基于DDS與MCU的運算放大器參數測量系統設計

    在現代科研機構電路設計、大專(zhuān)院校的電子系統教學(xué)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是進(jìn)行電子系統設計的基本前提。為了方便用戶(hù)準確掌握手中運放的各項參數,本文提供了一種采用可編程DDS芯片和MCU的測量系統,可自動(dòng)測量集成運放的5項基本參數,以小液晶屏顯示測量結果,并可根據需要打印測量的結果,與現有的BJ3195等昂貴測試儀相比,該測量系統功能精簡(jiǎn)、操作智能化、人機接口友好。

    系統總體設計

    系統框圖如圖1所示。系統以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(yǔ)音提示等功能。主單片機負責接收紅外鍵盤(pán)的輸入信息,根據當前用戶(hù)輸入,將參數測試部分以及自動(dòng)量程切換部分設置到合適的狀態(tài),然后對測量結果進(jìn)行讀取,并通知從機對測量結果進(jìn)行顯示或打印。系統的DDS掃頻信號源,可以通過(guò)紅外鍵盤(pán)設置輸出4MHz以?xún)鹊娜我忸l率以及任意頻率段任意步進(jìn)的正弦信號。為了提 高測量精度,系統另配了一套標準運放參數測量電路,對系統進(jìn)行初始校準。

    測量功能電路結構

    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(kāi)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(kāi)發(fā)周期短,且易于實(shí)現主從機架構。

    測量主電路

    測量運放參數的電路如圖2所示,該電路系統傳遞函數中引入了兩個(gè)放大環(huán)節,因此存在兩個(gè)或者兩個(gè)以上的極點(diǎn),由奈奎斯特穩定性判據,對于閉環(huán)反饋系統,若有極點(diǎn)分布在頻域右半平面,在深度負反饋測試時(shí)會(huì )產(chǎn)生自激振蕩,導致無(wú)法正常測試。因此,本系統改進(jìn)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(gè)反饋通道的幅頻特性,增加其相角裕度,經(jīng)測試,閉環(huán)回路工作穩定性大幅提高。

    圖2中,S1、S2、S3、S4均為繼電器,由SPCE061控制其導通與關(guān)斷,從而實(shí)現VIO、IIO、AVD、KCMR、BWG的自動(dòng)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(dòng)測量時(shí),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(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,為抑制工頻干擾,在A(yíng)D620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(shí)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測試電路隔離開(kāi),用繼電器進(jìn)行切換控制。單位增益帶寬與輸入信號幅度緊密相關(guān),當輸入信號較大時(shí),單位帶寬變窄,測量結果誤差較大。系統中采用寬帶運放對輸入信號進(jìn)行衰減,然后通過(guò)測試運放,再用寬帶運放對測試運放的輸出信號進(jìn)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。當外接20MHz時(shí)鐘源,6倍頻開(kāi)啟后系統時(shí)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(pán)設置的頻率步進(jìn),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A(yíng)D9851輸出信號峰峰值為1V,而在測量BWG時(shí)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