集成运放参数测试仪.doc

集成运放参数测试仪 （B题）设计报告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控制模块测试模块信号源模块图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FPGA(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FPGA，FPGA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≤50ｍΩ 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40kHz～4MHz，这就会有低频信号的干扰，所以要滤除其低频干扰所以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① 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FPGAD/A测试模块信号调理图1.1.3 测试信号源产生框图② 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40kHz～4MHz,误差小于1%，电压有效值为2V±0.2V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 ⑸ 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：① 轻薄短 小、② 低好电量、③ 无辐射危险、④ 平面直角显示、⑤ 影像稳定不闪烁、⑥ 可视面积大、⑦ 画面效果好、⑧ 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：⑴ 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；⑵ 集成运放参数测试模块：采用继电器切换的测试电路；⑶ 信号调理模块：采用二阶RC有源滤波器；⑷ 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；⑸ 扫频信号源模块：采用FPGA产生方波扫频信号；⑹ A/D 转换模块：采用AD1674作为转换器；⑺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 单片机键盘显示模块FPGA运放参数测试电路模块测试信号源扫频信号源A/D转换电路模块RAM信号调理电路D/A转换器 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 主要单元电路的设计 2.2.1 测试部分的单元电路设计 ⑴ 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=100Ω、=20kΩ、==30kΩ、=10kΩ、R=1MΩ由于要求量程切换在此可以取两个值进行切换，另一个=200kΩ 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1～2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 ⑵ 信号调理电路 ① 低通滤波电路从测试电路出来的信号会有一定的干扰。