《集成运放参数测试仪(b题) - 扬州大学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集成运放参数测试仪(b题) - 扬州大学（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、集成运放参数测试仪集成运放参数测试仪(B(B 题题) ) - - 扬州大学扬州大学本人精心整理的文档,文档来自网络本人仅收藏整理如有错误还请自己查证！集成运放参数测试仪 （B 题）设计报告参赛学校：扬州大学学院：信息工程学院作者：刘中奇 张传法 邱玉强集成运放参数测试仪（B 题）摘 要：本设计采用 AT89C55WD 单片机和可编程逻辑器件（FPGA）作为其测试和控制核心能够测试通用运放的基本参数并实现自动量程转换等功能运放测试电路参照了任务书中所给电路用单片机控制继电器进行切换可编程逻辑器件 FPGA 控制 A/D 采样单片机实现顶层的控制使整个系统能够协调工作以完成题目要求另外本设计也对发
2、挥部分进行了一定的设计完成了增益带宽测试和自动循环测试功能设计中采用了模块化设计方法提高了设计和调试效率关键词：集成运放可编程器件（FPGA）单片机（AT89C55WD）继电器1. 系统方案选择和论证1.1 系统基本方案根据题目要求系统可以划分为控制模块、测试模块和信号源模块模块框图如图 1.1.1 所示为实现各模块的功能分别做了几种不同的设计方案并进行了论证图 1.1.1 测试仪的基本模块方框图1.1.1 各模块方案选择和论证(1) 控制器模块根据题目要求控制器主要用于控制测试电路的切换、控制 A/D 转换模块、信号源的控制和对显示模块的控制对于控制器的选择有以下三种方案方案一：采用 FPG
3、A(现场可编程门阵列)作为系统的控制核心FPGA 可以实现复杂的逻辑功能规模大密度高它将所有器件集成在一块芯片上减小了体积提高了稳定性并且可应用 EDA 软件仿真、调试易于进行功能扩展FPGA 采用并行的输入输出方式提高了系统的处理速度适合作为大规模实时系统的控制核心由测试模块输出的信号并行输入 FPGAFPGA 通过程序设计控制 A/D 转换并进行输出但由于本设计对数据处理的速度要求不高FPGA 的高速处理的优势不能得到充分的体现并且由于其集成度高硬件量大、设计复杂且难度大可能会影响完成任务的进度方案二：采用单片机（AT89C51）作为系统的控制核心单片机算术运算功能强软件编程灵活可用软件编
4、程实现各种算法的和逻辑控制但由于设计中要求复杂的逻辑控制单片机的硬件设计简单这就会大大加强软件编程的工作量可能会导致程序的混乱且单片机的硬件简单其口线不足就可能导致设计不能成功方案三：采用单片机(AT89C55)和复杂可编程逻辑器件(FPGA)共同作为系统的控制核心单片机实现顶层控制和数据处理FPGA 实现底层控制在单片机的管理下由复杂可编程逻辑器件 FPGA 完成具体的操作例如对信号的采样和存储信号源的控制；而单片机实现对 FPGA 及整个测试仪的管理例如选择所要测试的运放参数；数据处理；键盘选择显示参数等等这样可以结合两者的优点使两者有机的结合起来减少每个部分的工作量基于以上分析因此本设计
5、采用方案三初步拟定控制器的组成如图 1.1.2 虚线框内所示图 1.1.2 控制器框图(2)参数测试模块本模块主要用于运放参数的测量输出的是模拟量所要测试参数的电路具有一定的共同点所以可考虑用开关进行切换以达到不同的功能因此在设计过程中主要考虑的是能否有效的切换到各参数测量电路中对于开关的选择有以下三种方案方案一：用拨号开关来实现电路的切换拨号开关是完全的用人工进行控制由于本模块中采用了较多的切换器件在电路中容易产生混乱而且如果要做到完全统一调度也是非常困难的由于是手动控制效率是非常低的方案二：用模拟开关来实现电路的切换模拟开关可以由单片机来控制其通和断但是模拟开关在进行切换的时候会有一些分布
6、参数例如模拟开关的内阻和分布电容等参数又因为信号的幅度很小如果这些参数比较大就会严重影响到信号方案三：用继电器来实现电路的切换继电器可以用集成芯片 SN75451 来驱动继电器以实现电路的通断12V 直流驱动的继电器的触发电阻50 能够满足小幅度信号的要求基于继电器的以上优点本模块中采用方案三作为开关以实现电路的不同功能(3) 信号调理模块模拟信号输出是一低频信号且存在有一定的干扰特别是 50Hz 交流电及其高次谐波的影响较大所以要采用具有最大平坦响应的巴特沃斯二阶 RC 有源低通滤波器来进行信号的条理当测时扫频信号的频率范围是 40kHz4MHz这就会有低频信号的干扰所以要滤除其低频干扰所以
7、采用了巴特沃斯二阶 RC 有源高通滤波器在测试不同的参数时要选择不同的滤波器可采用继电器进行切换以实现不同参数的测试(4) 信号源模块 测试信号源产生模块在进行、测试的时候需要接输出频率为 5Hz、输出电压有效值为 4V 的正弦波信号这就要求设计此模块有以下三种方案方案一：用晶体振荡电路产生符合要求的正弦波信号晶体可以产生非常稳定的正弦波信号但是要求的是输出频率为 5Hz、输出电压有效值为 4V对于低频而言晶体是很难做到这么精确的指标方案二： 用 555 定时器产生符合要求的正弦波信号因为测试信号源的精度要求很高而 555 定时器的电阻和电容的取值将影响到输出脉冲的宽度随着的宽度的增加它的精度
8、和稳定度也将下降由于是要求输出频率为 5Hz的宽度将会很大这就会严重影响到精度和稳定度方案三：用 FPGA 和 D/A 转换器产生符合要求的正弦波信号频率精度很高而且稳定度也很高由于要求的频率很低所以一般的 D/A 转换器就可胜任符合任务中的要求所以基于以上分析拟定方案三框图如图 1.1.3 所示图 1.1.3 测试信号源产生框图 扫频信号源模块由于任务要求制作一信号源且输出频率范围为 40kHz4MHz,误差小于 1%电压有效值为 2V0.2V 有以下两种方案可供选择：方案一：用专门的 DDS 芯片做符合要求的扫频源由于芯片的成本很高而且市场供应不足所以不采用此方案方案二：用 FPGA 做符
9、合要求的信号源FPGA 的逻辑功能强大集成度高减小了体积提高了稳定度使用 VHDL 语言设计灵活且自由度大可应用 MaxPlus II 软件仿真、调试、易于功能扩展基于以上优点本模块采用方案二 显示模块显示器是人机接口输出的一部分良好的人机接口将会使输出内容能够更加的丰富我们考虑以下两种方案方案一：采用 LED(发光二极管)作为显示部分LED 有 8 段和米字型两种用于显示各种数字但是LED 显示的形式比较单一功能简单而且比较耗电人机交换比较困难方案二：采用 LCD（液晶显示器）作为显示部分LCD 具有以下优点： 轻薄短 小、 低好电量、 无辐射危险、 平面直角显示、 影像稳定不闪烁、 可视面
10、积大、 画面效果好、 分辨率高LCD 有显示图形、字符和数字等功能且 LCD 的人机界面友好在本设计中要能显示数码、字符以及汉字只有点阵式显示器才能够胜任所以基于以上方案本模块采用 LCD 作为显示器1.1.2 系统各模块的最终方案经过仔细的分析和论证决定了系统个模块的最终方案如下： 控制模块：采用单片机(AT89C55)和复杂可编程逻辑器件(FPGA)共同控制； 集成运放参数测试模块：采用继电器切换的测试电路； 信号调理模块：采用二阶 RC 有源滤波器； 测试信号源产生模块：采用 FPGA 和 D/A 转换器产生正弦波信号； 扫频信号源模块：采用 FPGA 产生方波扫频信号； A/D 转换模
11、块：采用 AD1674 作为转换器；显示模块：采用 LCD(液晶显示器)系统的基本框图如图 1.1.4 所示单片机主要用于顶层控制和运算处理电路而FPGA 实现底层控制实现某部分具体电路的功能两部分可以进行有机的结合以实现其任务书所给要求其工作过程如下：系统通电后用单片机控制测试电路进行模式选择实现各种参数的测试模拟量经信号调理后单片机发出信号以实现 FPGA 对 A/D 的采样FPGA 将采样后的数据存入 RAM发出信号给单片机使单片机从 RAM 中读出采样好的数据再进行运算处理最后控制 LCD 进行输出图 1.1.4 系统基本框图2.系统的硬件设计与实现2.1 系统硬件的基本组成部分本题是
12、一个含有各种技术的综合设计在设计中运用到了模拟电子技术、数字电子技术和可编程技术系统可分为测试部分和智能控制部分测试部分：系统完成各种参数的测试就要运用到各种测试电路测试部分包括 3 个单元电路：各种参数测试电路、信号调理电路、A/D 采样电路、 控制部分：单片机控制测量参数的选择并进行对 FPGA 的顶层控制；而 FPGA 实现对 A/D 采样的底层控制以完成模数转换再由单片机控制显示控制部分包括 2 个主要单元电路：单片机控制电路、FPGA 控制电路信号源部分：FPGA 产生控制信号并通过 D/A 产生所需的信号源信号源部分包括两个主要单元电路： 低频正弦波信号源、扫频信号源2.2 主要单
13、元电路的设计 2.2.1 测试部分的单元电路设计 参数测试电路的设计题目要求能测试、 、 、 、五个参数由于题目附录中给出了每个参数标准电路并给出了参考阻值经过综合考虑本单元电路利用给出参考阻值并用继电器进行切换为保证测量精度要求 R、 、的阻值准确测量、的阻值尽可能一致；与 R 的乘积远大于；与/的乘积应远小于我们取=100、=20k、=30k、=10k、R=1M由于要求量程切换在此可以取两个值进行切换另一个=200k 电路如图 2.2.1 所示：图 2.2.1 测试电路电路图由于辅助运放的性能好坏对测试结果的精度有直接的影响因此在选择辅助运放时我们查找和比较了多种运放的性能参数通过比较我们
14、最后选择 OP37A 作为该电路的辅助运放OP37A 的输入失调电压为 10uV ,输入失调电流为 7nA,交流差模开环增益为 126dB交流共模抑制比为 120 dB单位增益带宽为 40MHz其性能参数和通用运放相比要小 12 个数量级因此我们采用 OP37A 作为辅助运放测试电路的切换通过继电器的通断来控制当单片机发出模式切换的信号后由 GAL 门对模式控制信号进行译码再推动 75451 完成对继电器的控制在本电路中 GAL 门选择 ATMEL 公司的 ATF16V8B例如：当单片机发出控制信号 0001经 GAL 门译码后通过 75451 推动 K1、K2、K3、K5 闭合从而使测试电路
15、切换到失调电压的测试状态根据测量参数和量程切换的要求本测试电路需要 GAL 门切换 9 种模式译码结果如表 2.2.1 所示表 2.2.1 GAL 门控制电路译码表控制信号译码结果0x000xFF0x010xCB0x020x8c0x030xAB0x040xCC(续表 2.2.1)0x050xDC0x060xCE0x070x5C0x080x6E 信号调理电路 低通滤波电路从测试电路出来的信号会有一定的干扰这样就会严重影响到后级的测试精度所以要加上抗混滤波电路在测试时要让高频信号通过而在测试其他参数时要让低频信号通过所以采用了继电器切换在测试时是直通的在测试其他参数时加上低通滤波电路采用的是二阶有
16、源低通 RC 滤波器设计电路如图 2.2.2 所示图 2.2.2 低通滤波器因为所以取低通滤波起的截止频率利用滤波器的快速设计方法从表中查出一电容（uF）使其满足在此取增益为 1 对应的电容 C=4.7u对应的电阻又由于 K=2可以得到电阻, 电容 u在实际中我们采用的参数是、 、C=4.7u、u 可以进行很好的低通滤波 高通滤波器在测试时要使扫描信号通过扫描信号的频率为 40kHz4MHz,这就要进行高通滤波电路由前面方案论证可知选用二阶高通 RC 有源滤波器其电路图如图 2.2.3 所示并且可根据其快速设计方法得出参数值图 2.2.3 高通滤波器因为扫描信号的输出最低频率为 40kHz所以设计截止频率因为所以 C=1000P, ,对应的 K=5查表可得：（实际取 10k）就可得到高通滤波 A/D 采样电路本电路通过 A/D 采样的方式实现对运放测试参数的采集和处理由于题目精度要求较高经过计算只有当 A/D 芯片最小分辨率小于
