp l a t f o r mo ft h ec o m p r e h e n s i v e p a r a m e t e r so fo p e r a t i o n a la m p l i f i e ri sc o n s t r u c t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h et e s tp l a t f o r me n s u r et h e p u r i f i c a t i o nf u n c t i o na n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c y , r e d u c eg r e a t l yt h ec o s to fm e a s u r e m e n t ，i s f l e x i b l ea n dc o n v e n i e n tf o rt h eu s e r , a n di si sp r o n et om a i n t e n a n c e i n t h i sp a p e r , t h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n ti se x p l a i n e db r i e f l y , c l a s s i f i c a t i o na n d t e s t i n gp r i n c i p l eo fo p e r a t i o n a la m p l i f i e ri se x p l a i n e d t h i sp a g ea r t i c l eh a sd o n et h ek e y i n t r o d u c t i o nt ot h ei n - d e p t hr e s e a r c ho ft e s t i n gm e t h o du s i n ga u x i l i a r ya m p l i f i e r a c c o r d i n gt o t h et e s t i n gm e t h o du s i n ga u x i l i a r ya m p l i f i e r , t e s t i n gc i r c u i tu n i ti sd e s i g n e d s i n ew a v es i g n a l s o u r c ea n ds w i t c h i n gs y s t e m sa n dd a t aa c q u i s i t i o no fe l e c t r i c a lq u a n t i t yi sb u i l di nt h i sp a p e ru s i n g t h ec o m p u t e ra n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r dp c i 一6 2 21 a n dh a r d w a r ef o u n d a t i o no ft h et e s tp l a t f o r mo f t h ec o m p r e h e n s i v ep a r a m e t e r so fo p e r a t i o n a la m p l i f i e ri sc o n s t r u c t e d s o f t w a r ep a r t so ft h et e s tp l a t f o r mo ft h ec o m p r e h e n s i v ep a r a m e t e r so fo p e r a t i o n a la m p l i f i e r i sc o n s t r u c t e du s i n gt h el a b v i e ws o f t w a r eo fn ic o r p o r a t i o n t h ef r a m e w o r ko fs o f t w a r ep a r t si s m a k e do fm a i np r o g r a mc o n t r o lm o d u l e 、d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e 、s i n ew a v es i g n a ls o u r c e m o d u l e 、s w i t c h i n gs y s t e m sm o d u l e 、a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gm o d u l e 、r e s u l td i s p l a ya n do u t p u t m o d u l e 。a u t o m a t i cm e a s u r e m e n to ft h ec o m p r e h e n s i v ep a r a m e t e r so fo p e r a t i o n a la m p l i f i e r i v i m p l e m e n t e du s i n gt h es o f t w a r e t h i st e s tp l a t f o r m b r i n g i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fv i r t u a l i n s t r u m e n tw h i c hi sc a l l e d s o f t w a r ei si n s t r u m e n t i n t of u l lp l a y a n dh a sg o o df l e x i b i l i t ya n d k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；l a b v i e w ；o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ：d a t aa c q u i s i t i o mt e s t s y s t e m v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垄垒垒 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：递导师签名：乏：f 盘日期：2q q 立生且 研究的目标及意义 1 绪论 运算放大器被认为是神奇而万能的器件，在很多电子系统中发挥着举足轻重 的作用。利用运放可以实现信号的放大、调理、滤波等多种功能，在个人数据助 理、通信、汽车电子、音影产品、仪器仪表、传感器等领域有广泛的应用。运算 放大器的可靠性直接影响到由其组成的设备、系统的可靠性，所以对运算放大器 的质量和可靠性要求非常高。对运算放大器的测试是保证其可靠性的重要技术， 因此，必须对运算放大器的特性参数进行检测，以达到预期要求，这就要求有性 能可靠、操作简单、界面友好、应用灵活的测试系统。 科学技术各领域的发展同新月异，测量手段的进步也为技术的进一步发展奠 定了基础。随着电子测试应用范围的扩大，测试对象种类繁多，对测试速度和测 量精度要求的不断提高，传统的测试仪器和方法已不能适应科技发展的需要。如 传统测试仪器结构复杂、功能单一、操作不便、性价比低。传统仪器的功能都是 厂家已定好，对于用户，可能只能利用其中一部分功能，或一些用户需求本仪器 需要另外一台仪器来完成，这也造成了仪器投资的浪费。完全按用户实际需求定 制仪器是多数测试用户的理想。而虚拟仪器的出现彻底改变了传统仪器方法，使 测量系统由松散结合的、常常不兼容的独立仪器发展成紧密结合的虚拟测量系 统，把计算机技术与仪器技术完美的结合起来。虚拟仪器技术的出现，同时也满 足t n 试用户的要求，虚拟仪器系统给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的 空间，用户可利用同新月异的计算机技术，用户( 而不是仪器厂家) 可以随心所欲 地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。利用计算 机丰富的软硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据处理、表达、传送、存储等 方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。 在我国，传统仪器技术还比较落后，目前有大批陈旧的测试仪器等待改造和 更新。与国外比较，测量精度和可靠性均低一个数量级，自动化程度低。高档仪 器基本上依靠幽外进口，每年都消耗国家大量外汇。广泛采用虚拟仪器技术有助 于提高我国仪器的整体水平，节省仪器丌发的人力和费用，减少国家负担。因此， 虚拟仪器技术在我国的研究和开发有着十分现实的意义。 本课题的研究目的在于，通过对虚拟仪器组成、软件开发平台、应用程序创 建方法等虚拟仪器技术的学习，以l a b v i e w 为丌发平台研制了测试系统，使运算 放大器检测有了另外一种方法，同时使得对虚拟仪器技术有一个深入的理解，从 而能够根据实际测试要求自行组成仪器测量系统，在台式p c 机上构造不同功能 的运算放大器参数检测装置，替代传统仪器，使其具有测量集成、仪器多用、为 用户提供方便的测试方法的目的。与传统的集成运放参数测试平台相比具有很多 优点，基于虚拟仪器技术集成运放参数测试平台所实现的测量仪器的各种功能可 由我们根据需要自行定义与扩展，前面板可由我们根据需要自行调整。这为我们 搭建测试平台提供了很大的灵活性与创造性同时可提高测试效率，降低成本。基 于虚拟仪器技术集成运放参数测试平台在应用中有着十分广阔的前景。 本文研究的主要内容 本课题研究的主要内容是基于虚拟仪器技术来构造对集成运算放大器的综 合参数测试的平台。本文在对虚拟仪器技术进行概要的介绍后，对集成运算放大 器的分类和测试原理进行了说明，重点对辅助运算放大器测试法进行了深入研 究。最后给出了基于虚拟仪器集成运算放大器的综合参数测试的平台的硬件构架 和软件构架。 主要内容包括以下几个章节内容： 第一章对虚拟仪器技术进行概要的介绍，包括对虚拟仪器概念、特点、系统 构成及发展趋势的介绍。 第二章对集成运算放大器测试原理进行了说明，介绍了集成运算放大器的不 同分类方法及各种集成运算放大器测试的优缺点，并在以上基础上重点介绍了本 文采用的辅助运算放大器测试法。 第三章在对基于虚拟仪器集成运算放大器的综合参数测试的平台的整体框 架进行说明后，介绍了基于虚拟仪器集成运算放大器的综合参数测试的平台的硬 件结构。对数据采集电路的综合性能要求做了说明，并介绍了本文所采用的数据 采集卡p c i - 6 2 2 1 。对不同的开关系统进行了介绍，并选取适合本论文的继电器。 最后给出参考辅助运算放大器测试法的测试单元电路。 第四章介绍了基于虚拟仪器集成运算放大器的综合参数测试平台的软件结 构。对软件部分的框架进行了说明，深入介绍了测试平台的软件主程序控制以及 数据采集模块、信号源模块、丌关控制模块、分析及处理模块、结果显示与输出 模块。 第一章虚拟仪器概述 测试技术与科学研究、工程实践密切相关。科学技术的发展促进测试技术的 发展，测试技术的发展反过来又促进科学技术的提高。测量仪器发展至今，大体 经历了四代发展历程。第一代模拟仪器是以电磁感应基本定律为基础的模拟指针 式仪表。当2 0 世纪5 0 年代出现电子管，6 0 年代出现晶体管后，便产生了以电 子管或晶体管为基础的第一代测试仪器一分立元件式仪表。2 0 世纪7 0 年代集成 电路的出现，诞生了以集成电路：芭：片为基础的第三代仪表一数字式仪表。随着微 电子技术的发展和微处理器的普及，2 0 世纪8 0 年代以微处理器为核心的第四代 仪器一智能式仪表迅速普及。同前，微电子技术和计算机技术的快速发展，测试 技术与计算机深层次的结合j 下引起测试仪器领域早的一场新的革命，一种全新的 仪器结构概念导致新一代仪器一虚拟仪器的出现，它的出现使测试技术进入一个 新的发展纪元。虚拟仪器技术是电子测试和测量领域中的新技术，其以计算机平 台为核心，通过软件将计算机硬件资源与外部设备有机结合，充分利用计算机强 大的计算处理能力、存储和控制能力，从而大大缩小了仪器硬件的成本和体积， 缩短了系统丌发周期。 1 1 虚拟仪器技术的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是以计算机作为仪器统一的硬件 平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化 功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来 融为一体，这样所构成的一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又 充分享用计算机智能资源的全新的仪器系统。相对于传统仪器的物理面板，虚拟 仪器具有一个十分友好的图形方式软面板，用户可以通过修改软件就能改变仪器 功能，虚拟仪器的出现给测量技术带来了变革。由于虚拟仪器应用软件集成了信 息采集、测试控制、数据分析、结果显示输出和用户界面等功能，用软件替代了 部分或全部的硬件，因此，可以认为软件就是仪器，这说明在虚拟仪器中软件的 4 重要性，它是现代测试仪器系统的核心。虚拟仪器这一概念最早足由美国国家仪 器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i 公司) 在1 9 8 6 年首先提出来的，该公 司同时推出了用于虚拟仪器丌发的工程软件包l a b v i e w ，提出“软件就是仪器” 的概念。n i 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器，在世界上得到了广 泛的应用。美国的惠普( h p ) 公司推出了h p v e e 虚拟仪器编程系统，该系统可提 供数百种虚拟仪器的组建单元和整机，为用户设计虚拟仪器时提供了极大的便 利。另外t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司等也相继推出了多种总线系统的虚拟仪器， 大大地推动了虚拟仪器技术的发展。9 0 年代中期以来，国内的一些高等院校和 研究单位在引进消化吸收n i 、h p 公司产品的基础上，推出了一些国产的虚拟仪 器硬件及软件，推动了虚拟仪器技术在国内的应用。 1 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的突出优点是不仅可以利用p c 机组建成为灵活的虚拟仪器，更重 要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的测试系统。可以通过与 不同的接口总线的通讯，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单 元调配并组建成为中小型、甚至大型的自动测试系统。与传统仪器相比，虚拟仪 器有以下特点： ( 1 ) 虚拟仪器的软硬件具有丌放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。 为提高测试系统的性能，可方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块， 而不用重新购买一个全新的系统，这有利于测试系统的扩展。 ( 2 ) 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功 能。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于虚拟仪器的 “软件即是仪器”的核心思想。 ( 3 ) 仪器的功能是由用户根据实际需要通过软件来定义的，而不是事先由仪 器厂商确定。由于仪器的功能可在用户级产生，所以用户可以根据自己的实际需 要，通过修改软件，为虚拟仪器加入新的测量功能而不用购买一台新的仪器。传 统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作单元，易于导致许多 识别j 操作错误。虚拟仪器与之4 i 同，它r 叮以通过在儿个分旺板的操作来实现比 较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的币纯化与面板布置 的简捷化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器面板上的显示单元 和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，它们是由编程 来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。 ( 4 ) 研制周期较传统仪器大为缩短。 ( 5 ) 由于虚拟仪器技术是建立在当今世界最新的计算机技术和数据采集技术 基础上的，因此技术更新较快，其成本低，测试自动化程度高。虚拟仪器丌放、 灵活，可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联。综合以上内容，总结 虚拟仪器与传统仪器对比表1 1 如下： 项目比较传统仪器虚拟仪器 仪器的功能 厂家定义，面向i 州定对象j j 户白定义，满足多种应川要 求 仪器关键部分分硬f ，l ：软什 功能增减| 卉i 定，无法增减 可通过修改软什增减 系统的开放性性 封闭，与其它仪器设备连接受基丁计算机开放式标准结构， 限，信息雉以交换可方便便地实现同网络及其 它设备的连接接 仪器价格 ， 高 低，仅为传统仪器的2 0 - - 4 0 数据处理能力不能编辑数据 可编辑、存储、打印数据 技术更新周期周删6 ：= ，一般5 一l o 年 周j | 】短，一般1 2 年 开发维护费川高 仅为1 0 统仪器的1 5 1 1 0 川户界面l 刊定，不友女r界面友女r ，可实现交互式操作 表1 1 虚拟仪器与传统仪器对比表 1 3 虚拟仪器系统的构成 虚拟仪器是计算机化的仪器，由计算机、模块化功能硬件和应用软件三大部 分组成。一般而言，虚拟仪器所用的计算机是通用的计算机，虚拟仪器根据其模 块化功能硬件的不同，而有多种构成方式( 见图1 1 ) 。 6 叫信号唰理制数据采集卡 被叫r s 2 3 2 i e e e 4 8 8 接口仪器 + 软什 i 测 j 计算机 对 + 传感器g p i b 总线仪器 象 l i 网 v x i 总线仪器 1f i e l d b u s 总线仪器i 。 7 i 。”i 7 图1 1 虚拟仪器系统的构成方式 络 1 p c - d a q 测试系统：是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台 组成的测试系统。 2 g p i b 系统：是以g p i b 标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 3 v x i 系统：是以v x l 标准总线仪器为计算机为硬件平台组成的测试系统。 4 串口系统：是以r s 2 3 2 标准串行总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系 统。 5 现场总线系统：是以f i e l d b u s 标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试 系统。 一 无论上述哪种形式的虚拟仪器系统，都是通过应用软件将仪器的模块化功能 硬件与各类计算机相结，其中p c d a q 测试系统是构虚拟仪器v i 的最常用的最基 本的方式，因为一般而言，这种类型的虚拟仪器成本比较低，它能充分利用计算 机的计算能力。 目前为不同的应用目的和环境，已设计了多种性能和用途的数据采集板卡， 从低速采集板卡到高速同步采集板卡，直至图象采集卡都有成熟的产品，为虚拟 仪器系统的建立提供了物质基础。 ( 2 ) 虚拟仪器的软件结构 7 在通用硬件平台确定后，可由软件而刁i 是硬件米决定仪器的功能。仪器的 功能是用户根据需要由应用软件来定义的，而不是事先由厂家定义好了的。因比 用户不必购买多台不同功能的传统仪器，也不必购买的昂贵的多种功能的传统仪 器，因为在这种仪器中常常只有有一种或几种功能是常用的，而其他功能却都是 不需要的。 虚拟仪器的软件包括操作系统、仪器驱动程序和应用软件三个层次。操作系 统可以选择w i n d o w s 9 x n t 2 0 0 0 x p 、l i n u x 等。仪器驱动程序软件是直接控制各 种硬件接口的驱动程序，应用软件通过仪器驱动器实现与外围硬件模块的通信连 接。应用软件包括实现仪器功能的软件程序和实现虚拟面板的软件程序。用户通 过虚拟面板与虚拟仪器进行交互。 目前，可用于虚拟仪器丌发的软件可以分为两大类： 1 ) 文本式编程语言，主要有m i c r o s o f t 公司的v i s u a l c + + 、v i s u a l b a s i c 、s v b a s e 公司的p o w e r b u il d e r 、n i 公司的l a b w i n d o w s c v i ； 2 ) 图形化编程语言，主要有n i 公司的l a b v i e w 、h p 公司的v e e 。应用软件还包 括通用数字处理软件，它包括：用于数字信号处理的各种功能函数，这些功能函 数为进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础。 1 4 虚拟仪器的发展趋势 8 0 年代以来，n i 公司研制和推出了许多总线系统的虚拟式仪器，成为这类 新型仪器世界第一生产大户。此后，美固的惠普( h p ) 公司，t e k t r o n i x 公司，r a c a l 公司等也相继推出了许多此类仪器，并在短短的1 0 余年便占有了世界仪器市场 的1 0 左右。r 前，虚拟仪器在发达国家己经十分普及。在美国虚拟仪器系统及 其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。2 1 世纪初，世界 虚拟仪器的生产厂家已超过千家，其品种将达到数千种，市场占有率将达到5 0 左右。虚拟仪器将成为下一世纪仪器发展的方向，而且有逐步取代传统硬件化电 子仪器的趋势。 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便 使用者利用这些仪器公司提供的丌发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统， 并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是n 1 公司的l a b v i e w 软件和 l a b w i n d o w s c v i 工丌发软件。l a b v i e w 采用图形化编程方案，是非常实用的丌发 软件。l a b w i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的丌发人员准备的、在w i n d o w s 环境下 的标准a n s i c 丌发环境。除了上述的优秀丌发软件之外，美国h p 公司的h p v e e 和h p t i g 平台软件，美国t e k t r o n i x 公司的e z - t e s t 和t e k t n s 软件，以及美国 h e md a t a 公司的s n a p - - m a s t e r 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器丌发 平台软件。 作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟仪器的开发和研究在国内尚属起步和发 展阶段。从9 0 年代中期以来，国内的清华大学、重庆大学、西安交通大学、西 安电子科技大学以及中科泛华电子科技公司、东方震动和噪声技术研究所等高校 和公司，在研究和丌发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及消化吸收n i 等产 品方面作了大量工作，其成果己在汽车发动机检测、自动计量控制系统等方面得 到应用。其中，成果比较显著的是重庆大学测试中心所研究的虚拟仪器，其研制 的产品已包括示波器、f f t 分析仪、噪声测试分析仪、小波变换信号分析仪、多 通道数据采集器等2 0 多个品种，并且可以根据客户需求进行个性化设计。这些 虚拟仪器在中国计量科学研究院的测试结果表明，其产品性能完全达到同类硬件 仪器的技术指标。重庆大学进行的丌发工作与国外的n i 公司在技术路线上最大 的区别在于：直接提供仪器本身，而不需要操作人员有较高的计算机软硬件知识， 因此可广泛使用于教育、科研、工业生产等领域。在国内，已有部分院校的实验 室引入了虚拟仪器系统，其中包括上海复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、 华中科技大学、四川联合大学等。近年来这些学校在原有的基础上，又丌发了一 批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中科技大学丌发出的i n v e n t o r 可重构虚拟实验台，深圳市蓝津信息技术有限公司丌发出了d r v i 快速可重组虚 拟仪器平台，可广泛用于实验室、工程测控等场合。另外，上海仪器仪表研究所 承担了上海市科委下达的虚拟仪器科技攻关项同，该项目在w i n d o w s 9 5 9 8 平台 上创建了七十余种的仪器控件，并应用这些控件组建了虚拟仪器面板，充分体现 了虚拟仪器的优越性。该课题“接近国际先进水平，达到国内领先水平。浙江 9 大学仪器系在“九血”期i 日j 也丌发了中文v p p ( 可视化平台) ，它们为实现仪器编 程提供了便捷的途径。此外，国内己有几家企业在研制虚拟仪器，哈工大仪器乇 电子有限责任公司的产品已达到一定的批量。其主要产品有数字存储示波器系 列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录仪系列。国内专家预 测：未来的几年内，我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器。国内将有大批企业使用虚 拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，虚拟 仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。以i n t e r n e t 为代表 的计算机网络的迅速发展及其相关技术的同益完善，使传统的通讯方式突破了时 空限制和地域限制，大范围的通信变得越来越容易。i n t e r n e t 相关技术，己被 广泛应用于各行各业，对测控系统的组建也产生了越来越大的影响。一个大的复 杂测试系统的输入、输出、结果分析往往分布在不同的地理位置，仅用一台计算 机并不能胜任测试任务，需要由分布在不同地理位置的若干计算机共同完成整个 测试任务。集成测试越来越不能满足复杂测试任务的需要，因此，“网络化仪器” 的出现成为必然。“网络仪器”概念的确立，使人们明确了今后仪器仪表的研发 战略，促进并加速了现代测量技术手段的发展与更新。虚拟仪器的网络化是未来 虚拟仪器发展的一个重要方向。 l o 第二章集成运算放大器测试原理 2 1 集成运算放大器的分类 集成运算放大器从诞生至今，已有4 0 多年的历史了。最早的工艺是采用硅 n p n 工艺，后来改进为硅n p n p n p 工艺( 后面称为标准硅工艺) 。在结型场效应 管技术成熟后，又进一步的加入了结型场效应管工艺。当m o s 管技术成熟后，特 别是c m o s 技术成熟后，集成运算放大器有了质的飞跃，一方面解决了低功耗的 问题，另一方面通过混合模拟与数字电路技术，解决了直流小信号直接处理的难 题。 经过多年的发展，集成运算放大器技术已经很成熟，性能同臻完善，品种 极多。集成运算放大器的分类可以采用工艺分类法和功能性能分类分类法等两 种分类方法。 2 1 1 根据制造工艺分类 根据制造工艺，目前在使用中的集成运算放大器可以分为标准硅工艺运算放 大器、在标准硅工艺中加入了结型场效应管工艺的运算放大器、在标准硅工艺中 加入了m o s 工艺的运算放大器。 标准硅工艺的集成模拟运算放大器的特点是丌环输入阻抗低，输入噪声低、 增益稍低、成本低，精度不太高，功耗较高。这是由于标准硅工艺的集成模拟运 算放大器内部全部采用n p n - p n p 管，它们是电流型器件，输入阻抗低，输入噪声 低、增益低、功耗高的特点，即使输入级采用多种技术改进，在兼顾起啊挺能的 前提下仍然无法摆脱输入阻抗低的问题，典型丌环输入阻抗在1 m 数量级。为了 顾及频率特性，中间增益级不能过多，使得总增益偏小，一般在8 0 1 l o d b 之间。 标准硅工艺可以结合激光修正技术，使集成运算放大器的精度大大提高，温度漂 移指标目前可以达到0 1 5 p p m 。通过变更标准硅工艺，可以设计出通用运放和高 速运放。典型代表是l m 3 2 4 和o p 0 7 。 在标准硅工艺中加入了结型场效应管工艺的运算放火器主要是将标准硅工 艺的集成运算放大器的输入级改进为结型场效应管，大大提高运放的丌环输入阻 抗，顺带提高通用运放的转换速度，其它与标准硅工艺的集成运算放大器类似。 典型丌环输入阻抗在1 0 0 0 m 数量级。典型代表是t l 0 8 4 。 在标准硅工艺中加入了m o s 场效应管工艺的运算放大器分为三类： 第一类是将标准硅工艺的集成运算放大器的输入级改进为m o s 场效应管，比 结型场效应管大大提高运放的丌环输入阻抗，顺带提高通用运放的转换速度，其 它与标准硅工艺的集成运算放大器类似。典型丌环输入阻抗在1 0 数量级。典型 代表是c a 3 1 4 0 。 第二类是采用全m o s 场效应管工艺的集成运算放大器，它大大降低了功耗， 但是电源电压降低，功耗大大降低，它的典型丌环输入阻抗在1 0 数量级。 第三类是采用全m o s 场效应管工艺的模拟数字混合运算放大器，采用所谓斩 波稳零技术，主要用于改善直流信号的处理精度，输入失调电压可以达到 0 o l u v ，温度漂移指标目前可以达到0 0 2 p p m 。在处理直流信号方面接近理想运 放特性。它的典型丌环输入阻抗在1 0 数量级。典型产品是i c l 7 6 5 0 。 2 1 2 按照功能性能分类 本分类方法参考了中国集成电路大全集成运算放大器。 按照功能性能分类，模拟运算放大器一般可分为通用运放、低功耗运放、 精密运放、高输入阻抗运放、高速运放、宽带运放、高压运放，另外还有一些特 殊运放，例如程控运放、电流运放、电压跟随器等等。实际上由于为了满足应用 需要，运放种类极多。 需要说明的是，随着技术的进步，上述分类的门槛一直在变化。例如以前的 l m l 0 8 最初是归入精密运放类，现在只能归入通用运放了。另外，有些运放同时 具有低功耗和高输入阻抗，或者与此类似，这样就可能同时归入多个类中。 通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。p a 7 4 1 ( 单运放) 、l m 3 5 8 ( 双 运放) 、l m 3 2 4 ( 四运放) 及以场效应管为输入级的l f 3 5 6 都属于此种。它们是目 1 2 前应用最为广泛的集成运算放大器。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大 面广，其性能指标能适合于一般性使用。 低功耗运放是在通用运放的基础上大降低了功耗，可以用于对功耗有限制的 场所，例如手持设备。它具有静态功耗低、工作电压可以低到接近电池电压、在 低电压下还能保持良好的电气性能。随着m o s 技术的进步，低功耗运放已经不是 个别现象。低功耗运放的静态功耗一般低于l m w 。 精密运放是指漂移和噪声非常低、增益和共模抑制比非常高的集成运放，也 称作低漂移运放或低噪声运放。这类运放的温度漂移一般低于l u v 摄氏度。由 于技术进步的原因，早期的部分运放的失调电压比较高，可能达到l m v ；现在精 密运放的失调电压可以达到0 1 m v ；采用斩波稳零技术的精密运放的失调电压可 以达到0 0 0 5 m v 。精密运放主要用于对放大处理精度有要求的地方，例如自控仪 表等等。 高输入阻抗运放一般是指采用结型场效应管或是m o s 管做输入级的集成运 放，这包括了全m o s 管做的集成运放。高输入阻抗运放的输入阻抗一般大于1 0 9 欧姆。作为高输入阻抗运放的一个附带特性就是转换速度比较高。高输入阻抗运 放用途十分广泛，例如采样保持电路、积分器、对数放大器、测量放大器、带通 滤波器等等。 高速运放是指转换速度较高的运放。一般转换速度在l o o v u s 以上。高速运 放用于高速a d d a 转换器、高速滤波器、高速采样保持、锁相环电路、模拟乘法 器、机密比较器、视频电路中。目前最高转换速度已经可以做到6 0 0 0 r u s 。 宽带运放是指- 3 d b 带宽( b w ) 比通用运放宽得多的集成运放。很多高速运 放都具有较宽的带宽，也可以称作高速宽带运放。这个分类是相对的，同一个运 放在不同使用条件下的分类可能有所不同。宽带运放主要用于处理输入信号的带 宽较宽的电路。 高压运放是为了解决高输出电压或高输出功率的要求而设计的。在设计中， 主要解决电路的耐压、动态范围和功耗的问题。高压运放的电源电压可以高于 + _ _ 2 0 v d c ，输出电压可以高于2 0 v d c 。当然，高压运放可以用通用运放在输出后 面外扩晶体管m o s 管来代替。 1 3 2 2 集成运算放大器测试原理 集成运算放大器由于品种繁多，性能差异很大。集成集成放大器的参数很多， 而且参数值范围很宽。有的量级很小，例如失调电流k 小到p a 量级；有的量级 很大如开环电压增益高达1 0 6 1 0 7 。要测试这些参数有很大的困难，先进的测 试系统都采用计算机进行自动测试和分选，本论文设计的测试平台也是基于计算 机系统。但是无沦测试设备怎样先进，基本测试原理是相同的。 从测试原理看，基本上可分三种方式。第一是将运放加入测试信号，用示波 器观察运放的传输特性，从传输特性曲线上直接读出和计算一些主要参数的数 值，这种方法虽然测试精度不高，但因为简单直观，因此被广泛采用特别是 一些极限参数，用此法可避免因测试信号过强而损坏，而显示其优越性。第二种 是按参数定义，将规定的测试条件加到被测运放进行定量测试，常称为单管测试 法，这种方法的测试精度虽有改善，但由于运放参数多，测试线路需要相应的变 动，不易实现自动测试，此外对某些参数的测试，单管法不能在完全符合参数定 义条件下进行，对于高性能运放测试误差较大：但这种方法便于消振，测试结果 容易处理，所以国内早期运放测试仪仍采用这种方法，第三种方式是被测运放和 辅助运放组成闭坏系统进行测试，也称为集成运算放大器的辅助放大器测试法， 这种方案经国际电气技术委员会( i e c ) 讨论通过，被列为国际上通用的测试力法， 它的优点是： ( a ) 由于系统闭环，被测运放的直流状态能自动稳定，易于建立测试条件； ( b ) 环路具有较高的增益，有利于微小量的精确测量； ( c ) 系统虽然闭环，但被测运放为丌环状态，实现了对运放的丌环测试，完 全符合运放某些参数定义的要求； ( d ) 不同参数的测试可采用同一闭环系统，仅用若干开关的通断完成测试条 件的转换，这种方法，容易实现自动测试。 本论文采取第三种闭环测试系统，这种闭环测试系统基本原理和设计方法如 下。 1 4 2 3集成运算放大器的辅助放大器测试法 这种方法的电路图如图图2 1 所示，其中a 是辅助运算放大器。 图2 1 集成运算放大器的辅助放人器测试法 环路元件及辅助放大器应满足下列条件。 ( 1 ) 环路元件应满足下列要求： 争口一一公式2 1 口r f 口r ，d 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一公式2 2 式中： 为d u t 的输入失调电压，s o s 为d u 、的输入失调电流，如为辅助放 大器的丌环输出f e e i t ，r , o 为d u t 的开环差模输入电阻。 ( 2 ) 辅助放大器应满足下列要求：开环增益大于6 0 d b ，输入失调电流和输入 偏置电流流应足够小，动态范围足够大。 下面讨论各参数的测试： 1 输人失调电压：将s 是闭合，将s 断丌，将墨s 接地，测得输出端 的直流电压v o ，则得 2 忐馘2 3 r 这阜所测的买际是d u t 和a 两者的输入失调电压，但凼a 的折合剑d u t 输人端后要除d u t 的丌环增益，其影响可忽略。 2 输入失调电流：将墨墨接地，墨断丌。将s 最先闭合，测输出电压。； 再把墨最断开，测输出电压：。 当 s 是 闭合时 d u t输入只有 ， 所以 - _ ( 1 + 鲁公越4 当s 。最断丌时，d u t 输入端除外，还有输入电流在心上的压降为 i ；b 、r b i i b 2 r b = i o s r b ， 所以，圪：= ( 1 + 鲁h + k r ) 公式2 5 厶，：上堪一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一公式2 6 一铷 鼬怕 3 输入基极电流：将墨断丌，墨是接地，分两步测。 a 墨断开，最闭合，测输出电压 - 2 ( 1 + 百r f + - 咒) 一一公式2 7 b & 断开，s 闭合，测输出电压， v 0 2 = ( 1 + 百r f ) 口( 一8 ：r ) 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一公式2 8 由此得 铲礤v o l v 0 2 一黼9 4 开环电压增益4 ：将s 是闭合，将岛断开，将只接地，将s 接信号形。 使k 变化k ，测相应的输出a v o ， 则丌环增益为 4 = 甏( 1 + 鲁) ( 设( 警m 口1 ) 公越1 0 上述4 为辅助放大器的开环增益。 5 共模抑制比c m r r ：将s 。最闭合，将s 断丌，将s ，接地，将氐接共模电压 使变化，测相应的输出圪，则 c m r r ：鹕一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一公式2 1 1 r i 圪 测量c m r r 的条件是精密匹配四个电阻墨，砟，使之每4 4 口l 6 差模输入电阻r ：将墨足墨断丌，墨接地，墨接k ，改变巧，测输 出电压增量( 蟛= 咒) ， 相同的情况下，把s 墨闭合，测a v o ( r = 0 ) 得到r 2 至豆夏蔓2 甄r b 一一一一一一一一一一一一一一一二一一公式2 1 2 a v o ( r = 0 ) 7 输出电阻r ：把墨是闭合，只接地，s 接k 。 先墨闭合，接入r ，改变k ，测输出电压增量a v o ，。 再墨断丌，改变形，测输出电压增量：，则得 r = 訾r 一一一一一一一一一一一一一一一一一