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、大专院校的电子系统教学中，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芯片和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：

程控放大电路

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 得出，因此，最高可输出频率为48MHz的正弦波。图3中，MCU主机根据红外键盘设置的频率步进，计算32位频率控制字，改变AD9851输出信号的频率。这种方法的频率切换反应灵敏。

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