集成運放參數測試儀設計方案
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概述：本系統參照片上系統的設計架構、采用FPGA與SPCE061A相結合的方法，以SPCE061A單片機為進(jìn)程控制和任務(wù)調度核心；FPGA做為外圍擴展，內部自建系統總線(xiàn)，地址譯碼采用全譯碼方式。FPGA內部建有DDS控制器，單片機通過(guò)系統總線(xiàn)向規定的存儲單元中送入正弦表；然后DDS控制器以設定的頻率，自動(dòng)循環(huán)掃描，生成高精度，高穩定的5Hz基準測量信號。掃頻信號通過(guò)對30MHz的FPGA系統時(shí)鐘進(jìn)行分頻和外部鎖相環(huán)（FPGA采用FLEX10K10無(wú)內部鎖相環(huán)）倍頻，產(chǎn)生高頻率穩定度、幅值穩定度的掃頻信號。
放大器參數測量參照GB3442-82標準，低頻信號幅度的測量采取AD高速采樣，然后進(jìn)行數字處理的方法；高頻信號的幅度直接采用集成有效值轉換芯片測得。A/D轉換采用SPCE061A內部自帶的10位AD。SPCE061A主要實(shí)現用戶(hù)接口界面（鍵盤(pán)掃描、液晶顯示、數據打印以及其他服務(wù)進(jìn)程的調度）、AD轉換以及測量參數（Vio Iio Kcmr Avd BWG Tr）計算、與上位機通信等方面的功能。上位機主要實(shí)現向下位機發(fā)送測量指令、與下位機交換測量數據、以及數據的存儲、回放、統計。
一、方案比較設計與論證
（一）測量電路模塊
1、測試信號源部分
方案一：利用傳統的模擬分立元件或單片壓控函數發(fā)生器MAX038，可產(chǎn)生三角波、方波、正弦波，通過(guò)調整外圍元件可以改變輸出頻率、幅度，但采用模擬器件由于元件分散性太大，即使用單片函數發(fā)生器，參數也與外部元件有關(guān)，外接電阻電容對參數影響很大，因而產(chǎn)生的頻率穩定度較差、精度低、抗干擾能力差、成本也較高。
方案二：采用鎖相式頻率合成方案。鎖相式頻率合成是將一個(gè)高穩定度和高精度的標準頻率經(jīng)過(guò)運算，產(chǎn)生同樣穩定度和精確度的大量離散頻率的技術(shù)，他在一定程度上滿(mǎn)足了既要頻率穩定精確，又要在大范圍內變化的矛盾。但其波形幅度穩定度較差，在低頻內波形不理想。
方案三：采用DDS技術(shù)。DDS以Nyquist時(shí)域采樣定理為基礎，在時(shí)域內進(jìn)行頻率合成，其相位、幅度都可以實(shí)現程控，而且用FPGA來(lái)實(shí)現非常簡(jiǎn)單。
在這里我們只需要一個(gè)5Hz的單一穩定頻率，要求其頻率，幅度穩定。綜合考慮，我們采用方案三，實(shí)現了高精度，高穩定度的5Hz測試信號源。
2、主測試電路
方案一：將測試放大器參數的實(shí)現分成4個(gè)電路檢測。該方案實(shí)現各個(gè)參數的測量比較好，且有利于各個(gè)參數調試。但是對于要實(shí)現智能測試該方案較復雜，在電路中所用的繼電器太多，很容易引起電磁干擾，不利于系統的整體性能提高，且不能實(shí)現電路的智能測試。
方案二：采用一級運放。該電路經(jīng)過(guò)仔細的分析會(huì )發(fā)現它設計的非常的巧妙調試也很方便，不會(huì )產(chǎn)生自激、飽和等情況。缺點(diǎn)就是對與精度較高的運算放大器該方案實(shí)現不了。
方案三：采用試題中所給的電路。這是一個(gè)二級的電路，測試精度非常的高。但在調試中我們發(fā)現它很容易出現自激，為了使整個(gè)電路保持穩定，我們采取了一系列的穩定措施，如采用雕刻機雕刻線(xiàn)路，并實(shí)現大面積的接地，輔助運放加入補償矯正網(wǎng)絡(luò )等。
綜合上述，為了實(shí)現自動(dòng)測量，保證測試有更高的精度，采用方案三。
3、信號放大電路
方案一：采用普通的運算放大器放大電路。運算放大器放大電路成熟可靠，選用不同的運算放大器，能夠對各種信號進(jìn)行很好放大。但其放大值固定，不能動(dòng)態(tài)調整，不便于處理大范圍變化信號。
方案二：采用程控可增益放大器。程控可增益放大器可用單片機方便的進(jìn)行增益設定，十分有利于處理大動(dòng)態(tài)范圍信號。
由于測量信號動(dòng)態(tài)范圍大，要有效的采樣處理，就要求放大器增益可動(dòng)態(tài)調整，由此我們選用方案二，采用可編程增益放大器AD625和數字電位器AD737組成程控增益放大器，實(shí)現對測量信號的有效放大。
4、濾波電路
方案一：采用二階切比雪夫低通濾波器或二階巴特沃斯低通濾波器。切比雪夫 濾波器的幅度響應在通帶內是在兩值之間波動(dòng)，在通帶內波動(dòng)的次數取決于濾波器的階數。理想的在靠近截止頻率的范圍內比巴特沃斯有更接近矩形的頻率響應。但這一點(diǎn)是一在頻帶內允許波動(dòng)為代價(jià)的。巴特沃斯低通濾波器幅頻響應是單調下降的，其N(xiāo)階低通濾波器的前（2N-1）階導數在頻率為零處始終為零，故又稱(chēng)為最大平坦幅度濾波器。
方案二：采用數字濾波。數字濾波有極大的靈活性，可以在不增加任何硬件成本的基礎上對信號進(jìn)行有效的濾波，而且可以實(shí)現模擬器件難以實(shí)現的高階濾波。但要進(jìn)行高效率的濾波，對AD采樣要求有較高的采樣速率和時(shí)實(shí)性，對單片機要求有較高的數據運算速度。
方案三：采用模擬濾波器加數字濾波。先用模擬濾波器對信號進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波處理，然后AD采樣，進(jìn)行數字濾波。這樣既可以更加有效的對信號進(jìn)行濾波，使有效信號更為純凈，便于后級數據處理，又降低了對ADC及單片機的要求，使得利用SPCE061A可以較輕松的實(shí)現
在本題中，測量輸出有效信號同樣為5Hz，但伴有大量的高頻及較嚴重的50Hz工頻干擾，為了保持通帶內有效信號的平坦性及純凈，我們選用方案三，模擬用二階巴特沃斯低通濾波器，數字濾波采用有限沖擊響應法設置了低通濾波器及50Hz陷波器。
（二）信號采集模塊
方案一：用AD736 RMS真有效值轉換芯片，AD736的響應頻率在0~10KHZ，采用該器件只需將被測的信號加到它的輸入端上，就可以得到它的有效值，無(wú)需軟件處理，測試非常的方便。但是我們在調試中現在A(yíng)D736 在響應低頻的時(shí)候不是很穩定，這樣對整個(gè)系統會(huì )帶來(lái)不穩定。因此我們沒(méi)有選用這個(gè)方案。
方案二：采用A/D轉換，將模擬信號數字化，然后進(jìn)行數據處理。 凌陽(yáng)16位單片機內置有8路10位的A/D，運用起來(lái)非常的方便。無(wú)需外圍的電路，轉換精度也比較高，因此我們采用了方案二。
（三）用戶(hù)接口模塊
1、 顯示方案:
方案一：采用LED或字符型LCD顯示。LED可以用移位寄存器74164或者專(zhuān)用芯片MAX7219驅動(dòng)，字符型LCD也可以才用74LS164通過(guò)同步串口驅動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是控制比較簡(jiǎn)單，而且串行顯示只占用很少的I/O口。但也有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，只能顯示一些簡(jiǎn)單的ASCII碼字符，顯示的信息量十分的有限，對于本系統較復雜的功能不太適合。
方案二：采用點(diǎn)陣型LCD顯示。點(diǎn)陣型LCD雖然占用的I/O口資
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