运放测试仪

运放测试仪

集成运放测试仪 (1)

设计任务及要求 (2)

一、方案比较与论证 (1)

1.1 系统整体方案比较论证 (1)

1.2显示模块方案比较 (1)

1.3自制信号源模块 (1)

二、理论分析与参数计算 (2)

2.1 系统硬件结构框图 (2)

2.2 V IO、I IO测量电路原理及设计 (3)

2.3 A vd的测量 (4)

2.4 K CMR的测量 (5)

2.5总体设计图 (6)

2.6. 信号发生器 (6)

2.7 实际测量电路遇到的问题和解决方法 (6)

2.8 DDS信号发生器 (7)

三、软件设计 (8)

3.1 液晶显示模块 (8)

3.2 红外遥控控制模块 (8)

3.3 AD采集及运算处理 (9)

3.4 DDS模块软件设计 (10)

3.5串口模块的软件设计 (10)

3.6 系统程序总体流程图 (11)

四、系统的组装与测试 (12)

基本性能指标测试 (12)

五、结果分析 (13)

六、结论与总结 (13)

摘要集成运放的带宽与失调是衡量一个运放优劣的重要性能指标。本设计在

单片机控制下，适当地改变运放测试电路连接，通过ADC采集得到一系列运放的参数的物理量。通过计算，可以得到运放的V IO、I IO、A VD和K CMR等参数并且记录现场放的V IO、I IO、A VD、K CMR等参数,且具有自动测量的功能。系统所带的DDS信号源AD9851，可以输出高稳定度的正弦信号。系统采用控制模块＋采集系统的框架，可以非常方便的通过RS-232将测试结果上传至计算机已备分

析计算。

关键词运放参数V

I IO A VD K CMR DDS

IO

设计任务及要求

一、任务

设计并制作一台能测试通用集成运算放大器的测试仪，示意图如图1。Array

二、要求

1.基本要求

（1）能测试V IO、I IO、A VD和K CMR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);

V IO: 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；

I IO: 测量范围为0~4uA(量程为0.4uA和4uA),误差绝对值小于3%读数

+1个字；

A VD:测量范围为60dB~120dB,测试误差绝对值小于3dB;

K CMR: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A VD、K CMR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V IO、I IO、A VD和K CMR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。

2.发挥部分

（1）增加电压模运放BW G(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，频率分辨率为1KHz;

为此制作一个扫频信号源，要求输出范围为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、V IO、I IO、A VD、K CMR和BW G的顺序测量、显示并打印以上五个参数测量结果；

一、方案比较与论证

1.1 系统整体方案比较论证

方案1：利用标准测试电路，再配合FPGA或DSP＋ADC采集控制系统进行参数测试。由于本系统要求精度不是很高，采集速度不是很快，因此从硬件成本上考虑较为浪费。FPGA、DSP的编程较单片机更为繁琐，因此调试不是十分方便。

方案2：参考资料，自行设计电路，配合单片机采集控制系统进行参数测试。

这种方案成功系数较低，因为这设计到阻抗匹配等问题。难度大，调试周期长,适合这样的大赛。

方案3：利用GB3442-82给出的电路，配合单片机采集控制系统进行参数测试。这种测试框架结构简单，调试方便，成本低。本所以采用这种模式。

综上所述，系统各部分组成原理如图1.1所示。

1.2显示模块方案比较

分析题目可知，显示模块可以选用数码管、LCD来实现。为了获得较好的人机界面，本作品选择了带背光的LCD产品12864。由于LCD驱动较数码管驱动更占用CPU时间，系统加上了一块专门负责键盘和显示的MCU完成人机界面的功能。

1.3自制信号源模块

据题目要求，需要自制用于A

VD 和K

CMR

测试的信号源。现拟提出以下几个方案：

方案1:采用MC145145芯片的锁相频率合成所需的正弦波。由于锁相环的锁定速度较慢，产生频率一般很高，因此很可能达不到发挥部分“测量频率范围为100KHz~3.5MHz,测量时间≤10秒，频率分辨率为1KHz”的要求。

方案2:采用AD公司的DDS芯片AD9851。该芯片内置X6倍频器，fosc=30MHZ*6=180MHz,频率稳定度高，频率改变时间短（18个系统时钟周期）。完全可以胜任题目的要求。

方案3：采用FPGA或DSP合成正弦信号。这种方式成本很高，调试不便，不适合在此场合应用。

方案4：带有DAC的单片机产生信号。这种方式受到片上DAC和单片机工作频率的限制，很难达到生成3.5MHz正弦信号的指标。

综上所述，方案2为最优方案。

二、理论分析与参数计算

2.1 系统硬件结构框图

集成运放参数测试仪由自制信号源、控制采集模块、运放参数测试平台、键盘显示模块组成。系统结构框图如图2.1.1所示。

2.1.1自制信号源模块

自制信号源模块由AD公司正弦信号DDS合成器AD9851制成，可以生成高纯度（在1.1MHz下无杂散动态范围SFDR为64dBc，20MHz下为53dBc）、高稳定度的正弦信号。

2.1.2控制采集模块

控制采集模块由继电器配合单片机实现。本实验采用12V继电器，单片机

=0.7V,接1K的过载输出电压为3.3V，继电器外围电路采用NPN三极管V

be

电阻，则导通电流为β*（12-0.7）/1000，约为数百毫安电流，可以驱动继电器。继电器再与发射极之间加150Ω电阻就可保护继电器。

2.1.3运放参数测试模块

运放参数测试模块包括基本测试电路和测试功能切换和输出信号调理电路。因模拟和数字的不兼容性，为了减小它们之间的干扰，一般采用光耦或继电器切换。对于本系统而言，由于光耦是晶体管，在电路中并不是一个稳定的电阻，受温度影响特别大，而继电器导通电阻非常小，所以我们采用继电器进行控制。这些电路把测量的数据转换为ADC可以采样的信号。采集模块ADC提供被测运放的各个测试项目的数据。

2.1.4显示模块

显示模块由Msp430外挂128X64 LCD及遥控器组成。由于显示部分较于消耗单片机CPU资源，LCD自带字模因而可以节省部分单片机的ROM空间，具体操作在下文中将做详细介绍。

图2.1测试原理图

2.2 V IO、I IO测量电路原理及设计

当运放的输入为0时，输出往往不为0，这个电压是由输入级晶体管或FET 特性不理想、晶体管hFE的差异导致的。运放的这种特性通常用输入失调电压(V IO)来衡量。国标定义为“常温（27摄氏度）下，当运放输入端口短路时，放大器的输出失调电压折合到输入端的等效差模输入电压值称为输入失调电压”。这个参数主要反映了输入级差分对管的失配程度，一般V os约为（1～10）mV，高质量运放V os在1mV以下。

输入失调电流的定义为“常温下当运放输入端口开路时，为了得到零输出，必须加到运放两个输入端的直流补偿电流，称为输入失调电流Ios”。这个参数也是用于表征差放输入级两管不对称所造成的影响，记为Ios＝|I B1-I B2|（I B1与I B2是V o=0时的两管基极电流）。通常，Ios为（0.5～5）nA，高质量的运放如ICL7650的I IO低达0.5pA。

以下简述I IO、V IO的测试原理。

图2.2.1的左边为实际V IO测量电路。假设运放存在失调，2脚电压为V IO，

则运放后电压表示数可以得出，011

L f

io U R R R U +=

图 2.2.2的右边为I IO 测量电路。经分析计算得到R

V V R R R I L0

L1f

11IO -?

+=

。

图2.2.2I IO 测试电路

可见，若将电阻R 2、R 3的精度提高就可以提高测量精度,所以我们精确的选取它们。同时该电路用于运放温度特性的测量。将被测运放放于恒温槽中，恒温后用ADC 采样其电压值，就可以得到运放的温度特性参数。

2.3 A vd 的测量

差模开环增益的定义是运放在没有外部反馈作用时的差模电压增益，它是决定运放电路运算精度的重要因素，定义为运放开环时的输出电压与差模输入电压之比，即：A VD ＝V OD /V ID 。也可用分贝表示为：20×lg （A VD ）＝20×lg （V DO /V ID ）。对于一般运放，A VD 在（80～120）dB 之间，高精度的运放A VD 可达（120～140）dB 。

A vd 的测量与计算： 根据设计要求（60～120d

B ），其取植范围为60bd~120db ，即103~106的测量范围。我们采用分量程的测试方式，在Vio 的测试电路基础上把量程切换到高放大范围，即Rf=100k ，衰减器为0.63。因

20lg()()20lg 20lg()()

S i f S i f

VD LD i LD i V R R V R R A dB dB V R V R ++==+ 所以得

20lg

60()|(100)S

VD LD V A dB Rf k V =+=。在我们软件运算是只要算前项，最

后字加上60bd 即为最终结果。

A VD 的测量采用图2.3的电路，已知信号源电压为4V ，按照电路测得辅助运放输出电压为V LO ，则有

20lg()()S i f

VD LD i

V R R A dB V R +=

图2.3A VD测试电路

2.4 K CMR的测量

共模抑制比K CMR(CMRR，Common Mode Rejection Ratio)，它是衡量输入级各参数对称程度的标志。运算放大器在同相端输入信号时，共模抑制比对运算精度有较大影响，通常K CMR约为（70～100）分贝，高质量的可达160分贝。本系统要求KCMR为（60～120dB）。因为其测试范围广，60dB的调节范围，这样很难在同一个量程内精确测量。所以我们用切换量程的方法，其实此电路是在前面量程切换的基础上改照而成。只要用简单的继电器切换即可实现。

K CMR的测量见图2.4的电路，它的已知信号源电压有效值为4V，我们采用采用AD公司的DDS AD9851芯片，详见有关部分。

图2.4K CMR测试电路

2.5总体设计图

图2.5总体电路图

时，开关S1、S2、合上，S3、S4 接地；

测量失调电压V

io

时，S1、S2 断开，S3、S4接地；

测失调电流I

io

测交流差模开环电压增益A

时，S1、S2闭合，S4接信号端，S3接地；

VD

时，S1、S2闭合，S3接信号端，S4接地。

测共模抑制比K

CMR

2.6. 信号发生器

信号发生器仍采用采用AD公司的DDS AD9851芯片，但是由于工作在比较高的频率下100KHz~4MHz，而幅度由不能满足我们的要求，在此频率下，一般放大器很难工作，为此我们选用AD公司的AD603高速程控增益放大器，既可以放大，又可以在程控调节幅度，减小由于频率变化而导致的幅度变化。基本电路如图？所示。它可以有40db的可调范围。它三种不同的工作模式，我们选取9MH

通频

Z

带，增益从10～50db。

2.7 实际测量电路遇到的问题和解决方法

按照GB-3442-82的标准，焊接电路后接入示波器观察，发现输出有严重的自激现象。运放工作在自激状态得到的测量结果是不正确的。因此消除自激非常重要。

运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成深度负反馈条件下，很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定的工作，就需外加一定的频率补偿网络，以消除自激振荡。通常使用如图2.7的相位补偿电路，可以消除自激现象。

图2.7相位补偿电路

图中运放的电源两端加入了用电容做的退耦电路。如果电源纹波较大，为了防止通过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在运放的正、负供电电源的输入端对地分别加入一个电解电容（10uF）和一个高频滤波电容（0.01uF~0.1uF）。另外，焊接运放电路时需要特别小心，如走线尽量直、信号流向尽量不要构成环路等。另外，在输出和反向输入端与输出端加入一个电容与电阻并联的RC相位补偿网络，以消除自激

2.8 DDS信号发生器

据题目要求，需要自制用于A

VD 和K

CMR

测试的信号源。我们选择的信号源为

AD9851。由于采用串行输出方式，电路结构非常简单,如图2.8所示。DDS的输出为差分输出，本系统只利用了其差分对中的一个。

测试A

VD 、K

CMR

需要用到有效值为4V的正弦输出。为得到规定的输出，需在9851

输出后加上一个运算放大器放大。可以采用比例放大电路来完成。由于A

VD 、K

CMR

测量频率仅为5Hz，故可以使用OP07对信号放大。放大后幅值应该为4/0.707=5.656V。

在实际使用中，可以通过改变放大器的反馈电阻和用继电器切换，实现2V 有效值和4V有效值的切换。

图2.8 DDS最小系统

三、软件设计

3.1 液晶显示模块

显示选用的是240X128的LCD，该显示模块内置64K的CGRAM，带有负压生成电路，连接十分简便，可以挂在单片机总线上。由于LCD没有自带汉字库，显示汉字时和画图时较为占用CPU资源，需要较长时间的等待。因此，将LCD单独用一块MCU驱动的方式是合理的。该LCD驱动起来比较简单，只需要对模块中的CGRAM进行寻址、读写即可。

在软件编程时，需要将一些常用的显示、绘图等功能制作成函数库，以便随时调用。为了显示友好的界面，画线、画矩形、显示英文、显示汉字、显示数字等。在附录中给出了这些库的详细程序。

3.2 红外遥控控制模块

本设计采用了20键38K小型红外遥控器，小巧耐用，远程控制距离大于8米，按键可以重复使用20万次以上。用作单片机系统的输入．则解决了常规矩阵键盘线路板过大、布线复杂、占用I／O口过多的弊病。而且通过使用遥控器，操作时可实现人与设备的分离，从而更加方便使用。

图3.2红外遥控逻辑编码

遥控器无键按下，红外发射二极管不发出信号，遥控接收头输出信号1。有键按下时，0和1编码的高电平经遥控头倒相后会输出信号0。由于与单片机的中断脚相连，将会引起单片机中断(单片机预先设定为下降沿产生中断)。通过相应的解码程序将信号转化为相应的键值，供单片机使用。

3.3 AD采集及运算处理

虽然系统ADC精度为12位，但在实际使用过程中，由于电源容易被电磁环境污染、信号容易被干扰，实际使用ADC时往往达不到12位的性能。为得到较为理想的效果，可以在软件上对ADC进行平均值滤波，消除串入的干扰。

平均值滤波需要一个大容量的累加器以保存一段时间内的采样结果，在程序中p_adval为16位寄存器，每当中断发生，以下服务子程序便会执行。

void adc () interrupt 6

{

p_adval+=(0x0f & ADCDATAH)*256+ADCDATAL;

}

由于ADuC841的转换结果高位字节带了一个转换通道的数据，需要将其与0x0f相与而得到正确数据，每次测量由下面程序开始。这个程序将首先16位寄存器清空，然后启动ADC进行采集，最后将结果除16返回。

uint getavadval(uchar channel)

{uchar j;

p_adval=0;

for (j=16;j>0;j--)

{

ADCCON1=0x8c; //内部基准，以最慢速度采样.

ADCCON2=channel; //通道设置

SCONV=1; //开始单次转换

while(ADCCON3>0x7f); //判断是否转换结束，如果没有完成则等待

}

return p_adval/16;

在采集正弦波的峰峰值时，本系统采用的是软件采集的方法，在已知将要采集信号的频率基础上，以大于10倍该频率的速度进行AD采集，将采集的值进行“冒泡法”处理，得到其中的最大及最小值，然后依次进行500次，以减小偶然因素所造成的误差。

ADC采样的结果与测试需要的结果是不完全相同的，一般有函数关系。解决这个问题可以从两方面下手，即要么调整硬件使这个系数接近某个整数，要么在软件上通过查表或运算求出结果。有时，还需要结合这两种方法以获得更高的精度。

3.4 DDS模块软件设计

AD9851采用串行方式控制。初始状态输出为5Hz，以满足基本要求的测试项目。扩展要求中需要一个扫频信号源，为此需要自行选定扫频频点及计算控制字。AD9851的输出频率遵循以下公式：

其中△Phase为32位字长的频率控制字，System Clock现为30MHz×6＝180MHz，这里使用了芯片内部的6倍倍频器，这样做的优点是可以减少成本并提高稳定性。经计算得到公式为：

频率控制字＝23861×输出频率(KHz)

每次变换频率时只需按照以下时序将控制字送出，便可以得到制定的频率。即将控制字移位，用IO口送出。

图3.4DDS时序图

3.5串口模块的软件设计

本系统采用CH341作为USB总线的转接芯片，通过USB总线提供异步串口、打印口、并口以及常用的2 线和4线等同步串行接口。在异步串口方式下，CH341提供串口发送使能、串口接收就绪等交互式的速率控制信号以及常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到 USB 总线。在打印口方式下，CH341提供了兼容USB 相关规范和Windows 操作系统的标准USB打印口，用于将普通的并口打印机直接升级到 USB总线。

CH341A 芯片支持一些常用的同步串行接口，例如2 线接口（SCL 线、SDA 线）和4线接口（CS线、SCK/CLK 线、MISO/SDI/DIN 线、MOSI/SDO/DOUT 线）等。

图3.5串口模块设计3.6 系统程序总体流程图

图3.6总体框图

四、系统的组装与测试

测试仪器:

Tektronix TDS1002 数字示波器 60MHz

UNI-T UT56 数字万用表 4位半

以下数据均用上述设备测量得到。

在进行基本性能指标测试前，了解测试仪内部信号源的工作状况是非常必要的。因为准确的测量结果需要建立在稳定的“源”的基础上，如果“源”不稳定，测试的结果就不真实可信。下面给出AD9851自制的信号源的一些参数。其中实际输出频率及输出幅度均从示波器上读出

表* AD9851信号源输出结果记录表

从上表可以得到这样的结论：AD9851的输出幅度及频率是十分稳定的，完全可以满足测试要求。

基本性能指标测试

根据题目要求，性能指标测试应该遵循如下过程：

1．将待测运放插入符合GB3442-82标准的自制的运放参数测试电路，用数

字万用表测出V

IO 、I

IO

。

2．将自制信号源电缆分别插入数字示波器和频率计，观察输出频率应该在

4.95Hz到

5.0Hz，幅度应该在5.092～

6.224范围内。

3．将自制的标准测试电路接到A

VD 和K

CMR

测试状态测出这两个参数。

4．将运放从标准测试电路取下，装入待测测试仪的测试平台，测量上述基本参数，并与自制的标准电路进行比较。

基本参数测试记录表

五、结果分析

（1）该集成运放参数测试仪能对U IO、I IO、A VD、K CMR四项基本参数进行准确测试。其中U IO测试值为1.02mV，误差绝对值小于2%。I I0的测试值为2.05nA，误差绝对值小于2%。A VD的测试值为207dB，误差绝对值小于3dB。K CMR的测试值为86dB，误差绝对值小于3dB。

（2）DDS信号源能输出频率为5Hz、有效值为4V的正弦信号，误差绝对值满足小于1%的设计要求。用示波器观察输出波形无明显失真。

（3）整体电路误差基本控制在允许的范围之内，完成了设计要求。

六、结论与总结

本设计采用GB3442-82的测试电路，为了保证测试精度，要求对R、R i、R f 的阻值准确测量，R1、R2的阻值尽可能一致；I IO与R的乘积远大于V IO；I IO与R i // R f的乘积应远小于V IO。故选择了一套R i =100Ω、R f =100kΩ、R1= R2=30kΩ、R L=10 kΩ的测试电路，该电路在测量V IO、I IO时运行良好，但在测试A VD、K CMR 时产生了严重的自激现象，所以在测量后两组数据时在输出端与输入之间添加了一个相位补偿电路以消除自激，最终顺利测得所有参数。

因为该题目已经建议了测试电路与部分电阻参数，所以基本的电路框架就确定了，但因为自激等一系列干扰因素的存在，再加上运放的失调电压与失调电流这样的参数本身比较微弱，给测量带来很多困难。

最终的测量数据符合了设计的要求，信号稳定，波形良好，误差较小达到了设计目标。