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设计

摘要

本系统采用STM32系统为核心器件，主要实现对通用型集成运算放大器输入失调电压、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量。

由于水平有限，现只是利用已有信号源，输出给参数测试电路测量，主要完成硬件部分的搭建工作与输出的显示。

关键词：

STM32，运放，输入失调电压，输入失调电流，交流差模开环电压增益，交流共模抑制比，硬件电路，显示

ABSTRACT

The systemusesthe STM32 systemasthecore components,themainachievement ofthe general-purpose integratedop-amp inputoffset voltage, inputoffsetcurrent,AC voltage differential-mode open-loop gainand AC CMRR fourbasicparameters ofthe measurement. Asthe level islimited, there are onlyusingthesignal source,theoutput parametersof thetest circuit to measure, mainlytocomplete thework with thehardware partofthe build output ofthe 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：

测量范围为60dB～120dB，测试误差绝对值小于3dB；

（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。

关键词：

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。

方案一：

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。

方案二：

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。

方案一：

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。

方案二：

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。

方案三：

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。

方案一：

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。

方案二：

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。

方案一：

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。

方案二：

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