运放测试仪单片机DDSLED测量系统

--第1章绪论1.1研究背景和意义概况随着科学技术的不断发展，计算机技术的不断提高，以及人们对物质生活水平要求的增长，人们对于精密测量以及集成测量的要求也越来越高。不再简单的满足于“有数能读就可以”，“运算无错就可以”的基本要求。测量是按照某种规律，用数据来描述观察到的现象，并对实物进行数据化描述进行量化的一种过程。它涵盖了各种学科，覆盖了方方面面，无论是在日常生活中，还是在学术研究上都能够用得到。而精密测量则是一种对测量过程进行精细化达到精准要求的过程。精密测量比测量的要求更高，更难达到。而这也推进了集成电路测试仪的发展进程。因为集成运放在价格低廉，性能较优越的优势特点，所以在数据处理方面，通信领域，汽车电子领域，仪器仪表，传感器等等诸多方面及领域得到了广泛的应用。但是这种测试仪有一个较为普遍性的缺点，那就是电路系统较为复杂，成本较高，因此在有些特殊应用领域不能够被普遍的使用。所以，在测试仪越来越受到重视的同时，传统的方案已经不能满足大众的需求，而传统的测试仪也面临着更大的挑战，解决准确性的问题成为越来越关键的问题。1.2设计方法思路国内外市场上各种集成运放参数测试仪比较多，“辅助放大器的测量方法”是比较普遍被采用的方法，这种方法测试仪的整个系统具有稳定性强，测量范围大，且精确度高等等的优点。这类测试仪测试的参数一般包括：正向最大输出电压，负向最大输出电压，正向最大共模输出电压，负向最大共模输出电压，正转换速率，负转换速率，静态工作电流，开环增益带宽乘积，输入失调电压，共模抑制比，输入失调电流，开环电压增益，基极偏置电流等15项。在本设计中根据GB3442—86《半导体集成电路运算电压放大器测试方法的基本原理》规定的测试方法来设计，主要测试参数包括：(输入失调电压)、(输入失调电流)、(开环电压增益)和(共模抑制比)等四项参数。用51单片机作为中央处理器，大大降低成本。并且通过LED模块还可以进行显示，具有体积更小，使用更加方便，系统更加稳定等等的优点。1.3本设计的意义现今，随着科技的进步，人们对于集成电路的要求越来越高，各种各样的集成电路芯片也层出不穷，而市面上的一块集成电路有很多引脚，如果用仪器将引脚按顺序一一进行测试是一件很麻烦的事情，在小型或者一般的实验室条件下大部分集成电路只需进行简单测试就能够满足测试要求，所以本设计要基于OPA关键参数精密测量系统设计一个实用的集成电路测试仪。此测试仪的系统集成度高，成本低且便于控制，很好的解决了实验室测试难的问题，具有较好的操作性。

第2章设计思路及原理框图2.1设计思路设计方案1：基于GB3442—86《半导体集成电路运算(电压)放大器测试方法的基本原理》，将各个原理图分别搭建起来，再根据标准的方法进行测量。模块之间相互独立，优点是各个模块之间并没有干扰的存在，测量精度高。但是明显的缺点是，由于所用器件相同且重复，会造成资源浪费，对本设计成本低，方便的要求无法达到。设计方案2：基于GB3442—86《半导体集成电路运算(电压)放大器测试方法的基本原理》，以单片机为核心的控制系统进行对各个参数的测量[4]。完成低成本，高精度的集成运放电路。此方法有效的避免了资源的浪费，整体性好，也能完成本设计的课题要求。综上所述，选择设计方案2。2.2设计原理框图被下载了程序的单片机，通过对高频信号源和测试参数的选择控制，将相应的数据输送给运放参数测试电路，测试参数通过数据采集再将信息反馈给单片机，进行显示输出。单片机可以用键盘对其进行控制。整体系统原理框图如图2-1所示。图2-1设计原理框图2.3方案比较与选择2.3.1芯片选择设计方案1：采用MCS51的AT89S51单片机。低功耗高性能的CMOS8位单片机，具有可以反复擦写的存储器，高密度、非易失性存储技术的制造使得这款芯片十分受青睐，功能强大，编程方便，优点突出。设计方案2：采用FPGA作为系统的控制核心。适合作为大规模系统的控制核心，实时高效。所有器件集成在一块芯片上，方便应用软件进行编写测试[5]。但由于本设计对数据处理的速度要求不高，而且这种方法的核心优势，例如高速处理并不能得到很好地利用。它的不仅设计复杂难度大，而且集成难度高，可能会影响完成任务的进度。综上所述，本设计选择使用相对简单的设计方案1作为设计方案。2.3.2信号源选择设计方案1：采用传统的直接频率合成器。这种方法具有很高的工作频率。但是由于环境复杂，体积较大，成本较高，而且采用的环节较多，容易产生较多的杂散分量，纯度难以达到要求，所以本设计不采用此方法。设计方案2：锁相环频率合成。可以使终端在基站很小的频率间隔内快速的切换频率和相位，分辨率高，频率转换时间短。但是此方法实现困难而且所要求的电路十分的复杂，难以实现。所以本设计并没有采用这种方法。设计方案3：采用DDS芯片AD9851结合单片机产生信号。它具有频率转换速度快，分辨率高，相位噪声低，易编程，体积小，功耗低的特点。可以用8位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。该芯片内置，频率稳定度高，频率改变时间短，完全可以胜任题目的要求。该芯片模块内部再带AD转换模块，其性能优于一般信号源电路，整体上较为成熟，便于使用。综上所述，本设计采取了方案3为设计方案。第3章硬件电路方面设计3.1各参数原理3.1.1输入失调电压输入失调电压是指在差分放大器或者运算放大器中，为了在输出端获得恒定的零电压输出，而需在两个输入端所加的直流电压之差。此参数一般表示为放大器与本级的贴合程度。对应测试电路时为：使输出电压为零（或规定值）时，两输入端间所加的直流补偿电压。根据GB3442—86所规定的测试原理如图3-1所示。图3-1GB3442-86规定的输入失调电压测试原理(3-1)上式中：为输入失调电压；和为所接电阻；为输出电压测试的时候注意，应在规定的环境温度下，将被测器件接入测试系统中。电源端施加规定的电压，且并联电阻与电流的乘积应远远小于输入电压。3.1.2输入失调电流输入失调电流的定义为：当输入信号为的零时，运放两个输入端的输入偏置电流之差称为输入失调电流。对应测试电路如图3-2所示： 图3-2GB3442-86规定的输入失调电流测试原理(3-2)上式中：为输入失调电流；，,为所接电阻；为两开关闭合时，A端测得的电压；为两开关断开时，A端测得的电压。测试的时候注意，输入电流与电阻的乘积应远远大于输入电压，输入电流与和并联电阻的乘积应远远小于输入电压。3.1.3开环电压增益开环电压增益的定义为：集成运算放大器在没有反馈电阻状态下的差模电压增益，是集成运算放大器的输出电压与差模输入电压变化之比。对应测试电路如图3-3所示：图3-3GB3442-86规定的开环电压增益测试原理(dB）(3-3)上式中：为开环电压增益；为与之差；为开关置“3”时在辅助放大器A的输出端测得的电压；与为所接电阻。测试的时候注意，交流频率的信号应足够低，所有电阻的精度决定了测试精度。与其他测试时的共性为都需要注意环境温度，电源电压以及输出阻抗，参考电压，环路条件，补偿网络及辅助电路。3.1.4共模抑制比共模抑制比的定义为：集成运放的差模电压增益与共模电压增益之比。对应测试电路如图3-4所示：图3-4GB3442-86规定的共模抑制比测试原理（dB）(3-4)上式中：为共模抑制比；是输入端施加规定的共模信号电压；为辅助放大器A的输出端测量电压；和为所接电阻。测试的时候注意，。其中是被测器件的最大共模输入电压。以上就为本次设计所涵盖的四项参数设计原理。3.2基本测试电路原理在GB3442—86《半导体集成电路运算(电压)放大器测试方法的基本原理》规定的辅助放大器（A）与被测器件（DUT）构成闭合环路的方法测试时，基本测试原理如图3-5所示。图3-5GB3442-86规定的运算放大器基本测试原理在GB3442-86规定的运算放大器基本测试原理中，总的要求应满足：1.测试期间，避免外界干扰对测试精度的影响。2.在工作区测试时，交流小讯号幅度的逐渐减小，不应引起参数值的变化。3.被测器件与测试系统连接或者断开时，不应超过器件的使用极限条件。4.应按器件的详细规定的顺序接通电源。5.被测器件应连接器件详细规定的辅助网络和补偿电路。本设计将依据以上基本的总的要求，进行集成运放测试仪的设计。3.3硬件单元电路实现本设计整体设计依据辅助运放测试方法，根据GB3442—86《半导体集成电路运算电压放大器测试方法的基本原理》，目的是设计出一种能够测试VIO(输入失调电压)、IIO(输入失调电流)、AVD(开环电压增益)和KCMR(交流共模抑制比)等四项基本参数的精密测量的测试仪。在硬件单元电路方面，本设计的基本测试电路将所要测试的VIO(输入失调电压)、IIO(输入失调电流)、AVD(开环电压增益)和KCMR(交流共模抑制比)四项基本参数集合在一个电路中，达到具备自动测量功能，且具有高集成度，良好的人与计算机交互界面的要求，大大的简化了电路，降低了成本。测试电路如下图3-6所示：图3-6测试电路原理图3.3.1输入失调电压、输入失调电流的测量闭合S1，将S2调到2，闭合S3、S4、将S11调到2档，闭合S12，可以测得辅助运放的输出电压为，可以得到：(3-5)多次按照上述测量步骤进行测量，然后在此基础上断开S3、S4，可得到辅助运放的输出电压，可以得到：(3-6)注意在进行测量的时候，应满足：，(3-7)3.3.2开环电压增益的测量闭合S1、将S2调到2档，闭合S3、S4、S10，将S11调到1档，闭合S12，若设定信号源输出电压为，可以得到：（dB）(3-8)根据GB3442—86《半导体集成电路运算电压放大器测试方法的基本原理》中所述，应注意在本测试电路中，，，决定了测试的精度，测试的时候需注意。3.3.3共模抑制比闭合S1，将S2调到1档，闭合S3、S4、S10，将S11调到2档，闭合S12，将S13调到1档。若输入端施加规定的共模信号电压为，辅助放大器A的输出端测量电压为，可以得到：（dB）(3-9)注意测试的时候，，其中，是被测器件的最大共模输入电压，千万不能超过这个值，不然会对测试造成影响。3.3.4测试，所用的信号源根据GB3442—86《半导体集成电路运算电压放大器测试方法的基本原理》，本设计考虑用由RC振荡电路构成的低频正弦信号发生器—文氏电桥电路实现产生4V、5Hz的正弦波。它可以通过调节电路中的电阻，电容的值的大小，以此产生不同频率，不同幅度的正弦信号，且此信号相对于来说比较纯。此电路的优点是电路简单、信号幅度比较稳定，稳定度可以达到1%。并且它的频率范围满足本设计的要求。所以本设计决定采用此电路作为信号源。3.3.5扫频信号源本设计决定采用DDS芯片AD9851合成40kHz到4MHz的扫频信号源。扫频信号源是信号发生器的一种，例如扫频仪里就有扫频信号源。一般信号发生器的要点在频率的高低，稳定性，内外调剂等等，并不强调频率的连续变化，而很多针对频率特性的测试则希望测试信号的频率能够连续变化，这就出现了扫频信号源。AD9851芯片是ADI公司采用先进的DDS技术推出的高集成度DDS频率合成器，它的内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成和时钟发生。它的接口功能控制较为简单，可以用8位并行口或者串行口直接实现输入频率、相位等等控制数据。由于采用的DDS技术，可以通过DCO的形式产生频率或者相位可变的正弦波，经过自身内部高速转换输出模拟信号。先进的工艺不仅使得AD9851性能指标一流，而且功耗低，能耗小，转换速度快，且具有较好的频率输出范围，优点比较突出。如下图3-7所示：图3-7AD9851内部结构和引脚排列图3.3.6A/D采样电路本设计采用12位串行口的TLC2543作为A/D采样电路的核心部分。TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，具有串行控制和11路模拟输入，在工作温度范围内的转换时间短，稳定性好，可编程的数据输出长度，价格适中，分辨率高，在仪器仪表中有比较广泛的应用，有较好的应用前景。本设计的A/D采样电路如下图3-8所示：图3-8A/D采样电路图3.3.7键盘模块键盘模块的设计如下图3-9所示：图3-9键盘模块电路图电路图的左侧为键盘对应的按键。键值是用一块PLD芯片和74HC245实现的。74HC245是一种三态输出，八路信号收发器。采用CMOS工艺，具有宽电压工作范围，适用于显示屏以及其他数字电路的驱动，具有很好的抗干扰能力，能够增强电路的驱动能力。当有按键被按下时，外终端0就会被触发，然后通过CS端来读取实时按键的键值。在电路图中，按键1连接IO2口，按键2连接IO3口，按键3连接IO4口。74HC245的输出端B0-B7与单片机的P0口连接。在此模块的设计中，按键1对应显示复位，键值为0；按键2对应进入参数测试；按键3对应进入幅频测试，键值为2。3.3.8显示模块本设计采用LED数码管进行显示。LED数码管具有功耗小，无热量，耐冲击，长寿命等优点，安装编排方式任意，适合各种复杂工程的需求。且相对于使用LCD显示来说，LED数码管的成本更加的低廉，运行更加的可靠。LED数码管由2个74HC573芯片进行控制。74HC573芯片包含八路三态输出的锁存器，是一种高性能的CMOS器件。当使能端为高时，输出端的输出的数据将随输入端输入的数据而改变。当使能端为低时，它会将输出的数据锁存在已建立的数据电平上。当输入的数据消失时，在芯片的输出端输出的数据仍将保持，是一种十分稳定的芯片。引脚功能如下图3-10所示：图3-1074HC573引脚图因此，显示模块的电路图如下图3-11所示：图3-11显示模块电路图LED数码管的使用有利于更加直观的实现对显示模块系统的控制结果，针对不同键值的操作结果显示不同的数值，有利于良好的实现人与计算机之间的交互，简单方便，便于操作。第4章软件设计4.1软件设计思路软件是一个系统不可或缺的模块。软件相当于控制和协调外部设备，支持开发和运行的系统，是各种功能的集合。软件模块不仅仅只是一个单独的模块，在外部，它涉及到和各个设计模块的衔接，对硬件模块的管理，和外界的通信；在内部也会涉及到对各个部分的控制，通信。让系统真正变成一个整体工作。根据方案设计的要求，软件需要拆分成几个模块来进行。4.2软件模块程序流程图AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kByteISP，也就是含有4个存储单位的“在系统编程”的反复可擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性储存技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51的各个管脚说明如下：VCC：供电电压GND：接地P0口：8位漏级开路双向I/O口，定义为高阻输入。能够用于外部程序数据存储器，可以被定义为数据或者地址的第八位。P1口：一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。P1口管脚写入1后，内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，缓冲器可接收。P2口管脚写入1后，内部上拉为高，可用作输入，P2口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。当用于外部程序存储器或者16位地址外部存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在编程和校验时，P1口作为第八位地址接收高八位的地址和控制信号。P3口：一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。当P3口写入1后，被内部上拉为高电平，并用作输入。当下拉为低电平时，P3口将输出电流。RST：复位输入，当振荡器工作的时候，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将试单片机复位。ALE：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以一定频率输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。PSEN:程序允许输出是外部程序存储器的读选取信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令或者数据时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次两次有效的PSEN信号。EA：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器，即地址为0000H-FFFFH，BA端必须保持低电平，即接地。XTAL1：振荡器反相放大器即内部时钟发生器的输入端。XATL2：振荡器反相放大器的输出端。除此之外，AT89S51还有特殊功能寄存器。空间分布如下图4-1所示：图4-1AT89S51特殊功能寄存器分布图AT89S51各个管脚如下图4-2所示：图4-2AT89S51管脚图ISP决定了它可以在板子上直接进行编程，不用拆芯片下来，就可以进行对整个程序的编写，方便快捷高效。通过软件与硬件接口电路的连接，可以直接达到以AT89S51为核心控制各个模块的效果。通过测试板控制的A/D转换模块与单片机接口的连接，将数据汇集到单片机中；通过LED接口与单片机接口的连接，达到控制数据对不同测试模块进行显示的实现；通过键盘接口与单片机接口的连接，达到按钮转换和单片机软件的联合控制实现相应功能的目的。程序流程图，如下图4-2所示：图4-3程序流程图4.3软件子模块设计4.3.1DDS的软件模块设计AD9851采用串行方式控制。初始状态输出为5Hz，这是为了满足基本要求的测试需求。DDS作为扫频信号源，为此需要自行选定扫频频点和计算控制字。AD9851的输出频率依据的公式为：(4-1)其中为32位字长的频率控制字，现在为30MHz的6倍，也就是180MHz，因为在簇模块中使用了芯片内部的6倍频率器，这样做的优点是可以提升整个系统的稳定性，而且可以减少一定的成本。每次变换频率的时候只需要按照以下的时序将控制字送出，就可以得到想要达到的频率。也就是说，将控制字移位，用IO口送出。图4-4AD9851频率图AD9851信号源软件流程图如下图所示：图4-5AD9851程序流程图4.3.2A/D转换模块要实现单片机对系统的控制，A/D转换模块至关重要。A/D转换是控制系统和计算机之间不可缺少的接口方式。要实现控制，就必须检测相关参数。A/D转换模块能够把检测到的信号模拟量转换成计算机能够识别的等效的数字量。这些模拟量经过模块处理后输出的结果才能被单片机所识别。这是因为从测试板中输出的信号是信号模拟量，而单片机只能对数字量进行处理，控制。所以对于单片机来说，是不可能识别模拟量的大小的。所以，在单片机进行处理运算时，A/D转换模块是十分重要的。TLC2543作为本设计A/D转换模块的核心部分，它的功能如下图所示：图4-6TLC2543引脚功能图当要开始模拟信号向数字信号转换时，为了使该芯片为可用状态，需要将CS信号端置为低电平，使内部计数器复位。当输入时钟信号时，在CLOCK口的上升沿处，在DATAINPUT的输入端口输入要转换的地址，前4位为模拟通道地址，控制14通道模拟多路器从11个模拟输入和3个内部测电压中选通一路送到采样保持电路。当CLOCK的第4个脉冲的下降沿到来时开始对所选信号采样，读入的通道中的模拟信号开始转换，直到最后一个CLOCK脉冲的下降沿。调用延时函数作为其转换时间，然后单片机要给A/D芯片的CLOCK端口连续16个脉冲，之后的脉冲下降沿到来时读取A/D中的一位数据并输出，先读入的数据为高位，将前12位数据保存在程序中，后4位数据作为无效数据舍去，然后返回到上级函数。一个片选的CS脉冲要插到每次转换的开始处，或者是在转换时序的开始处变化一次后保持为低，直到时序结束。如下图所示，为该模块的转换程序流程图：图4-7A/D转换流程图4.3.3键盘控制模块对于硬件模块的键盘控制，相对的在软件上也离不开这个模块。三个按键：第一个按键对应的是初始复位，按下之后可以用来调用复位函数，回到最初的值。第二个按键对应的是测试四个参数模块，也就是本设计要测试的四个参数：输入失调电压，输入失调电流，开环电压增益，共模抑制比。通过参数测试函数可以分别读取不同参数的数据，通过单片机的程序控制来得到相应的数值，然后通过调用函数将得到的数据转换为所需的电压值，将所得数据进行平均后在计算参数对应的结果，最后显示出来。第三个按键对应的是控制AD9851产生信号源，按下之后可以调用函数产生高频信号。由于参数测试模块是由按键来控制，所以此模块的程序设计很重要。具体的流程图如下图所示：图4-8键盘模块流程图4.3.4显示模块本次设计，在显示方面，采用LED数码管对所需要测试的参数进行显示输出。按下不同的按键，对应实现不同的功能，再对应不同的运算处理通过数码管达到显示输出，从而达到通过单片机对数码管显示的控制。该模块主要是将处理结果的数据显示在数码管上。将数码管的“A,B,C,D,E,F,G,DP”的同名端连在一起，与一片74HC573相连，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管不会亮。流程图如下图所示：图4-9显示模块流程图采用这种方法比较节省I/O口，显示比较稳定，显示方式也较为简单，功耗也更低。是一种比较好的驱动方法。4.4可附加打印模块由于本设计具有自动测量功能，也可以经过单片机控制计算后直接打印输出，但后来由于考虑到成本和便于使用的问题，没有加入进本系统整体设计中。但这不失为一种直观且方便输出的一种显示方式，在设计时也可以用这种外接打印机显示方法实现数据输出，具体流程图如下图所示：图4-10打印设计流程图结论在本次设计中，集成运放参数测试系统按照GB3442—86《半导体集成电路运算电压放大器测试方法的基本原理》，设计出了一种能够测试输入失调电压、输入失调电流、开环电压增益和交流共模抑制比等四项基本参数且达到精密测量的测量仪。整个系统集成度高，成本低且便于控制。以51单片机为核心，充分发挥了其高速性和稳定性，通过软硬件结合实现了集成运放参数仪的设计。在整体上改善了稳定性，对运放的适应能力有了很大的提高；比较好的解决了测试精度与稳定性的矛盾；通过不同按键的控制可以实现对不同功能的实现，比较便于操作；对每个模块有了不同程度的细化和提高，例如使用LED数码管进行显示，达到更加直观方便的效果。通过本次设计，使我对单片机与各个单元模块及各个元器件有了更加深入的了解，同时也培养了我勇于创新的精神和实事求是的科学态度。通过这次设计，我发现以下几点：由于参数测试仪本身对于测试环境高要求的性质，且参数测试仪的昂贵，导致一般的实验室是不配备此仪器的。本文通过对集成运放参数测试仪的研究，设计而成的简单的测试仪，虽然比进行专业测量的测试仪的性能要差一些，不过能够满足基本要求。价格更为低廉，使用方便，比较符合大众的需求。作为简单测试，基本测量，本设计所设计的测试仪能够达到要求，但是对此方面的研究，有些地方还需要更加深入的改进，怎么能够让测试仪达到更高的精度，测试更多的参数仍然是今后需要考虑的问题。集成运放参数测试仪作为电子研究领域的一个测试设备，一种必不可少的设备，相关的产品还比较少，发展前景比较可观，可以作为一个方向继续深入研究。致谢这次毕业设计，经历了很多，也学到了很多。在历时三个月的时间里我能够按照进度安排，自己规划时间，在规定时间内完成任务。在这期间，我突破重重困难和阻力，克服了设