在現代科研機構電路設計、大專院校的電子系統教學中,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是進行電子系統設計的基本前提。為了方便用戶準確掌握手中運放的各項參數,本文提供了一種采用可編程DDS芯片和MCU的測量系統,可自動測量集成運放的5項基本參數,以小液晶屏顯示測量結果,并可根據需要打印測量的結果,與現有的BJ3195等昂貴測試儀相比,該測量系統功能精簡、操作智能化、人機接口友好。

    系統總體設計

    系統框圖如圖1所示。系統以SPCE061單片機為控制核心,采用主從結構,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,根據當前用戶輸入,將參數測試部分以及自動量程切換部分設置到合適的狀態,然后對測量結果進行讀取,并通知從機對測量結果進行顯示或打印。系統的DDS掃頻信號源,可以通過紅外鍵盤設置輸出4MHz以內的任意頻率以及任意頻率段任意步進的正弦信號。為了提高測量精度,系統另配了一套標準運放參數測量電路,對系統進行初始校準。 

    測量功能電路結構

    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、開發周期短,且易于實現主從機架構。

    測量主電路

    測量運放參數的電路如圖2所示,該電路系統傳遞函數中引入了兩個放大環節,因此存在兩個或者兩個以上的極點,由奈奎斯特穩定性判據,對于閉環反饋系統,若有極點分布在頻域右半平面,在深度負反饋測試時會產生自激振蕩,導致無法正常測試。因此,本系統改進了該電路,在反饋回路中加入560pF電容與RF并聯,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,經測試,閉環回路工作穩定性大幅提高。 

    圖2中,S1、S2、S3、S4均為繼電器,由SPCE061控制其導通與關斷,從而實現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

    由于被測參數都是mV級電壓,應對輔助運放閉合環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,當輸入信號較大時,單位帶寬變窄,測量結果誤差較大。系統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控制,32位為頻率控制。當外接20MHz時鐘源,6倍頻開啟后系統時鐘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內要完成頻率設置、讀取A／D轉換結果等。高精度A／D轉換時間一般較長,加上設置掃描頻率的耗時,所以傳統的全頻段步進掃描會有較大的  
系統時延。針對單位增益帶寬的特點,本設計采用二分查找算法,不斷縮小掃頻范圍,在較小的頻段內步進掃描,只需掃捕幾十個頻點即可在1 KHz的分辨率下滿足測量時間≤l0s的要求。

    系統誤差概述

     系統測試表明,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、傳輸網絡不對稱,以及地電位不統一引起的串模干擾。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。

    結語

    測量儀表系統程控化、智能化是現代電了測量技術的發展方向,本設計實踐了這種思想,利用微控制器實現傘程數控,運用可編程DDS芯片構建高精度掃頻信號源。測試結果表明該系統能夠智能化地測量集成運放的5項參數,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測量儀表的設計也具有一定的參考價值。