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1、集成运放参数测试仪作者赛前辅导教师： 文稿整理辅导教师： 摘要本系统是基于SPCE061A单片机的运算放大器闭环参数测试系统，该系统采用辅助运放测试方法，可对运放的输入失调电压、输入失调电流、交流差模开环电压增益和交流共模抑制比以及单位增益带宽进行测量，并具有将测试数据打印输出的功能。利用DDS芯片AD9851实现了40kHz4MHz扫频输出，并具有自动量程转换、自动测量功能和良好的人机交互性。AbstractThis system is designed based on SPCE061A microcontroller to measure the close loop parameter
2、s of the amplifier. The system can measure the input offset voltage、the input offset current、the open loop AC differential mode voltage gain、the AC common mode rejection ratio and unit gain bandwidth，using the measure method of assistant amplifier. What is more, data printing is completed in this sy
3、stem. The system can generate sweep sinewave singal with frequency range from 40 kHz to 4 MHz, using the DDS chip of AD9851. SPCE061A microcontroller can control relays to complete auto measurement range switching and auto measuring.一、方案论证与比较1运放参数测试电路方案一： 采用集成运放参数的定义设计测试电路。该方案原理简单，电路简洁，易于制作，但是容易自激，噪
4、声比较大，会导致测试结果误差较大。同时在测量失调电流时，采样电阻的阻值会大到数兆欧，因而容易在辅助运放的输出端引入很大的工频干扰。按定义设计的电路测量差模开环增益时，因为开环电压增益通常很高，故要求输入电压很小(几百微伏)才能保证对输入信号线性放大。但在小信号输入条件下测试时，易引入各种干扰，而且获得高质量的小信号也比较困难，所以该方案难以实现。方案二：按照GB344286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直流测试法，可实现运算放大器直流参数的准确测量。该方案的测试原理如图1所示。图1 GB344286规定的运算放大器直流参数测试方法它是目前国际普遍采用的一种测试方法
5、，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。方案二为国家标准，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，所以在本系统中基本沿用方案二的框架来实现本题的要求。2. 扫频信号源方案一：采用模拟分立器件或单片压控函数发生器ICL8038，通过调整外部元件改变输出信号频率。但是模拟器件元件分散性很大，产生的频率稳定性较差，精度低，抗干扰能力低。一般器件输出的频率范围难以达到4MHz。方案二：采用直接数字频率合
6、成（DDS）技术。它的频率稳定度完全由晶振的频率稳定度决定，具有较高的频率输出范围，是目前实际运用中最广泛使用的一种方案，该方案完全可以满足题目的要求。本系统选用方案二。二、系统原理框图整体系统原理图如图2所示：图2 系统原理图三、单元电路设计与实现1输入失调电压和输入失调电流测试电路如图5所示，将继电器S1和S2关闭，可构成输入失调电压测试电路；将继电器S1和S2断开，可构成输入失调电流测试电路。电容C1和C2补偿电路的分布参数，抑制自激现象的发生。C1，C2的值由实验获得，将数百皮法的瓷片电容接入电路选定位置，观察自激信号的变化，直到取得使自激信号最小的电容值为止。采用高精确度和低温漂的O
7、P07作为辅助运放，提高测试电路增益的稳定性。先将S1和S2关闭，测得辅助运放的输出电压为VLO，则有：选R9R1，使VIOIIO R4，于是运放的输入失调电压为：再将S1和S2断开，测得辅助运放输出电压为VLI，则有：由失调电压的测量原理可知：因此运放的输入失调电流IIO为：图3 输入失调电压和输入失调电流测试电路2交流差模开环电压增益和交流共模抑制比测试电路交流差模开环电压增益和交流共模抑制比测试电路分别如图4和图5所示。图4 交流差模开环电压增益AVD测试电路设信号源输出电压为VS，测得辅助运放输出电压为VLO，则有：图5 交流共模抑制比测试电路信号从运放的同相和反向端同时输入，形成共模
8、抑制信号。设信号源输出电压为VS，测得辅助运放输出电压为VLO，则有：3单位增益带宽测量电路单位增益带宽测量电路为一个反向比例放大器，从Vin输入恒定幅值的正弦信号，改变信号频率，对应电路输出端的电压幅值下降到3dB时的频率即为单位增益带宽。4. 测试AVD、KCMR的信号源该信号源用于AVD、KCMR参数的测量。本系统利用SPCE061A单片机自带的10位DA转换器和丰富的中断资源，采用直接数字频率合成技术，产生该信号。5.自动量程转换和自动测量电路此为该电路的特色部分：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、交流共模抑制比测试电路，以及单位增益带宽测试电路整合在一个电路
9、中，并通过继电器来切换，以达到自动测量和自动量程切换的目的。这样既实现了测量的自动化，也大幅简化了电路，即通过一个核心测量电路就可以完成所有参数的测量工作。整合后的前级处理电路如图6所示。图6 集成运放参数测试仪前级处理电路其中S1S8为8个继电器。继电器状态和待测量的对应关系如表1所示。表1 继电器状态和待测量的对应关系表 继电器状态待测量档位S1S2S3S4S5S6S7S8输入失调电压04mV01100000040mV01000000输入失调电流00.4uA0010000004uA00000000交流差模开环电压增益6080db0110001180120db01100011交流共模抑制比6
10、080db1110001080120db11100010单位增益带宽000111006峰峰值检测电路的设计该电路由一个二极管和一个电容组成，用于测量单位增益带宽时的输出信号的检测。实际测量表明，该峰值检测电路在40kHz4MHz具有很好的线性度。7AD采样电路本系统采用16位串行型AD转换器MAX195，可以保证测量精度。8.扫频信号源采用AD9851直接数字频率合成芯片来产生满足需要的扫频信号。采用并行送控制字的方式，减少控制耗时，而AD9851的响应速率保证其在10秒内完成扫描。经过输出扫频测试，DDS芯片可以在10秒内连续稳定输出频率在40kHz4MHz连续变化的正弦波。其电路原理图如图
11、7所示。AD9851频率控制字FSW与最终合成的信号频率之间的转换公式为：若系统时钟频率为120MHz，则最大分辨率=120Hz=0.03Hz。远超出本题1kHz分辩力的要求。图7 扫频信号源9红外键盘和接收电路本系统采用专用红外解调芯片HS0038将遥控器SAA3010T发送的信号解调出来，送入单片机进行解码。HS0038解调出来的信号是13位串行数据，码率固定。10打印功能连接电路本设计采用微型打印机，打印机连线一端接打印机，另一端为RS232的接口，接在单片机上。打印机和单片机的RXD和TXD连接时必须进行电平转换，图8即为通信时的接口转接电路和硬件连接方式。图8 打印功能转接口转接电路
12、四、软件设计（1）软件功能设计软件系统使用菜单模式，直观且利于操作，便于维护和升级。为了增强系统的抗干扰性，在硬件Watchdog的基础上，同时还增加了软件陷阱处理，防止软件的“跑飞”。（2）系统软件框图和程序流程图 系统软件框图如图9所示，从机主要是提供对外设的支持。包括红外键盘，语音播报，LCD显示。当有键盘输入请求或语音播报和LCD显示输出请求时，从机响应各种命令，并进行相应的处理。这种设计模式大大减轻了主机的负担。有利于系统的设计，程序流程图如图10所示。图9 系统软件框图图10 主机程序流程图五、系统测试1测试仪器CALTEK CA1640P-20型函数发生器/计数器Tektroni
13、x TDS210双踪数字示波器MATRIX MPS-3003L-3A稳压源FLUKE 17B DIGITAL MULTIMETER 万用表2. 测试方法（1）自制仪器测试方法将待测运放放在自制参数测试仪的测试点上，被测运放选8引脚双列直插运放F741 、LM741、A741、F007等通用型运算放大器，通过功能按键选通不同的测试参数对应的仪器状态。（2）校验仪器测试方法按题目要求，要按附录提供的符合GB3442-82的测试原理图，再制作一组符合该标准的测试VIO、IIO、AVD和KCMR参数的测试电路，以此测试电路的测试结果作为测试标准，对制作的运放参数测试仪进行标定。所以校验仪器测试方法按题
14、目附录中的测试方法进行测试，这里不再赘述。3.测试数据和结果（1）输入失调电压(VIO)、输入失调电流 (IIO)输入失调电压、输入失调电流的测试结果如表2所示。表2输入失调电压、 输入失调电流测试结果被测样品自制参数测试仪测量显示结果VI0IIO校验电路测试计算结果VI0、II0F7410.5mV，4nA0.48mV，3.7nACA7411.04mV, 3.1nA1.06mV，2.6nA（2）交流差模开环电压增益 (AVD)交流差模开环电压增益的测试结果如表3所示。表3 交流差模开环电压增益测试结果被测样品自制参数测试仪测量显示结果AVD(db)校验电路测试计算结果AVD(db)F74110
15、5106CA7418888.87（3）交流共模抑制比 (KCMR)交流共模抑制比的测试结果如表4所示。表4 交流共模抑制比测试结果被测样品自制参数测试仪测量显示结果KCMR (db)校验电路测试计算结果KCMR (db)F741105107CA74191.593.2（4）信号源测量题目要求自制信号源，用于AVD、KCMR参数的测量，要求信号源能输出频率为5Hz、输出电压有效值为4 V的正弦波信号，频率与电压值误差绝对值均小于1%，实际测得结果如表5所示。表5自制信号源测量结果输出信号电压有效值（V）电压误差（）输出信号频率（Hz）频率误差（）3.980.550（5）发挥部分 BWG要测单位增益
16、带宽，必须有一个输出幅值稳定的扫频信号源，题目要求设计并制作一个扫频信号源，要求输出频率范围为 40kHz4MHz，频率误差绝对值小于1%，输出电压的有效值为2V0.2 V，实际制作的扫频信号源各项参数如表6所示。表6 扫频信号源参数测试结果输出40kHz100kHz1MHz4MHz输出电压（V）2.001.981.941.81相对误差（V）0.00.020.060.19六、结论1整机指标本系统不仅完成了题目所有基本部分的要求，而且完成了所有发挥部分的要求，功能指标上均有扩展，题目要求指标和系统实际性能如表7所示。表7 性能总结题目基本要求题目发挥要求作品实际性能能测试VIO、IIO、AVD、
17、KCMR，并显示能测试VIO、IIO、AVD、KCMR，并显示VIO测量范围为040mV，误差绝对值小于3%VIO测量范围为040mV，误差绝对值小于1% IIO 测量范围为04A，误差绝对值小于3%IIO 测量范围为04A，误差绝对值小于3%AVD测量范围为60dB120dB，测试误差绝对值小于3dBAVD测量范围为 60dB120dB，测试误差绝对值小于3dBKCMR测量范围为 60dB120dB，测试误差绝对值小于3dBKCMR测量范围为 60dB120dB，测试误差绝对值小于3dB自制5Hz、4 V（有效值）的正弦波信号，频率与电压值误差绝对值均小于1%能产生5Hz、4 V（有效值）的
18、正弦波信号，频率与电压值误差绝对值均小于0.5%制作另外一组测试VIO、IIO、AVD 和KCMR参数的测试电路制作了另外一组测试参数测试电路增加BWG参数测量功能，要求测量频率范围为100kHz3.5MHz，测量时间10秒，频率分辨力为1kHz；能测BWG测量时间3秒，频率分辨力1kHz；设计并制作一个扫频信号源，输出频率范围为 40kHz4MHz，频率误差绝对值小于1%；输出电压的有效值为2V0.2 V扫频信号源输出频率范围为 1Hz20MHz，频率误差绝对值小于0.1%，输出电压的有效值为2V0.1 V增加自动测量功能，能自动按VIO、IIO、AVD、KCMR和BWG的顺序测量、显示并打
19、印以上5个参数测量结果能自动测量，顺序显示，顺序打印其他有红外键盘，可通过遥控器控制系统。有语音播报功能，使系统有很好的交互性2误差分析该系统主要误差在于寄生振荡波和50Hz工频干扰对测试结果的影响。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。工频干扰则是由于采样电阻过大引起的。参考文献1 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，2000.2 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 ，2005.3 张彦斌等.凌阳十六位单片机原理及应用. 北京：北京航天航空大学出版社，2003.4 薛钧义,张彦斌,樊波等. 凌阳十六位单片机原理及应用. 北京：北京航空航天大学出版社，2003.5 康华光,陈大钦.电子技术基础模拟部分（第四版）.北京：高等教育出版社,1999.6 康华光，邹寿彬.电子技术基础数字部分（第四版）.北京：高等教育出版社，1999.
