集成运放参数测试仪设计报告 郭天祥.docx
- 文档编号:9114241
- 上传时间:2023-02-03
- 格式:DOCX
- 页数:17
- 大小:171.50KB
集成运放参数测试仪设计报告 郭天祥.docx
《集成运放参数测试仪设计报告 郭天祥.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《集成运放参数测试仪设计报告 郭天祥.docx(17页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
集成运放参数测试仪设计报告郭天祥
试题编号B
……………………………………………………………………………………
试题编号B集成运放测试仪设计报告
学校:
哈尔滨工程大学
姓名:
郭天祥
姓名:
杜勉柯
姓名:
于振南
集成运放参数测试仪设计报告
内容摘要:
本文介绍了运算放大器闭环参数的测试原理,分析了影响运算放大器闭环参数测试精度和稳定性的诸多原因和因素,及所采取的针对性措施,还探讨了闭环参数的测试精度、测试稳定性和测试适应性的评价问题。
此系统以凌阳16位单片机为核心,采用凌阳的片载AD与DA使系统简洁功能强大。
输出采用240128LCD显示,可以显示多种字符及图形,拥有友好的人机界面及强大的显示功能。
特别适用于智能控制的可编程人性化显示,并实现了菜单式中文图形界面,增强了系统的易用性。
系统采用MAX038作为信号源,可以输出一定范围内的任意频率可调,灵活易用。
外围单片机采用AT89C55单片机进行液晶屏的控制,键盘的驱动等。
Thistextintroduceoperationamplifierclosetestprinciple,ringofparameter,isitinfluenceoperationamplifiercloseringparametertestprecisionandagreatdealofreasonsandfactorsofthestabilitytoanalyse,andthepertinencemeasurestaken,havealsoprobedintotheprecisionoftestofclosingtheringparameter,appraisalquestionoftestingthestabilityandtestingadaptability.Systemthisinordertoisitascore,adoptADandDAmakethesystemsuccinctandpowerfulayearinYangsuchasLingtoinsultmalegenital16one-chipcomputer.Isitadopt240128LCDshow,canshowmanykindsofcharacterandfigure,havefriendlyman-machineinterfaceandstrongdisplayfunctiontooutput.Theprogrammablehumanizationverymuchapplytointellectualcontrolshows,haverealizedthemenutypeChinesefigureinterface,havestrengthenedtheaptusingofthesystem.ThesystemadoptsMAX038todothesignalsource,itisadjustable,flexibleandeasytouseinfrequencyconversionthatcanoutputthesignal.Theperipheralone-chipcomputeradoptsAT89C55one-chipcomputerandcarriesonthecontrolthattheliquidcrystalrejected,driveofthekeyboard,etc..
关键词:
凌阳单片机人机界面信号源
第1章绪论
1.1、设计任务
设计并制作一台能测试通用型集成运算放大器参数的测试仪,示意图如图1所示。
图1
1.2、设计要求
1.2.1、基本要求
(1)能测试VIO(输入失调电压)、IIO(输入失调电流)、AVD(交流差模开环电压增益)和KCMR(交流共模抑制比)四项基本参数,显示器最大显示数为3999;
(2)各项被测参数的测量范围及精度如下(被测运放的工作电压为±15V):
VIO:
测量范围为0~40mV(量程为4mV和40mV),误差绝对值小于3%读数+1个字;
IIO:
测量范围为0~4μA(量程为0.4μA和4μA),误差绝对值小于3%读数+1个字;
AVD:
测量范围为60dB~120dB,测试误差绝对值小于3dB;
KCMR:
测量范围为60dB~120dB,测试误差绝对值小于3dB;
(3)测试仪中的信号源(自制)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4V的正弦波信号,频率与电压值误差绝对值均小于1%;
(4)按照本题附录提供的符合GB3442-82的测试原理图(见图2~图4),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。
附录
(1)VIO、IIO电参数测试原理图
图2
①在K1、K2闭合时,测得辅助运放的输出电压记为VL0,则有:
②在K1、K2闭合时,测得辅助运放的输出电压记为VL0;在K1、K2断开时,测得辅助运放的输出电压记为VL1,则有:
(2)AVD电参数的测试原理与测试原理图
图3
设信号源输出电压为VS,测得辅助运放输出电压为VL0,则有
(3)KCMR电参数的测试原理与测试原理图
图4
设信号源输出电压为VS,测得辅助运放输出电压为VL0,则有
1.2.2、发挥部分
(1)增加电压模运放BWG(单位增益带宽)参数测量功能,要求测量频率范围为100kHz~3.5MHz,测量时间≤10秒,频率分辨力为1kHz;为此设计并制作一个扫频信号源,要求输出频率范围为40kHz~4MHz,频率误差绝对值小于1%;输出电压的有效值为2V±0.2V;
(2)增加自动测量(含自动量程转换)功能。
该功能启动后,能自动按VIO、IIO、AVD、KCMR和BWG的顺序测量、显示并打印以上5个参数测量结果;
(3)其他
第2章方案比较与论证
运算放大器测量仪是一个相当复杂的仪表。
涉及国标检测电路、精密电压测量、自动测量档位控制、DDS高频信号合成、扫频与测量、人机界面、多任务协调、数字滤波等许多方面。
在如此复杂的软硬件任务的条件下,常规硬件设计显得有些力不从心。
有以下几个设计方案:
2.1、采用OS2R2TX-TINV等可用于单片机的嵌入式操作系统利用任务切换形式完成多程序并行操作与响应。
这种方案的优点是编程相对简单、任务明确、易于扩展。
它的缺点是当利用于51单片机等低端8位单片机时,占用系统资源过大。
往往需要外扩SRAM和ROM等手段扩充硬件资源,增加系统硬件的复杂程度。
在任务为较简单的操作时往往得不偿失,实时性也很难保证。
若采用高端的单片机势必会增加成本,所以未选择此种方案。
2.2、协调和利用单片机内部多个时钟中断源。
时分制的并行处理多个任务与响应,这种方案的优点是在任务较简单时,占用系统资源极少,系统利用率高且无须外扩硬件,可靠性好,容易把握实时性。
它的缺点是当任务较大时会造成时钟中断过长,多中断互相嵌套冗杂等情况,造成程序混乱,尤其是在各任务所需处理中断时间不一的时候,最容易发生。
同时由于单个单片机数据处理能力有限,不可能处理过于复杂的任务,所以我们未采用此种方案。
2.3用多个单片机各司其职协调合作,分别完成不同的任务。
虽然一定程度上增加了硬件的复杂程度,但有利于模块化设计,并且与采用高端单片机相比更可行,低廉。
所以我们选用此种方案。
在多单片机合作协调时,最大的难点是数据和命令在各单片机间传输的总线的结构设计问题。
有以下几种方案:
2.3.1、采用单总线分支机构,以相同的数据命令传输协议,用呼号形式统一传输数据和命令。
其优点是:
可在任意分支单片机间双向数据连接,且硬件相对简单,可广播式发送数据与命令,且不用区分主从机。
其缺点是:
传输数据时只能有一个单片机发送信号,其他单片机只能接收,容易形成各单片机间抢占总线等问题。
需要相应的总线仲裁机构来完成总线资源分配,硬件将相对复杂。
我们的系统需要大数据流单向传输和小命令流双向传输,所以不能用此结构。
2.3.2、树状主从式总线机构,这种总线的最大优点是有利于数据从主机到从机之间的传输,易于寻址。
适合于多路信号采集的汇总和主机对从机的操作。
其缺点是:
数据传输路径固定,在中继单片机运行时占用不必要的系统资源,不利于各分机之间的数据交流。
2.3.3、多总线、控制线传输机构,由于本作品设计的独特性,结合单片机硬件特点,采用多种专用控制总线。
因此没有传输协议,以增大传输速率。
辅助CPU连接着液晶显示屏、打印机、键盘等模块。
由于数据传输较为简单,分别采用若干IO控制线对其控制。
以下将详细介绍各个组成部分:
2.4主控芯片:
方案1:
采用51系列单片机,51单片简单易用,但考虑到本系统的复杂性,需要用到多片51单片机,这将使系统显得臃肿,也增大了开发的难度。
方案2:
采用凌阳16位单片机。
SPCE061A是继μ’nSP™系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。
与SPCE500A不同的是,在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能,SPCE061A里只内嵌32K字的闪存(FLASH)。
较高的处理速度使μ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
因此,与SPCE500A相比,以μ’nSP™为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种经济的选择。
性能如下:
16位μ’nSP™微处理器;
工作电压:
VDD为2.6~3.6V(CPU),VDDH为VDD~5.5V(I/O);
CPU时钟:
0.32MHz~49.152MHz;
内置2KWords的SRAM;
内置32KWords的FLASH;
可编程音频处理;
系统处于备用状态下(时钟处于停止状态),耗电小于2μA@3.6V;
2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值);
2个10位DAC(数-模转换)输出通道;
32位通用可编程输入/输出端口;
14个中断源可来自定时器A/B,时基,2个外部时钟源输入,键唤醒;
具备触键唤醒的功能;
使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒),能容纳210秒的语音数据;
锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号;
32768Hz实时时钟;
7通道10位电压模-数转换器(ADC)和一个单通道的声音专用模-数转换器;
声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)电路;
具备串行设备接口;
具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能;
内置在线仿真电路ICE(In-CircuitEmulator)接口;
具有保密能力;
具有WatchDog功能(由具体型号决定)
使用这种CPU可以大大简化系统设计,并且它的计算能力也能满足本作品的需要。
2.5AD采样输入部分
前向通道的作用是对被测信号进行调理、量化。
并将量化结果存入存储器,以被显示之用。
它是整个设计的核心。
ADC采用自动方式工作,硬件ADC的最高速率限定为(Fosc/32/12)Hz,如果速率超过此值,当从P_ADC(读)(S7014H)单元读取数据时会发生错误。
ADC在各种系统时钟下的频率响应为:
FOSC(MHz)
20.48
24.576
32.768
40.96
49.152
ADC响应率(KHz)
640
768
1024
1280
1536
最大采样率(Samplerate_max)为Samplerate_max=ADC响应率/16=1536KHz/16=96KHz。
第3章系统设计
3.1信号条理电路的设计
A/D对输入的模拟信号的幅值有一定的要求范围。
为0~2V,而对于待测信号来说其幅值各不相同,有时大大超出了A/D所如许的最大输入范围,造成饱和失真,甚至烧毁硬件。
有时信号较小,使A/D转换结果产生很大相对误差,甚至不响应。
这些因素都使得无法对信号进行准确的测量。
信号条理电路的作用就是将不同幅度的输入信号都归整到适合A/D采集的输入信号范围,具体来说,就是对大的输入信号进行衰减,对小信号则要放大。
放大我们采用可编程增益放大器。
PGA103,对输入信号进行调理。
通过对可编程器件的控制,使其放大倍数可以为*1、*10两种不同值,来满足对大小不同信号的放大要求。
对于待测信号来说其幅值各不相同,我们在信号输入端加了前级衰减,从而将大信号进行相应的衰减,以满足不同幅度的输入信号都归整到适合A/D的输入信号范围。
具体方法实现同样是采用数字电位器做精密衰减控制。
我们采用256抽头的DCP(数字电位器),此数字电位器与系统采用SPI串行通讯方式,其控制总线少,体积结构小,对其控制较为灵活、方便,其最大的优点是数据的非易失性,当系统突然掉电时,数字电位器内部的存储单元会将当前值进行存储,待系统上电时,其存储数据即可恢复,实现数据的保存。
其控制方法简洁,方便,并且精度较高。
3.1.2采样方式的选择
再现代数字采集、存储系统中,通常有两种采样方式:
实时采样和等效采样。
方案一:
实时采样
实时采样是在信号存在期间对其采样。
根据奈奎斯特采样定理,采样频率必须高于被测信号中最高频率分量的2倍,对于周期正弦信号,一个周期应该有两个采样点,考虑到实际因素的影响,为了不失真的恢复原被信号,通常对被测信号的一个周期至少应该有5个采样点,原被测信号不失真的恢复也受到A/D的采样深度的限制。
实时采样方法简单,易于实现,当被测信号频率不是很高时,实时采样方法较为理想。
如图1—1所示
t
0
图1—1实时采样
方案二:
等效采样
由于采样器工作的速率的限制,实际上在被测信号的频率较高时很难实现实时采样。
并且采样速率愈高,要求A/D的转换速率愈高,其价格愈高。
所以在价格上很难接受。
但对于周期信号可以采用等效采样方法。
其中又分为顺序和随机等效采样方法。
所谓顺序采样是对每一个信号周期仅采样一点,经过若干个信号周期后,就可以将被测信号的各个部分采样一遍,这种采样方法可以使采样点借助于“步进延迟”方法均匀的分布于被测信号波行的不同位置。
所谓步进延时,是每一次采样比上一次采样点的位置延时Δt时间。
如图1—2。
图1—2等效采样
Δt
0
t
等效采样虽然对很高频率的信号进行采样,但“步进延迟”的方法很难在短时间内实现,本设计要求信号频率5Hz非常低。
所以,在本设计中我们采用实时采样方法。
3.2电平移位电路
由于被测信号是双极性的,即被转换的模拟信号为正或负极性,而A/D的输入信号通常为单极性信号。
为了对双极性信号的测量,以及适应A/D的要求,在进行A/D转换之前必须将双极性信号转换为单极性信号,所以我们设计了电平移位电路,在本设计中可将被测信号移位为单极性信号。
电平转换电路,如图
用电位器精确分压生成一个电压为参考电压二分之一的偏置信号,然后信号通过OP-07组成的射随器隔离,跟输入信号混合,完成电平移位。
3.3滤波电路的设计
被测信号的频谱分量较多,其中必然夹杂着许多高次谐波的干扰,这样对测量精度有严重的影响.所以,我们在被测信号的输入端加了一级低通滤波器,它可以是有用的频率信号通过,而抑制(或大为衰减)无用的频率信号,这样许多高频干扰信号被滤除,提高了测量的精度。
实现低通滤波器有下面几种方案。
方案一:
采用切比雪夫滤波器
切比雪夫滤波器的显著特点是,其逼近误差峰值在一定规定的范围的频段尚为最小,而且是等纹波的即误差值在极大和极小值之间摆动。
方案二:
二阶BUTTERWORTH(巴特沃兹)低通滤波器
二阶巴特沃兹滤波器,如MAXIM公司的MAX291,其优点是通带内特性曲线平坦,但是其从导通到截至频率的坡度较为缓慢,且价格较高。
方案三:
RC积分滤波器
RC积分滤波器使用方便,体积小,却完全满足本设计要求。
其频率特性为:
F(jΩ)=1/(1+jΩτ),其中τ=RC为时间常数。
如图
输入
C
我们选择的这种滤波器时间常数取5τ。
3.4键盘模块:
方案一采用矩阵式键盘,此类键盘采用矩阵式行列扫描方式,优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目,缺点为电路复杂且会加大编程难度。
方案二采用独立式按键电路,每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响,此类键盘采用端口直接扫描方式。
缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多,优点为电路设计简单,且编程极其容易。
综合考虑两种方案及题目要求,方案一需要8个I/O口,方案二需要11个I/O口,考虑到系统资源,故采用方案一。
3.5液晶模块:
方案1:
使用数码管显示,该方案控制最简单,但是只能显示非常有限的符号和数字,对于设计中复杂的显示功能显然不能胜任。
方案2:
使用点阵液晶显示,点阵液晶可以显示多种字符及图形,拥有友好的人机界面及强大的显示功能。
特别适用于智能控制的可编程人性化显示。
权衡之后,决定选用方案2,并实现了中文图形界面。
3.6打印模块:
方案1:
采用台式打印机,台式打印机打印效果最好,能够打印出各种复杂的图形,但其价格也是最高的。
方案2:
采用面板式微型打印机,这种打印机体积小,能够打印中英人,也能打印图像,能够满足要求。
综上两种方案,我们选用面板式微型打印机,用单片机控制其打印数据与文字。
输出设备构架如图1:
图1
3.6.1液晶驱动部分:
本系统采用240128点阵图形液晶模块,它采用T6963C作控制器。
T6963C的特点:
T6963C是点阵式液晶图形显示控制器,它能直接与80系列的8位微处理器接口;
T6963C的字符字体由硬件设置,其字体有4种:
5*8、6*8、7*8、8*8;
T6963C的占空比可从1/16到1/128;
T6963C可以图形方式、文本方式用图形和文本合成方式进行显示,以及文本方式下的特征显示,还可以实现图形拷贝操作等等;
T6963具有内部字符发生器CGROM,共有128个字符,T6963C可管理64K显示缓冲区及字符发生器CGRAM。
并允许MPU随时访问显示缓冲区,甚至可以进行位操作。
3.7关于软件的一些算法
软件滤波算法:
3.7.1、递推平均滤波法(又称滑动平均滤波法)
优点:
对周期性干扰有良好的抑制作用,平滑度高
适用于高频振荡的系统
缺点:
灵敏度低
对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差
不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差
不适用于脉冲干扰比较严重的场合
比较浪费RAM
3.7.2、中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)
优点:
融合了两种滤波法的优点
对于偶然出现的脉冲性干扰,可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差
缺点:
测量速度较慢,和算术平均滤波法一样
比较浪费RAM
3.7.3、加权递推平均滤波法
优点:
适用于有较大纯滞后时间常数的对象
和采样周期较短的系统
C、缺点:
对于纯滞后时间常数较小,采样周期较长,变化缓慢的信号
不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度,滤波效果差
3.7.4、消抖滤波法
优点:
对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果,
可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动
缺点:
对于快速变化的参数不宜
如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值,则会将干扰值当作有效值导
入系统.
3.8.关于信号源部分
信号源由MAXIM公司生产的MAX038芯片产生,其性能特点主要有以下几点:
(1)能产生精确的高频正弦波、矩形波(含方波)、三角波和锯齿波,输出波形既可以人工设定,亦可以由微机或其它数字手段控制;
(2)频率范围很宽,从0.1Hz直到20MHz,最高可达40MHz,频率设定分为粗调和细调两种。
改变振荡电容充、放电电流,可大幅度调节频率,改变FADJ端的电位,能对频率进行精细调节;
(3)对于输出波形,电压幅度均为2V(P—P),对于地电位而言则是一1V-+lV,输出阻抗小于0.1n,低阻抗输出能力可以达到~20mA;
(4)占空比调节范围宽,最大调节范围为10%~90%(一般应用在15%~85%的范围内),且占空比与频率均可单独调节,互不影响;
(5)输出波形失真小,正弦波总谐波失真度仅为0.75%,占空比调节的非线性度只有2%;
(6)内部基准电压源的电压值为2.50~0.02V,电压温度系数低至20x10—6/oC,利用该基准电压源不仅可以提供充、放电的电流,以确定频率值,还能设定FADJ端的电压,实现频率微调,此外还可设定DADJ端的电压,调节占空比;
(7)内含一个相位比较器,用于锁相环;
(8)具有扫描工作方式,扫描电压外部设置;
(9)采用5V双电源供电,电压范围±4.75一±5.25V,允许变化±5%,电流约80mA,典型功耗为400mW。
MAX038的主要应用有精密函数波形发生器、压控振荡器、频率调制器、脉宽调制器、锁相环、频
率合成器、正弦波或矩形波调频发生器等。
以下是它的内部功能结构框图.
由上我们可知道MAX038芯片是一款功能非常强大的信号产生类芯片,根据本题目实现功能的要求我们只需要控制其输出频率的变化在40K到4M之间即可,只要选择好合适的振荡电容,再用足够精度的电流控制其振荡频率控制器,就能做到频率以预期的变化率变化.
根据题目基本部分和发挥部分有不同的要求,即第一次输出为固定不变的5Hz频率,第二次输出为从40K到4M按一定的速率变化的频率,由此条件可以计算出接入MAX038振荡电路的电容值,再用一继电器根据测试项目进行切换,这里需要说明的一点是,在本电路中我们选择对输出频率放大副度进行放大的芯片为两种,一种是在高频状态下进行副度放大,我们选用MAXIM公司的高速视频运放MAX4104,其最高速度可工作在750M的频率下,而其至命的弱点是在当它工作在低频状态下时芯片立刻会被烧坏,也正是因为如此我们才选择用LF356进行低频条件下的频率副度放大,综合以上各种条件绘制出如下图所示的信号源产生电路结构图如下
对上图电路各个部分现做简要的说明.
一,频率段选择电路:
频率段的选择主要是针对整个测量过程中存在的两种状态进行选择,即固定不变的5Hz测量频率与从40K到4M连续变化的扫描频率,对这两段的选择是通过核心处理芯片来控制的,对不同的测量选择相应的值即可,而其中的值主要即为振荡电容的大小与输入给频率调节端口电流的大小来决定,对电流调节其中心频率变化的过程将会在下面的小节中讲述.
二,压控流电路:
其实所谓的压控流源就是将电压信号转换成电流信号,我们之所以这样做,主要是因为MAX038芯片的频率粗调控制端是通过接收电流强弱信号来决定输出频率大小的,而一般情况下我们很少对直流的大小进行控制,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 集成运放参数测试仪设计报告 郭天祥 集成 参数 测试仪 设计 报告
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)