基于DDS与MCU的运算放大器参数测量系统设计

引言

        在现代科研机构电路设计中,集成运算放大器作为信号处理的基本器件,应用非常广泛,准确的掌握集成运放的参数是进行电子系统设计的基本前提。为了方便用户准确掌握手中运放的各项参数,本文提供了一种采用可编程DDS" target="_blank">DDS芯片和MCU" target="_blank">MCU的测量系统,可自动测量集成运放的5项基本参数,以小液晶屏显示测量结果,并可根据需要打印测量的结果,与现有的BJ3195等昂贵测试仪相比,该测量系统功能精简、操作智能化、人机接口友好。

    系统总体设计

        系统框图如图1所示。系统以SPCE061单片机为控制核心,采用主从结构,从单片机负责外围的液晶显示、打印、语音提示等功能。主单片机负责接收红外键盘的输入信息,根据当前用户输入,将参数测试部分以及自动量程切换部分设置到合适的状态,然后对测量结果进行读取,并通知从机对测量结果进行显示或打印。系统的DDS扫频信号源,可以通过红外键盘设置输出4MHz以内的任意频率以及任意频率段任意步进的正弦信号。为了提 高测量精度,系统另配了一套标准运放参数测量电路,对系统进行初始校准。

        测量功能电路结构

            SPCE061简介

        SPCE061是16位MCU,最高工作频率可达49MHz,内置32KB的ROM以及2KB的RAM,具有红外通信接口和异步全双工串行接口。另外,SPCE061提供非常方便的开发平台和音频编解码工具,使得SPCE系列单片机不仅控制功能强大、开发周期短,且易于实现主从机架构。

        测量主电路

        测量运放参数的电路如图2所示,该电路系统传递函数中引入了两个放大环节,因此存在两个或者两个以上的极点,由奈奎斯特稳定性判据,对于闭环反馈系统,若有极点分布在频域右半平面,在深度负反馈测试时会产生自激振荡,导致无法正常测试。因此,本系统改进了该电路,在反馈回路中加入560pF电容与RF并联,补偿信号的相位,改变整个反馈通道的幅频特性,增加其相角裕度,经测试,闭环回路工作稳定性大幅提高。

        图2中,S1、S2、S3、S4均为继电器,由SPCE061控制其导通与关断,从而实现VIO、IIO、AVD、KCMR、BWG的自动测量,其中BWG由继电器切换到另一路扫频仪单独测量。

        根据式(1)、(2)、(3)、(4)可计算出VIO、IIO、AVD、KCMR：

        由于被测参数都是mV级电压,应对辅助运放闭合环路的输出信号分两档测量,在自动测量时,这两档的切换由MCU控制,因此需设计程控放大电路。本设计采用仪用放大器AD620,通过S5、S6改变其反馈电阻,以控制增益。由于仪用放大器为差模输入,且输人为5Hz的低频信号,为抑制工频干扰,在AD620的输入级滤波,采用二阶有源滤波电路,考虑其通带平坦度,采用二阶巴特沃兹低通滤波器,截止频率设为20Hz。

        单位增益带宽测量电路

        在输入端输入恒定幅度交流正弦信号,改变信号频率,对应于电路输出端电压下降3dB时的频率即为单位增益带宽。为提高测量效率,本设计将单位增益带宽测量电路与其他参数测试电路隔离开,用继电器进行切换控制。单位增益带宽与输入信号幅度紧密相关,当输入信号较大时,单位带宽变窄,测量结果误差较大。系统中采用宽带运放对输入信号进行衰减,然后通过测试运放,再用宽带运放对测试运放的输出信号进行放大,以提高测量精度。宽带运放选甩AD811,其单位增益带宽为140MHz。

        DDS扫频信号源

        AD9851是一款数字频率合成芯片,其最高工作频率为180MHz,AD9851的最大输出频率为系统时钟的40％时杂散频率小,它有40位控制字,其中5位为相位控制,1位为6倍参考时钟倍乘器开关控制,32位为频率控制。当外接20MHz时钟源,6倍频开启后系统时钟Fsysclk=120MHz,设频率控制字为Fcw,则输出频率由式

由于AD9851输出信号峰峰值为1V,而在测量BWG时使用有效值为2V的正弦信号较准确,须放大5.656倍,设计扫频信号源的最高输出频率为4MHz,则要求反相放大器的增益带宽积GBW≥5.656×4MHz=22.624MHz,系统中采用GBW为50MHz的高速运放AD817。

        软件算法与流程 单位增益带宽测量的软件算法

        系统设计扫频范围为100KHz～3.5MHz,频率分辨率为1KHz,要求自动测量总时间≤10s。因此,从100KHz到3.5MHz最少应该扫描(3500-100)／1=3400次,每次最多使用的时间为：1 0／3400=0.0029s,而在这0.0029s内要完成频率设置、读取A／D转换结果等。高精度A／D转换时间一般较长,加上设置扫描频率的耗时,所以传统的全频段步进扫描会有较大的 系统时延。针对单位增益带宽的特点,本设计采用二分查找算法,不断缩小扫频范围,在较小的频段内步进扫描,只需扫捕几十个频点即可在1 KHz的分辨率下满足测量时间≤l0s的要求。

        系统误差概述

        系统测试表明,VIO、IIO、AVD测量精度主要取决于集成运放输入电阻、反馈电阻的精度,保证运放的两个输入端口外接等效电阻平衡可减小测量误差。KCMR的测量误差主要是由于外界的电磁干扰、电源纹波、工频干扰、传输网络不对称,以及地电位不统一引起的串模干扰。通过单点接地、低通滤波、电源滤波,以及选取精度高的电阻可减小KCMR的测量误差。

        结语

        测量仪表系统程控化、智能化是现代电了测量技术的发展方向,本设计实践了这种思想,利用微控制器实现伞程数控,运用可编程DDS芯片构建高精度扫频信号源。测试结果表明该系统能够智能化地测量集成运放的5项参数,切换灵敏、时延小,测量精度较以往的测量方法更为精确,具有较高的性价比。