基于DDS與MCU的運算放大器參數(shù)測量系統(tǒng)設計

 在現(xiàn)代科研機構電路設計、大專院校的電子系統(tǒng)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(shù)是進行電子系統(tǒng)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(shù)，本文提供了一種采用可編程DDS芯片和MCU的測量系統(tǒng)，可自動測量集成運放的5項基本參數(shù)，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(xiàn)有的BJ3195等昂貴測試儀相比，該測量系統(tǒng)功能精簡、操作智能化、人機接口友好。

系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)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(shù)測試部分以及自動量程切換部分設置到合適的狀態(tài)，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(tǒng)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(tǒng)另配了一套標準運放參數(shù)測量電路，對系統(tǒng)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(fā)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(fā)周期短，且易于實現(xiàn)主從機架構。

測量主電路

測量運放參數(shù)的電路如圖2所示，該電路系統(tǒng)傳遞函數(shù)中引入了兩個放大環(huán)節(jié)，因此存在兩個或者兩個以上的極點，由奈奎斯特穩(wěn)定性判據，對于閉環(huán)反饋系統(tǒng)，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(tǒng)改進了該電路，在反饋回路中加入560pF電容與RF并聯(lián)，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(huán)回路工作穩(wěn)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(xiàn)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(shù)都是mV級電壓，應對輔助運放閉合環(huán)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(shù)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(tǒng)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的全頻段步進掃描會有較大的系統(tǒng)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(tǒng)誤差概述

系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)程控化、智能化是現(xiàn)代電了測量技術的發(fā)展方向，本設計實踐了這種思想，利用微控制器實現(xiàn)傘程數(shù)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(tǒng)能夠智能化地測量集成運放的5項參數(shù)，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(guī)測量儀表的設計也具有一定的參考價值。