在現(xiàn)代科研機構(gòu)電路設計、大專院校的電子系統(tǒng)教學中,集成運算放大器作為信號處理的基本器件,應用非常廣泛,準確的掌握集成運放的參數(shù)是進行電子系統(tǒng)設計的基本前提。為了方便用戶準確掌握手中運放的各項參數(shù),本文提供了一種采用可編程DDS芯片和MCU的測量系統(tǒng),可自動測量集成運放的5項基本參數(shù),以小液晶屏顯示測量結(jié)果,并可根據(jù)需要打印測量的結(jié)果,與現(xiàn)有的BJ3195等昂貴測試儀相比,該測量系統(tǒng)功能精簡、操作智能化、人機接口友好。

系統(tǒng)總體設計

    系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以SPCE061單片機為控制核心,采用主從結(jié)構(gòu),從單片機負責外圍的液晶顯示、打印、語音提示等功能。主單片機負責接收紅外鍵盤的輸入信息,根據(jù)當前用戶輸入,將參數(shù)測試部分以及自動量程切換部分設置到合適的狀態(tài),然后對測量結(jié)果進行讀取,并通知從機對測量結(jié)果進行顯示或打印。系統(tǒng)的DDS掃頻信號源,可以通過紅外鍵盤設置輸出4MHz以內(nèi)的任意頻率以及任意頻率段任意步進的正弦信號。為了提

測量功能電路結(jié)構(gòu)

SPCE061簡介

    SPCE061是凌陽科技股份有限公司推出的16位MCU,最高工作頻率可達49MHz,內(nèi)置32KB的ROM以及2KB的RAM,具有紅外通信接口和異步全雙工串行接口。另外,SPCE061提供非常方便的開發(fā)平臺和音頻編解碼工具,使得SPCE系列單片機不僅控制功能強大、開發(fā)周期短,且易于實現(xiàn)主從機架構(gòu)。

測量主電路

    測量運放參數(shù)的電路如圖2所示,該電路系統(tǒng)傳遞函數(shù)中引入了兩個放大環(huán)節(jié),因此存在兩個或者兩個以上的極點,由奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù),對于閉環(huán)反饋系統(tǒng),若有極點分布在頻域右半平面,在深度負反饋測試時會產(chǎn)生自激振蕩,導致無法正常測試。因此,本系統(tǒng)改進了該電路,在反饋回路中加入560pF電容與RF并聯(lián),補償信號的相位,改變整個反饋通道的幅頻特性,增加其相角裕度,經(jīng)測試,閉環(huán)回路工作穩(wěn)定性大幅提高。

    圖2中,S1、S2、S3、S4均為繼電器,由SPCE061控制其導通與關(guān)斷,從而實現(xiàn)VIO、IIO、AVD、KCMR、BWG的自動測量,其中BWG由繼電器切換到另一路掃頻儀單獨測量。

    根據(jù)式(1)、(2)、(3)、(4)可計算出VIO、IIO、AVD、KCMR：

    
 
程控放大電路

    由于被測參數(shù)都是mV級電壓,應對輔助運放閉合環(huán)路的輸出信號分兩檔測量,在自動測量時,這兩檔的切換由MCU控制,因此需設計程控放大電路。本設計采用儀用放大器AD620,通過S5、S6改變其反饋電阻,以控制增益。由于儀用放大器為差模輸入,且輸人為5Hz的低頻信號,為抑制工頻干擾,在AD620的輸入級濾波,采用二階有源濾波電路,考慮其通帶平坦度,采用二階巴特沃茲低通濾波器,截止頻率設為20Hz。

單位增益帶寬測量電路

    在輸入端輸入恒定幅度交流正弦信號,改變信號頻率,對應于電路輸出端電壓下降3dB時的頻率即為單位增益帶寬。為提高測量效率,本設計將單位增益帶寬測量電路與其他參數(shù)測試電路隔離開,用繼電器進行切換控制。單位增益帶寬與輸入信號幅度緊密相關(guān),當輸入信號較大時,單位帶寬變窄,測量結(jié)果誤差較大。系統(tǒng)中采用寬帶運放對輸入信號進行衰減,然后通過測試運放,再用寬帶運放對測試運放的輸出信號進行放大,以提高測量精度。寬帶運放選甩AD811,其單位增益帶寬為140MHz。

DDS掃頻信號源

    AD9851是一款數(shù)字頻率合成芯片,其最高工作頻率為180MHz,AD9851的最大輸出頻率為系統(tǒng)時鐘的40％時雜散頻率小,它有40位控制字,其中5位為相位控制,1位為6倍參考時鐘倍乘器開關(guān)控制,32位為頻率控制。當外接20MHz時鐘源,6倍頻開啟后系統(tǒng)時鐘Fsysclk=120MHz,設頻率控制字為Fcw,則輸出頻率由式 得出,因此,最高可輸出頻率為48MHz的正弦波。圖3中,MCU主機根據(jù)紅外鍵盤設置的頻率步進,計算32位頻率控制字,改變AD9851輸出信號的頻率。這種方法的頻率切換反應靈敏。

由于AD9851輸出信號峰峰值為1V,而在測量BWG時使用有效值為2V的正弦信號較準確,須放大5.656倍,設計掃頻信號源的最高輸出頻率為4MHz,則要求反相放大器的增益帶寬積GBW≥5.656×4MHz=22.624MHz,系統(tǒng)中采用GBW為50MHz的高速運放AD817。

軟件算法與流程 單位增益帶寬測量的軟件算法

    系統(tǒng)設計掃頻范圍為100KHz～3.5MHz,頻率分辨率為1KHz,要求自動測量總時間≤10s。因此,從100KHz到3.5MHz最少應該掃描(3500-100)／1=3400次,每次最多使用的時間為：1 0／3400=0.0029s,而在這0.0029s內(nèi)要完成頻率設置、讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果等。高精度A／D轉(zhuǎn)換時間一般較長,加上設置掃描頻率的耗時,所以傳統(tǒng)的全頻段步進掃描會有較大的

系統(tǒng)誤差概述

    系統(tǒng)測試表明,VIO、IIO、AVD測量精度主要取決于集成運放輸入電阻、反饋電阻的精度,保證運放的兩個輸入端口外接等效電阻平衡可減小測量誤差。KCMR的測量誤差主要是由于外界的電磁干擾、電源紋波、工頻干擾、傳輸網(wǎng)絡不對稱,以及地電位不統(tǒng)一引起的串模干擾。通過單點接地、低通濾波、電源濾波,以及選取精度高的電阻可減小KCMR的測量誤差。

結(jié)語

    測量儀表系統(tǒng)程控化、智能化是現(xiàn)代電了測量技術(shù)的發(fā)展方向,本設計實踐了這種思想,利用微控制器實現(xiàn)傘程數(shù)控,運用可編程DDS芯片構(gòu)建高精度掃頻信號源。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠智能化地測量集成運放的5項參數(shù),切換靈敏、時延小,測量精度較以往的測量方法更為精確,具有較高的性價比。本文提供的設計方法對于常規(guī)測量儀表的設計也具有一定的參考價值。