基于DDS與MCU的運(yùn)算放大器參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

在現(xiàn)代科研機(jī)構(gòu)電路設(shè)計(jì)、大專(zhuān)院校的電子系統(tǒng)教學(xué)中,集成運(yùn)算放大器作為信號(hào)處理的基本器件,應(yīng)用非常廣泛,準(zhǔn)確的掌握集成運(yùn)放的參數(shù)是進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本前提。為了方便用戶準(zhǔn)確掌握手中運(yùn)放的各項(xiàng)參數(shù),本文提供了一種采用可編程DDS" target="_blank">DDS芯片和MCU" target="_blank">MCU的測(cè)量系統(tǒng),可自動(dòng)測(cè)量集成運(yùn)放的5項(xiàng)基本參數(shù),以小液晶屏顯示測(cè)量結(jié)果,并可根據(jù)需要打印測(cè)量的結(jié)果,與現(xiàn)有的BJ3195等昂貴測(cè)試儀相比,該測(cè)量系統(tǒng)功能精簡(jiǎn)、操作智能化、人機(jī)接口友好。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以SPCE061單片機(jī)為控制核心,采用主從結(jié)構(gòu),從單片機(jī)負(fù)責(zé)外圍的液晶顯示、打印、語(yǔ)音提示等功能。主單片機(jī)負(fù)責(zé)接收紅外鍵盤(pán)的輸入信息,根據(jù)當(dāng)前用戶輸入,將參數(shù)測(cè)試部分以及自動(dòng)量程切換部分設(shè)置到合適的狀態(tài),然后對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行讀取,并通知從機(jī)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示或打印。系統(tǒng)的DDS掃頻信號(hào)源,可以通過(guò)紅外鍵盤(pán)設(shè)置輸出4MHz以內(nèi)的任意頻率以及任意頻率段任意步進(jìn)的正弦信號(hào)。為了提 高測(cè)量精度,系統(tǒng)另配了一套標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放參數(shù)測(cè)量電路,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始校準(zhǔn)。

測(cè)量功能電路結(jié)構(gòu)

SPCE061簡(jiǎn)介

SPCE061是凌陽(yáng)科技股份有限公司推出的16位MCU,最高工作頻率可達(dá)49MHz,內(nèi)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(kāi)發(fā)平臺(tái)和音頻編解碼工具,使得SPCE系列單片機(jī)不僅控制功能強(qiáng)大、開(kāi)發(fā)周期短,且易于實(shí)現(xiàn)主從機(jī)架構(gòu)。

測(cè)量主電路

測(cè)量運(yùn)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(gè)放大環(huán)節(jié),因此存在兩個(gè)或者兩個(gè)以上的極點(diǎn),由奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù),對(duì)于閉環(huán)反饋系統(tǒng),若有極點(diǎn)分布在頻域右半平面,在深度負(fù)反饋測(cè)試時(shí)會(huì)產(chǎn)生自激振蕩,導(dǎo)致無(wú)法正常測(cè)試。因此,本系統(tǒng)改進(jìn)了該電路,在反饋回路中加入560pF電容與RF并聯(lián),補(bǔ)償信號(hào)的相位,改變整個(gè)反饋通道的幅頻特性,增加其相角裕度,經(jīng)測(cè)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(dǎo)通與關(guān)斷,從而實(shí)現(xiàn)VIO、IIO、AVD、KCMR、BWG的自動(dòng)測(cè)量,其中BWG由繼電器切換到另一路掃頻儀單獨(dú)測(cè)量。

根據(jù)式(1)、(2)、(3)、(4)可計(jì)算出VIO、IIO、AVD、KCMR：

程控放大電路

由于被測(cè)參數(shù)都是mV級(jí)電壓,應(yīng)對(duì)輔助運(yùn)放閉合環(huán)路的輸出信號(hào)分兩檔測(cè)量,在自動(dòng)測(cè)量時(shí),這兩檔的切換由MCU控制,因此需設(shè)計(jì)程控放大電路。本設(shè)計(jì)采用儀用放大器AD620,通過(guò)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(hào),為抑制工頻干擾,在AD620的輸入級(jí)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(shè)為20Hz。

單位增益帶寬測(cè)量電路

在輸入端輸入恒定幅度交流正弦信號(hào),改變信號(hào)頻率,對(duì)應(yīng)于電路輸出端電壓下降3dB時(shí)的頻率即為單位增益帶寬。為提高測(cè)量效率,本設(shè)計(jì)將單位增益帶寬測(cè)量電路與其他參數(shù)測(cè)試電路隔離開(kāi),用繼電器進(jìn)行切換控制。單位增益帶寬與輸入信號(hào)幅度緊密相關(guān),當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí),單位帶寬變窄,測(cè)量結(jié)果誤差較大。系統(tǒng)中采用寬帶運(yùn)放對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減,然后通過(guò)測(cè)試運(yùn)放,再用寬帶運(yùn)放對(duì)測(cè)試運(yùn)放的輸出信號(hào)進(jìn)行放大,以提高測(cè)量精度。寬帶運(yùn)放選甩AD811,其單位增益帶寬為140MHz。

DDS掃頻信號(hào)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(shí)鐘的40％時(shí)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(shí)鐘倍乘器開(kāi)關(guān)控制,32位為頻率控制。當(dāng)外接20MHz時(shí)鐘源,6倍頻開(kāi)啟后系統(tǒng)時(shí)鐘Fsysclk=120MHz,設(shè)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(jī)根據(jù)紅外鍵盤(pán)設(shè)置的頻率步進(jìn),計(jì)算32位頻率控制字,改變AD9851輸出信號(hào)的頻率。這種方法的頻率切換反應(yīng)靈敏。

由于AD9851輸出信號(hào)峰峰值為1V,而在測(cè)量BWG時(shí)使用有效值為2V的正弦信號(hào)較準(zhǔn)確,須放大5.656倍,設(shè)計(jì)掃頻信號(hào)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(yùn)放AD817。

軟件算法與流程 單位增益帶寬測(cè)量的軟件算法

系統(tǒng)設(shè)計(jì)掃頻范圍為100KHz～3.5MHz,頻率分辨率為1KHz,要求自動(dòng)測(cè)量總時(shí)間≤10s。因此,從100KHz到3.5MHz最少應(yīng)該掃描(3500-100)／1=3400次,每次最多使用的時(shí)間為：1 0／3400=0.0029s,而在這0.0029s內(nèi)要完成頻率設(shè)置、讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果等。高精度A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間一般較長(zhǎng),加上設(shè)置掃描頻率的耗時(shí),所以傳統(tǒng)的全頻段步進(jìn)掃描會(huì)有較大的 系統(tǒng)時(shí)延。針對(duì)單位增益帶寬的特點(diǎn),本設(shè)計(jì)采用二分查找算法,不斷縮小掃頻范圍,在較小的頻段內(nèi)步進(jìn)掃描,只需掃捕幾十個(gè)頻點(diǎn)即可在1 KHz的分辨率下滿足測(cè)量時(shí)間≤l0s的要求。

系統(tǒng)誤差概述

系統(tǒng)測(cè)試表明,VIO、IIO、AVD測(cè)量精度主要取決于集成運(yùn)放輸入電阻、反饋電阻的精度,保證運(yùn)放的兩個(gè)輸入端口外接等效電阻平衡可減小測(cè)量誤差。KCMR的測(cè)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(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱(chēng),以及地電位不統(tǒng)一引起的串模干擾。通過(guò)單點(diǎn)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(cè)量誤差。

結(jié)語(yǔ)

測(cè)量?jī)x表系統(tǒng)程控化、智能化是現(xiàn)代電了測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向,本設(shè)計(jì)實(shí)踐了這種思想,利用微控制器實(shí)現(xiàn)傘程數(shù)控,運(yùn)用可編程DDS芯片構(gòu)建高精度掃頻信號(hào)源。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠智能化地測(cè)量集成運(yùn)放的5項(xiàng)參數(shù),切換靈敏、時(shí)延小,測(cè)量精度較以往的測(cè)量方法更為精確,具有較高的性價(jià)比。本文提供的設(shè)計(jì)方法對(duì)于常規(guī)測(cè)量?jī)x表的設(shè)計(jì)也具有一定的參考價(jià)值。