设计Word下载.docx
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build
output
show.
KeyWord:
STM32,amplifier,inputmaladjustedvoltage,inputmaladjustedcurrent,Exchangeopenloopgaindifferential-modevoltage,CMRAC,hardwarecircuit,display
第1章设计任务及要求
1.1设计任务
设计并制作一台能测试通用型集成运算放大器参数的测试仪,示意图如图1所示。
图1通用型集成运放参数测试仪框图
1.2设计要求
1.2.1基本要求
(1)能测试VIO(输入失调电压)、IIO(输入失调电流)、AVD(交流差模开环电压增益)和KCMR(交流共模抑制比)四项基本参数,显示器最大显示数为3999;
(2)各项被测参数的测量范围及精度如下(被测运放的工作电压为±
15V):
VIO:
测量范围为0~40mV(量程为4mV和40mV),误差绝对值小于3%读数+1个字;
IIO:
测量范围为0~4μA(量程为0.4μA和4μA),误差绝对值小于3%读数+1个字;
AVD:
测量范围为60dB~120dB,测试误差绝对值小于3dB;
KCMR:
(3)测试仪中的信号源(自制)用于AVD、KCMR参数的测量,要求信号源能输出频率为5Hz、输出电压有效值为4V的正弦波信号,频率与电压值误差绝对值均小于1%;
(4)按照本题附录提供的符合GB3442-82的测试原理图(见图2~图4),再制作一组符合该标准的测试VIO、IIO、AVD和KCMR参数的测试电路,以此测试电路的测试结果作为测试标准,对制作的运放参数测试仪进行标定。
1.2.2发挥部分
(1)增加电压模运放BWG(单位增益带宽)参数测量功能,要求测量频率范围为100kHz~3.5MHz,测量时间≤10秒,频率分辨力为1kHz;
为此设计并制作一个扫频信号源,要求输出频率范围为40kHz~4MHz,频率误差绝对值小于1%;
输出电压的有效值为2V±
0.2V;
(2)增加自动测量(含自动量程转换)功能。
该功能启动后,能自动按VIO、IIO、AVD、KCMR和BWG的顺序测量、显示并打印以上5个参数测量结果;
第2章方案比较与论证
2.1信号源制作方案及论证
2.1.1信号源制作方案
暂时使用现有的信号源
2.2运放参数测试电路方案及论证
2.2.1运放参数测试电路方案
方案一:
将
(输入失调电压),
(输入失调电流),
(交流差模开环电压增益)和
(交流共模抑制比),四项基本参数的测试原理图,将各原理图分别搭建起来,再根据所提供的标准方法来测量,从而得到标准值,而自动测量部分再加上STM32系统来分别控制三个模块电路,该方法的优点是各功能模块电路分开了,并没有干扰的存在,而且操作简单测量方便,但是由于三个电路模块所用的元器件相同,存在资源的浪费,而且对各功能模块的分开操作,使得“自动测量”这一意义不存在了,对工业自动化并没有运用价值。
也失去了我们发挥创新的部分,因而本设计我们未采用。
aVIO、IIO电参数测试原理图
bAVD电参数的测试原理与测试原理图
cKCMR电参数的测试原理与测试原理图
图2集成运放各参数测试原理图
方案二:
考虑到各功能的模块许多元器件相同,为了避免资源的浪费,同时为了使自动化的实现更方便,我们考虑将这三个功能模块电路组合起来,放在一块电路板上,通过用STM32系统控制继电器的状态来切换测量电路实现各功能模块。
电路图如下图3.
图3运放参数测试设计电路
第3章系统硬件设计
3.1总体设计思路
对于一个系统的设计首先要对系统的任务及要求有一个明确的了解,再根据所提供的相关信息帮助,将整个系统功能分成各个功能模块,从而实现系统整体功能。
该系统的设计任务如下图4:
控制电路
图4通用型集成运放参数测试仪框图
根据系统设计的模块划分模块来设计该系统,而该测试仪核心模块为运放参数测试电路及信号源的设计(暂且用现成的信号源)。
再分析设计任务,及设计要求,我们考虑用STM32系统开发板来作为控制电路,用I/O口控制小型继电器的通断,从而实现各功能电路的切换。
同时,利用STM32系统开发版内部自带的A/D转换器,进行A/D采样,将模拟量转换为数字量,再将其通过其自带显示器显示,则整个系统的硬件设计基本完成。
系统硬件组成框图如图5:
Stm32开发板
控制显示电路
图5系统硬件组成框图
3.2各模块设计及参数运算
3.2.1参数测量电路模块
图6参数测量电路模块
1.测量输入失调电压
控制S1-1、S1-2闭合,S4断开,S3接2,S5接2,用数字示波器测出辅助运放的输出电压VL0,则有:
输入失调电压
(3-1)
2.测量输入失调电流
控制S1-1、S1-2断开,S4断开,S3接2,S5接2,用数字示波器测出辅助运放的输出电压VL1,则有:
输入失调电流
(3-2)
3.测量交流差模开环电压增益
控制S1-1、S1-2闭合,S4闭合,S3接2,S5接1,设信号源输出电压为Vs,测得辅助运放输出电压为VL0,则有交流差模开环电压增益
(3-3)
4.测量交流共模抑制比
控制S1-1、S1-2闭合,S4闭合,S3接1,S5接1,设信号源输出电压为Vs,测得辅助运放输出电压为VL0,则有交流共模抑制比
(3-4)
5.实现自动控制以及量程切换
(1)考虑到测量量程问题,因而我们将
分成10K与90K电阻,并要求这两个电阻的阻值严格满足要求,因而我们考虑用可调电位器来实现,选用20K及100K的电位器来实现,从而较易达到阻值的要求,同时利用一个开关来切换量程,以使R3/(R3+Rf)的值存在10倍的关系,实现两个量程的变换(0~4mv及4mv~40mv的变换);
同理在测输入失调电流时也同样存在开关的切合。
根据提供的参数,我们将R3设为100欧姆,
接成两电阻(10k与90k)的串联,R接成1兆欧,R1=R2=30千欧。
考虑到辅助放大器测试方法的要求,要求辅助运放的开环增益大于60dB,输入失调电压和失调电流值小。
OP07的精度高失调电压和失调电流较小,且不需要自校准电路,所以选择OP07作为辅助运放。
(2)为了实现自动控制,我们只是将各开关换成了继电器,由于继电器的可控性,通过stm32I/O口来控制继电器的通断来实现各功能电路的切换,在标准电路后面与stm32连上,实现电路参数测试的自动化。
从而大大简化了电路的烦琐程度。
3.2.2继电器驱动电路
图7继电器的驱动电路
如图7,STM32的I/O口无法直接驱动继电器,必须要接三极管来驱动,当GPIO输出低电平继电器吸合,当GPIO输出为高电平,继电器的衔铁放开。
3.2.3测试结果的显示
测量VIO以及IIO时只需将OP07输出的信号接到开发板的AIN1上,经过A/D转换将模拟量转换为数字量,然后通过软件处理与运算将结果显示在开发板的屏幕上。
测量AVD和KCMR时需同时将信号源输出信号接到AIN0以及将OP07输出信号接到AIN1上,然后软件处理后将结果显示在开发板的屏幕上。
摘要:
本设计采用AT89C55WD单片机和可编程逻辑器件(FPGA)作为其测试和控制核心,能够测试通用运放的基本参数并实现自动量程转换等功能。
运放测试电路参照了任务书中所给电路,用单片机控制继电器进行切换,可编程逻辑器件FPGA控制A/D采样,单片机实现顶层的控制,使整个系统能够协调工作,以完成题目要求。
另外,本设计也对发挥部分进行了一定的设计,完成了增益带宽测试和自动循环测试功能。
设计中采用了模块化设计方法,提高了设计和调试效率。
集成运放,可编程器件(FPGA),单片机(AT89C55WD),继电器
1.系统方案选择和论证
2.1.1系统基本方案
根据题目要求,系统可以划分为控制模块、测试模块和信号源模块。
模块框图如图1.1.1所示。
为实现各模块的功能,分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。
信号源模块
图1.1.1测试仪的基本模块方框图
1.1.1各模块方案选择和论证
(1)控制器模块
根据题目要求,控制器主要用于控制测试电路的切换、控制A/D转换模块、信号
源的控制和对显示模块的控制。
对于控制器的选择有以下三种方案。
采用FPGA(现场可编程门阵列)作为系统的控制核心。
FPGA可以实现复杂的逻辑功能,规模大,密度高,它将所有器件集成在一块芯片上,减小了体积,提高了稳定性,并且可应用EDA软件仿真、调试,易于进行功能扩展。
FPGA采用并行的输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模实时系统的控制核心。
由测试模块输出的信号并行输入FPGA,FPGA通过程序设计控制A/D转换,并进行输出,但由于本设计对数据处理的速度要求不高,FPGA的高速处理的优势不能得到充分的体现,并且由于其集成度高,硬件量大、设计复杂且难度大,可能会影响完成任务的进度。
采用单片机(AT89C51)作为系统的控制核心。
单片机算术运算功能强,软件编程灵活,可用软件编程实现各种算法的和逻辑控制,但由于设计中要求复杂的逻辑控制,单片机的硬件设计简单,这就会大大加强软件编程的工作量,可能会导致程序的混乱,且单片机的硬件简单,其口线不足,就可能导致设计不能成功。
方案三:
采用单片机(AT89C55)和复杂可编程逻辑器件(FPGA)共同作为系统的控制核心。
单片机实现顶层控制和数据处理,FPGA实现底层控制。
在单片机的管理下,由复杂可编程逻辑器件FPGA完成具体的操作,例如对信号的采样和存储,信号源的控制;
而单片机实现对FPGA及整个测试仪的管理,例如选择所要测试的运放参数;
数据处理;
键盘选择显示参数,等等。
这样可以结合两者的优点,使两者有机的结合起来。
减少每个部分的工作量。
基于以上分析,因此本设计采用方案三。
初步拟定控制器的组成如图1.1.2虚线框内所示。
图1.1.2控制器框图
(2)参数测试模块
本模块主要用于运放参数的测量,输出的是模拟量。
所要测试参数的电路具有一定的共同点,所以可考虑用开关进行切换,以达到不同的功能。
因此,在设计过程中主要考虑的是能否有效的切换到各参数测量电路中,对于开关的选择有以下三种方案。
用拨号开关来实现电路的切换。
拨号开关是完全的用人工进行控制。
由于本模块中采用了较多的切换器件,在电路中容易产生混乱,而且如果要做到完全统一调度也是非常困难的,由于是手动控制,效率是非常低的。
用模拟开关来实现电路的切换。
模拟开关可以由单片机来控制其通和断,但是,模拟开关在进行切换的时候,会有一些分布参数,例如模拟开关的内阻和分布电容等参数,又因为信号的幅度很小,如果这些参数比较大,就会严重影响到信号。
用继电器来实现电路的切换。
继电器可以用集成芯片SN75451来驱动继电器以实现电路的通断。
12V直流驱动的继电器的触发电阻≤50mΩ能够满足小幅度信号的要求。
基于继电器的以上优点,本模块中采用方案三作为开关,以实现电路的不同功能。
(3)信号调理模块
模拟信号输出是一低频信号,且存在有一定的干扰,特别是50Hz交流电及其高次谐波的影响较大,所以要采用具有最大平坦响应的巴特沃斯二阶RC有源低通滤波器来进行信号的条理。
当测
时,扫频信号的频率范围是40kHz~4MHz,这就会有低频信号的干扰,所以要滤除其低频干扰。
所以采用了巴特沃斯二阶RC有源高通滤波器。
在测试不同的参数时,要选择不同的滤波器,可采用继电器进行切换,以实现不同参数的测试。
(4)信号源模块
①测试信号源产生模块
在进行
、
测试的时候,需要接输出频率为5Hz、输出电压有效值为4V的正弦波信号,这就要求设计此模块,有以下三种方案。
用晶体振荡电路产生符合要求的正弦波信号。
晶体可以产生非常稳定的正弦波信号,但是,要求的是输出频率为5Hz、输出电压有效值为4V,对于低频而言,晶体是很难做到这么精确的指标。
方案二:
用555定时器产生符合要求的正弦波信号。
因为测试信号源的精度要求很高,而555定时器的电阻和电容的取值将影响到输出脉冲的宽度
,随着
的宽度的增加,它的精度和稳定度也将下降。
由于是要求输出频率为5Hz,
的宽度将会很大,这就会严重影响到精度和稳定度。
方案三:
用FPGA和D/A转换器产生符合要求的正弦波信号。
频率精度很高,而且
稳定度也很高。
由于要求的频率很低,所以一般的D/A转换器就可胜任。
符合任务中
的要求。
所以,基于以上分析,拟定方案三。
框图如图1.1.3所示。
信号调理
图1.1.3测试信号源产生框图
②扫频信号源模块
由于任务要求制作一信号源,且输出频率范围为40kHz~4MHz,误差小于1%,电
压有效值为2V±
0.2V有以下两种方案可供选择:
方案一:
用专门的DDS芯片做符合要求的扫频源。
由于芯片的成本很高,而且市场供应不足。
所以不采用此方案。
用FPGA做符合要求的信号源。
FPGA的逻辑功能强大,集成度高,减小了体积,提高了稳定度。
使用VHDL语言,设计灵活,且自由度大,可应用MaxPlusII软件仿真、调试、易于功能扩展。
基于以上优点,本模块采用方案二。
⑸显示模块
显示器是人机接口输出的一部分,良好的人机接口将会使输出内容能够更加的丰
富。
我们考虑以下两种方案。
采用LED(发光二极管)作为显示部分。
LED有8段和米字型两种用于显示
各种数字。
但是,LED显示的形式比较单一,功能简单,而且比较耗电。
人机交换比较困难。
采用LCD(液晶显示器)作为显示部分。
LCD具有以下优点:
①轻薄短
小、②低好电量、③无辐射危险、④平面直角显示、⑤影像稳定不闪烁、⑥可视面积大、⑦画面效果好、⑧分辨率高。
LCD有显示图形、字符和数字等功能,且LCD的人机界面友好。
在本设计中要能显示数码、字符以及汉字,只有点阵式显示器才能够胜任。
所以,基于以上方案,本模块采用LCD作为显示器。
1.1.2系统各模块的最终方案
经过仔细的分析和论证,决定了系统个模块的最终方案如下:
⑴控制模块:
采用单片机(AT89C55)和复杂可编程逻辑器件(FPGA)共同控制;
⑵集成运放参数测试模块:
采用继电器切换的测试电路;
⑶信号调理模块:
采用二阶RC有源滤波器;
⑷测试信号源产生模块:
采用FPGA和D/A转换器产生正弦波信号;
⑸扫频信号源模块:
采用FPGA产生方波扫频信号;
⑹A/D转换模块:
采用AD1674作为转换器;
⑺显示模块:
采用LCD(液晶显示器)。
系统的基本框图如图1.1.4所示。
单片机主要用于顶层控制和运算处理电路,而
FPGA实现底层控制,实现某部分具体电路的功能,两部分可以进行有机的结合,以实现其任务书所给要求。
其工作过程如下:
系统通电后,用单片机控制测试电路进行模式选择,实现各种参数的测试,模拟量经信号调理后,单片机发出信号以实现FPGA对A/D的采样,FPGA将采样后的数据存入RAM,发出信号给单片机,使单片机从RAM中读出采样好的数据,再进行运算处理,最后控制LCD进行输出。
D/A转换器
图1.1.4系统基本框图
2.系统的硬件设计与实现
2.1系统硬件的基本组成部分
本题是一个含有各种技术的综合设计,在设计中运用到了模拟电子技术、数字电子技术和可编程技术。
系统可分为测试部分和智能控制部分。
测试部分:
系统完成各种参数的测试,就要运用到各种测试电路。
测试部分包括3个单元电路:
各种参数测试电路、信号调理电路、A/D采样电路、
控制部分:
单片机控制测量参数的选择,并进行对FPGA的顶层控制;
而FPGA实现对A/D采样的底层控制,以完成模数转换,再由单片机控制显示。
控制部分包括2个主要单元电路:
单片机控制电路、FPGA控制电路。
信号源部分:
FPGA产生控制信号并通过D/A产生所需的信号源。
信号源部分包括两个主要单元电路:
低频正弦波信号源、扫频信号源。
2.2主要单元电路的设计
2.2.1测试部分的单元电路设计
⑴参数测试电路的设计
题目要求能测试
五个参数。
由于题目附录中给出了每个参数标准电路,并给出了参考阻值。
经过综合考虑,本单元电路利用给出参考阻值,
并用继电器进行切换。
为保证测量精度,要求R、
的阻值准确测量,
的阻值尽可能一致;
与R的乘积远大于
;
与
//
的乘积应远小于
。
我们取
=100Ω、
=20kΩ、
=
=30kΩ、
=10kΩ、R=1MΩ。
由于要求量程切换。
在此
可以取两个值进行切换,另一个
=200kΩ电路如图2.2.1所示:
图2.2.1测试电路电路图
由于辅助运放的性能好坏对测试结果的精度有直接的影响,因此在选择辅助运放时,我们查找和比较了多种运放的性能参数,通过比较,我们最后选择OP37A作为该电路的辅助运放。
OP37A的输入失调电压为10uV,输入失调电流为7nA,交流差模开环增益为126dB,交流共模抑制比为120dB,单位增益带宽为40MHz。
其性能参数和通用运放相比,要小1~2个数量级,因此,我们采用OP37A作为辅助运放。
测试电路的切换通过继电器的通断来控制,当单片机发出模式切换的信号后,由GAL门对模式控制信号进行译码,再推动75451完成对继电器的控制。
在本电路中GAL门选择ATMEL公司的ATF16V8B。
例如:
当单片机发出控制信号0001,经GAL门译码后,通过75451推动K1、K2、K3、K5闭合,从而使测试电路切换到失调电压的测试状态。
根据测量参数和量程切换的要求,本测试电路需要GAL门切换9种模式,译码结果如表2.2.1所示
表2.2.1GAL门控制电路译码表
控制信号
译码结果
0x00
0xFF
0x01
0xCB
0x02
0x8c
0x03
0xAB
0x04
0xCC
(续表2.2.1)
0x05
0xDC
0x06
0xCE
0x07
0x5C
0x08
0x6E
⑵信号调理电路
①低通滤波电路
从测试电路出来的信号会有一定的干扰,这样就会严重影响到后级的测试精度,所
以要加上抗混滤波电路,在测试
时要让高频信号通过,而在测试其他参数时要让低频信号通过,所以采用了继电器切换,在测试
时是直通的,在测试其他参数时加上低通滤波电路,采用的是二阶有源低通RC滤波器。
设计电路如图2.2.2所示。
图2.2.2低通滤波器
因为
,所以取低通滤波起的截止频率
,利用滤波器的快速设计方法,从表中查出一电容(uF)使其满足
,在此,取增益为1对应的电容C=4.7u,对应的电阻
,
又由于K=2,可以得到电阻
,电容
u,在实际中我们采用的参数是
、C=4.7u、
u,可以进行很好的低通滤波。
②高通滤波器
在测试
时要使扫描信号通过,扫描信号的频率为40kHz~4MHz,这就要进行高通滤波电路。
由前面方案论证可知,选用二阶高通RC有源滤波器。
其电路图如图2.2.3所示。
并且可根据其快速设计方法得出参数值。
图2.2.3高通滤波器
因为扫描信号的输出最低频率为40kHz,所以设计截止频率
,因为
,所以C=1000P,
对应的K=5。
查表可得:
(实际取10kΩ)。
就可得到高通滤波。
⑶A/D采样电路
本电路通过A/D采样的方式实现对运放测试参数的采集和处理,由于题目精度要求较高,经过计算,只有当A/D芯片最小分辨率小于10Mv时,才能实现达到题目的精度要求因此在本设计中采用12位高精度A/D转换器AD1674作为A/D采样芯片。
该芯片最小分辨率为4.875mV,完全可以达到设计的精度要求,虽然其转换速率为100KSPS,但是由于本设计主要采集的是低频和直流信号,因此转换速度仍然可以满足设计要求。
2.2.2控制部分的单元电路设计
⑴单片机控制电路
单片机选用MCS-51系列,由于菜单较复杂,程序代码较长,因此选用了AD89C55WD芯片。
本系统由51单片机的p2.0~p2.4口通过I/O方式控制测试电路的模式切换,通过p0口和p2口完成RAM内数据的读取。
①主单片机使用了4*4键盘,128*64液晶显示器(LCD)。
②单片机按键动能
键1:
输入失调电压;
键2:
输入失调电流;
键3:
交流差模开环增益;
键4:
交流共模抑制比;
键5:
单位增益带宽;
键6:
键盘功能说明;
键A:
自动扫频步进;
键B:
手动扫频步进;
键C:
扫频源清零;
键0:
自动循环测量;
⑵FPGA控制电路
FPGA控制电路框图2.2.4如下:
A_BUS
图2.2.4FPGA控制电路框图
当单片机发出采样信号后,FPGA通过状态机控制A/D转换器进行A/D采样,将采样完的数据转存进RAM中,当进行
参数测试时,系统以160Hz的速度进行采样,称为慢采样。
当测试单位增益带宽时,以100kHz的速率全速采样,称为快采样。
AD转换器的控制信号由FPGA产生,FPGA在AD转换时获得SRAM的控制权,随后读取AD转换后的数据,经过内部锁存器后,存入SRAM,存满一定量的数据后,发出高电平,并释放SRAM的控制权通知MPU采样已经完成采样,MPU可以读取SRAM中的数据。
本逻辑电路时序比较复杂,而一般的CPLD不但容量比较小,且内部不可以集成ROM模块,所以采用了FPGA型号为ALTRA公司的FLEXEPF10K10LC84—4。
⑶信号源部分
信号源是测试运放参数所必须的,因此高精度、高稳定性的信号源对测试数据的
影响很大。
①