基于虚拟仪器的集成运算放大器综合参数测试平台

基于虚拟仪器的集成运算放大器综合参数测试平台【摘要】本文利用虚拟仪器技术进行运算放大器参数测试平台的设计，所用的软件为NI公司的labVIEW编程环境，硬件选用NI公司的PCI-6251数据采集卡，实现信号的采集与传递，整个测试平台能方便完成运算放大器主要参数的测试、波形显示与保存。最后利用测试平台对运算放大器的特性进行测量，并与其他仪器测量结果进行比较，实验结果表明该测试平台所测结果精确可靠，系统操作灵活，可扩展性强。【关键词】虚拟仪器;LabVIEW;运算放大器;参数测试1.引言虚拟仪器包括硬件和软件两大部分，其中硬件指的是获取硬件电路的信号的一个媒介，也就是与硬件电路互相数据交换的通道平台。而相应的软件是实现数据的采集、分析、处理、显示等功能，并将其包装成一个虚拟仪器操作的环境，是一种仿真的环境，可以在上面通过写代码，完成对硬件电路的测试。相比于传统的硬件电路测试，虚拟仪器不需要庞大的硬件设备，不需要过于复杂的后续公式计算，可以将公式包含到程序中。在微电子方面的应用，虚拟仪器对测量一些半导体器件的特性显得尤为重要，这里是利用虚拟仪器对运算放大器进行参数测试。并可以将输出输入的结果同步的绘制成相应的特性曲线，并且可以将所关心的硬件中某个节点的数据单独进行分析。因此，虚拟仪器可以完全适应实验室中对于一般半导体器件的特性测试，另外对于实验数据的记录和提取，尤其是面对庞大数据时，虚拟仪器的优势就体现出来了。2.测试系统设计2.1设计要求及整体方案本测试系统充分利用虚拟仪器的灵活性、可扩展性及强大的软件功能，通过尽量少的硬件电路，强健的软件设计实现运算放大器主要参数的测试，保证了在硬件设备以及连线不变的前提下，通过软件控制就可以完成多项指标的测试，增加了测试效率，同时也降低了成本。另外，硬件测试电路有多路开关组成，对应测试指标有相应的测试程序。图1中为系统的整体程序框图，测试电路为搭建的具体硬件电路，NIPCI6251板卡为相应的通用板卡，电脑中所用的软件为LabVIEW.可以通过软件控制并且相应的显示出所测数据。图1测试系统设计原理框图2.2数据采集系统设计数据采集主要依靠NI公司提供的数据采集板卡，以及软件中的DAQ助手进行数据传递，数据采集是虚拟仪器的核心技术之一。LabVIEW提供了与NI公司的数据采集硬件相配合的丰富软件资源，使得它能够方便地将现实世界中各种物理量采集到计算机中，从而为计算机在测量领域发挥其强大的功能奠定了基础。本测试系统的数据采集部分选用NI公司的PCI-6251型数据采集卡。NIPCI-6251数据采集卡共有16个模拟输入通道，2个模拟输出通道，分别有8个数字输入输出通道，2个计数器和定时器，1个ADC，2个DAC。16个模拟输入通道可以根据采集方式的不同，用多通道采集多组信号。因为有两个DAC，可以并行输出两路模拟信号。2.3软件系统设计本文所采用的软件平台是LabVIEW8.2开发平台。软件系统的前面板设计窗口如图2所示。前面板既接受来自框图程序的指令，又是用户与程序代码发生交互的窗口。这个窗口模拟真实仪表的面板，用于设置输入和观察输出，能够实时的显示所测的参数，并能方便的调节设置所需要的各个参数。当开关打开，程序运行，所测参数会动态的显示在面板上，并能绘制出如下曲线。图2测试系统前面板1图3测试系统前面板2后面板程序采用顺序执行程序，通过时钟进行延迟。首先进行所有开关的初始化，这样相对之前的控制进行清零，延迟一段时间，前面板对应的测试选项，有不同的开关顺序，并进行一定的延迟。最后将采集的数据进行公式计算，为了保证采集数据的准确性，采20个值，去掉最大值，去掉最小值，然后取平均值。最终将这些数据通过公式处理，得到所测数据，显示在前面板上。其中的开关代表布尔逻辑，T代表开，F代表关，开关对应着高低电平，传送给硬件电路的开关。图4测试系统后面板23.测试实验验证3.1测试电路设计以测试NE5532为例，NE5532为八管脚双运放，根据其数据手册确认运放的基本特性，并搭建相应的硬件电路。本文主要需要测量的运放参数为输入失调电压，输入失调电流，输入基极电流。测试方案依据通用的运放测试标准，所采用的电阻为高精度电阻，并做了相应的匹配。在焊接电路过程中也是注意了元器件之间的走线，尽量避免一些线过长造成干扰。为了提高测量的便捷，采用了辅助运放测试方法，具体电路结构如图6所示。图5实际搭建的硬件电路图图6测试电路示意电路图3.2输入失调电压理想运算放大器，当输入信号为零时其输出也为零。但在真实的集成电路器件中，由于输入级的差动放大电路总会存在一些不对称的现象（由晶体管组成的差动输入级，不对称的主要原因是两个差放管的UBE不相等），使得输入为零时，输出不为零。这种输入为零而输出不为零的现象称为“失调”。为讨论方便，人们将由于器件内部的不对称所造成的失调现象，看成是由于外部存在一个误差电压而造成，记作UIO。输入失调电压在数值上等于输入为零时的输出电压除以运算放大器的开环电压放大倍数：（1）式中：UIO——输入失调电压UOO——输入为零时