DDS集成運(yùn)放測試儀研究與設(shè)計

楊春光,劉海成,邢敬娓

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

DDS集成運(yùn)放測試儀研究與設(shè)計

楊春光,劉海成,邢敬娓

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

為了提高運(yùn)放參數(shù)測試精度，保證選擇運(yùn)放元件準(zhǔn)確性，設(shè)計一款以DDS為基礎(chǔ)的集成運(yùn)放測試儀。測試儀以ATmage16為控制核心，采用DDS掃頻技術(shù)，通過設(shè)計的運(yùn)放參數(shù)測量電路、峰值檢波電路和人機(jī)接口電路等完成對運(yùn)算放大器直流輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、交流差模開環(huán)電壓增益、交流共模抑制比等參數(shù)的測量和計算，應(yīng)用閉環(huán)測試原理和二階巴特沃斯低通濾波器技術(shù)，最后通過LCD顯示結(jié)果。測試儀突破模擬合成法的原理，可以實(shí)現(xiàn)不同頻率、相位的任意波形，并且各種參數(shù)均可通過編程實(shí)現(xiàn)，具有測量精度高、性價比高、操作簡單、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)。

集成運(yùn)算放大器；DDS；參數(shù)；測量電路

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，測量儀表正朝著數(shù)字化和智能化方向發(fā)展[1]，集成運(yùn)算放大器簡稱集成運(yùn)放，是由多級直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路，在集成運(yùn)放的輸入與輸出之間接入不同的反饋網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)不同用途的電路，集成運(yùn)放參數(shù)影響著它的性能，不同的設(shè)計對參數(shù)的要求不同，只有精確了解每種型號運(yùn)放的各個不同參數(shù)，才能有效地進(jìn)行設(shè)計，不浪費(fèi)指標(biāo)，減小成本，而傳統(tǒng)測試需要人工手動操作臺式儀器,當(dāng)需要測量多個參數(shù)且多次連續(xù)測量時,需要多名人員喊口令操作多臺儀器，很難保證測試的準(zhǔn)確性和可靠性[2]，浪費(fèi)大量的人力、物力和時間，而且集成運(yùn)放參數(shù)測定對研發(fā)人員和技術(shù)儀器提出更高的要求，運(yùn)放測試儀的校準(zhǔn)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，提高運(yùn)放測試儀的測試精度，保證運(yùn)放器件的準(zhǔn)確性是目前應(yīng)解決的關(guān)鍵問題。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

集成運(yùn)放參數(shù)包括直流輸入失調(diào)電壓(VIO)、輸入失調(diào)電流(IIO)、交流差模開環(huán)電壓增益(AVD)、交流共模抑制比(KCMR)、單位增益帶寬(BWG)、輸入偏置電流(IIB)、最大輸出電壓(UOPP)、最大共模輸人電壓(UICM)、最大差模輸人電壓(UIDM)、開環(huán)帶寬(BW)以及等效輸入噪聲(UN)等參數(shù)。設(shè)計選用了基本參數(shù)(VIO，IIO，AVD，KCMR)以及單位增益帶寬(BWG)進(jìn)行測量[3]。

采用閉環(huán)測試原理[4]測量集成運(yùn)放的VIO，IIO時，不需要掃頻信號，只需將被測運(yùn)放切換到測試電路，然后采集輔助運(yùn)放的輸出電壓，設(shè)計選用單片機(jī)內(nèi)部A/D，參考源是內(nèi)部默認(rèn)的2.56 V，并采用一個電壓衰減電路，將電壓衰減為原來的1/4，這樣A/D就可以采回正確的數(shù)值，計算出VIO，IIO。在測量AVD，KCMR時，設(shè)計采用一個精密整流電路，當(dāng)輸入信號為正時，輸出信號也為正，當(dāng)輸入信號為負(fù)時，輸出信號為負(fù)信號的絕對值。在精密整流電路后接一個二階巴特沃斯低通濾波器[5]，濾除高頻及50 Hz工頻干擾，得到純凈的5 Hz正弦信號。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在測量單位增益帶寬時，設(shè)計采用一個高精度高頻率輸出的掃頻信號源。并采用一個信號放大系統(tǒng)，對高頻信號進(jìn)行無失真放大，放大后的信號峰值為1.2 V。由于與測量基本參數(shù)時的掃頻信號放大倍數(shù)不同，設(shè)計通過一個繼電器即可方便地切換放大倍數(shù)。然后逐漸增加掃頻信號源輸出信號的頻率，當(dāng)比較器翻轉(zhuǎn)時，掃頻信號源的頻率就是被測運(yùn)放的單位增益帶寬。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 基本參數(shù)(VIO，IIO，AVD，KCMR)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 單位增益帶寬測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于已經(jīng)得到上述各個參數(shù)的測量電路，只要將被測運(yùn)放放入各個參數(shù)測量電路中，利用單片機(jī)控制繼電器，將被測運(yùn)放切換到測量電路，實(shí)現(xiàn)VIO，IIO，AVD，KCMR以及單位增益帶寬的測量[6]。綜上所述，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

2.1 掃頻信號源設(shè)計

掃頻信號源是集成運(yùn)放參數(shù)測量系統(tǒng)中最重要的部件，提供測量AVD，KCMR的5 Hz正弦掃頻信號，測量單位增益帶寬時提供100 K～4 M的正弦掃頻信號。目前，可提供掃頻信號的方法很多，較為流行的DDS函數(shù)發(fā)生方法是一種純數(shù)字化的方法[7]，由于DDS具有相對帶寬很寬、頻率轉(zhuǎn)換時間短、頻率分辨率高、全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成等優(yōu)點(diǎn)。突破了模擬合成法的原理，可以實(shí)現(xiàn)不同頻率、相位的任意波形，并且各種參數(shù)均可通過編程實(shí)現(xiàn)。集成DDS函數(shù)發(fā)生芯片種類很多，由于輸出頻率范圍等指標(biāo)的不同，價格差異也較大，根據(jù)需要選擇合適的芯片型號非常重要。根據(jù)DDS信號發(fā)生電路特點(diǎn)[8]及設(shè)計所要達(dá)到的指標(biāo)和設(shè)計成本，選擇ADI公司的AD9833作為掃頻信號源的函數(shù)發(fā)生芯片,AD9833 具有功耗小 (20 mW)、外圍電路簡單、引腳少、可編程的特點(diǎn), 通過編程能夠產(chǎn)生方波、三角波、正弦波3種波形 , 輸出頻率從0～12.5 MHz，連續(xù)可調(diào) , 信號頻率分辨率可達(dá)到0.1 Hz[9]；選擇S1和S2撥碼開關(guān)作為信道切換路徑。掃頻信號源電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 掃頻信號源電路設(shè)計

2.2 精密整流電路

由于以ATmega16單片機(jī)為核心[10]，芯片A/D不能采集負(fù)電壓，所以要將負(fù)電壓變?yōu)檎妷阂员鉇/D進(jìn)行采集。精密整流電路由兩個運(yùn)放組成，第一個運(yùn)放實(shí)質(zhì)上是一個反相放大器，其放大倍數(shù)為-1倍，因此,當(dāng)輸入電壓大于等于0時，輸出端電壓為負(fù)的輸入電壓，但是當(dāng)輸入電壓小于0時，由于有兩個二極管的存在，根據(jù)運(yùn)放的虛地特性會將運(yùn)放輸出電壓拉到0，即

(1)

第二個運(yùn)放組成一個反相加法器，其輸入為Vi和Vo1，所以有

Vo=-Vi-2Vo1.

(2)

將式(2)代入式(1)可得

(3)

其電路原理如圖5所示。

通過精密整流電路后，無論輸入信號為正還是負(fù)，都輸出正電壓，這樣單片機(jī)就可以正確地采集電壓。

圖5 精密整流電路原理

2.3 二階巴特沃斯濾波電路

由前面的敘述可知，經(jīng)過精密整流電路輸出的信號雖然為正電壓信號，但是會伴有大量的高頻及較嚴(yán)重的50 Hz工頻干擾，這樣會使A/D采集的電壓不準(zhǔn)確。為了保證單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，設(shè)計了23.4 Hz的巴特沃斯有源低通濾波電路，主要是保護(hù)5 Hz的信號不被衰減，也可以讓50 Hz及以上的干擾信號進(jìn)行衰減。

根據(jù)二階巴特沃斯低通濾波器的截止頻率計算公式：f=1/2πRC，這里R=6.8 K，C=10-6F，所以f≈1/2×3.14×6.8×103×10-6≈23.4 Hz。二階巴特沃斯低通濾波器的電路原理如圖6所示。

圖6 23.4 Hz低通濾波器電路原理

將各個電路連起來就組成了基本參數(shù)測量電路，并形成了測量運(yùn)放參數(shù)電路原理圖。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)核心處理器為ATmega16，其任務(wù)是對系統(tǒng)進(jìn)行控制并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)系統(tǒng)工作特點(diǎn)，程序采用結(jié)構(gòu)化的軟件設(shè)計方法[11]。上電后單片機(jī)首先對整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化，再讀取按鍵信息，針對用戶的需要選擇進(jìn)行基本參數(shù)測量或是單位增益帶寬測量。對于基本參數(shù)測量時要根據(jù)需要測量哪個參數(shù)來選擇是否需要輸出掃頻信號。與基本參數(shù)測量不同，單位增益帶寬的測量要將多個頻率的正弦信號逐一輸出，形成掃頻信號。兩者雖然都是正弦信號，但是針對不同的參數(shù)測量需要會對正弦信號的輸出做不同的處理。最后將各個參數(shù)的計算結(jié)果在液晶屏上將所需信息顯示出來。系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程

4 結(jié)束語

設(shè)計的測試儀突破了模擬合成法的原理，可以實(shí)現(xiàn)不同頻率、相位的任意波形，并且各種參數(shù)均可通過編程實(shí)現(xiàn)，不僅人機(jī)界面友好，而且操作簡單，所有功能都可通過4個按鍵進(jìn)行選擇，與市場上所出售的同類系統(tǒng)相比，系統(tǒng)功能更全面，克服了單純具備基本參數(shù)測量功能的測試儀器或是單純具有單位增益帶寬測量功能的測試儀器的局限性，測試儀會根據(jù)用戶所選擇的測量方式自動調(diào)節(jié)測量電路和液晶界面，以最佳的方式將所測量的結(jié)果輸出。

[1] 郝玉君，甘露.基于C8051F020 的集成運(yùn)放參數(shù)測試儀設(shè)計[J].湖南農(nóng)機(jī)，2010，37(3)：33.

[2] 殷賢華，梁光發(fā).基于VXI總線通用型集成運(yùn)放測試系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制,2010,187(12)：2735.

[3] 任瑞治.基于虛擬儀器的集成運(yùn)放參數(shù)測試儀設(shè)計[D].長春：吉林大學(xué),2006:22-27.

[4] 劉沖,于利紅.集成運(yùn)算放大器參數(shù)測試儀校準(zhǔn)技術(shù)研究[J].宇航計測技術(shù),2009，29(2)：38-39.

[5] 劉海成.AVR單片機(jī)原理及測控工程應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2008：251-258.

[6] 劉沖,于利紅.集成運(yùn)算放大器參數(shù)測試儀校準(zhǔn)技術(shù)研究[J].宇航計測技術(shù),2009，29(2)：38-39.

[7] 宋雁鵬.基于單片機(jī)和DDS的高頻信號源的設(shè)計[J].電子世界,2015(13):131.

[8] 彭海軍.基于DDS的信號相位同步設(shè)計技術(shù)[J].國外電子測量技術(shù),2016，4：95.

[9] 張萍.基于DDS 的低頻信號發(fā)生器的設(shè)計[J].自動化技術(shù)及應(yīng)用,2016，35(6)：106.

[10] 費(fèi)繼友，陳東東.基于ATmega16 單片機(jī)的太陽能充電器設(shè)計[J].大連交通大學(xué)學(xué)報,2016，6：99.

[11] 馮喜,梁觀勝.基于 ATmega16 單片機(jī)的數(shù)控穩(wěn)壓電源設(shè)計[J].電子測試,2016，21：13.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

Design and research of parameter tester for integrated operational amplifier based on DDS sweep signal source

YANG Chungong,LIU Haicheng,XING Jingwei

(College of Electrical and Information Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050,China)

In order to improve the integrated operational amplifier parameters of the test accuracy, and guarantee the accuracy, a parameter tester for integrated operational amplifier based on DDS sweep signal source is designed.This tester, based on ATmage16, controls the core with DDS frequency sweep technique, through parametermeasuring circuit and peak detection circuit and man-machine interface circuit to measure and calculate DC input offset voltage, input offset current, AC differential mode open-loop voltage gain, the exchange of common mode rejection ratio and other parameters.It makes the application of closed loop testing principle and second-order butterworth low-pass filter technology，and the design selecting LCD as display unit. The tester, breaking through the simulation of the synthesis principle, can realize the arbitrary waveform of different frequency and phase, and various parameters can be realized by programming,which has the features of high accuracy, cost-effective, easy operation, friendly-interface and so on.

integrated operational amplifier; DDS; parameter; measurement circuit

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.03.009

2016-11-28

哈爾濱市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人項(xiàng)目(2015RAXXJ036)

楊春光(1975-)，女，講師，研究方向：電器測試與磁場理論.

TM932

A

1671-4679(2017)03-0033-05