集成運放參數(shù)測試儀

1、集成運放性能參數(shù)測試儀一、集成運放性能參數(shù)測試儀性能指標(biāo)工作電壓：15VVIO：測量范圍：040mV（小于3%讀數(shù)1個字）；IIO：測量范圍：04A（3%讀數(shù)1個字）；AVD：測量范圍：60dB120dB3dB；KCMR：測量范圍： 60dB120dB3dB； 輸出頻率：5Hz輸出電壓有效值：4 V頻率與電壓值誤差絕對值均小于1%；二、設(shè)計思路：本設(shè)計以單片機STC89C52為控制核心，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADS1110以及繼電器，為切換開關(guān)， 對被測量信號進行采樣，通過單片機處理完成對運算放大器LM741的UIO，IIO，AVC，KCMR等參數(shù)的測量。 并通過系統(tǒng)顯示接口，利用液晶顯示裝置將測試的

2、結(jié)果進行顯示，同時本系統(tǒng)還能通過鍵盤進行人機交流，實現(xiàn)按下一個按鍵就可以對該運放的某個參數(shù)進行測試。三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖四、方案比較與選擇：主控芯片部分方案一：采用STC89C52單片機。優(yōu)點是芯片結(jié)構(gòu)簡單，使用相對容易；缺點是不帶AD轉(zhuǎn)換電路，需要外接AD轉(zhuǎn)換芯片，測量精度相對較低。方案二：采用凌陽SPCE061A單片機。優(yōu)點是自帶AD轉(zhuǎn)換模塊，測量精度相對較高，能進行音頻處理等多種智能化功能；缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用起來相對繁瑣。由于此方案的核心內(nèi)容在測試電路部分，主控芯片的選擇對結(jié)果的影響相對較小，綜合以上芯片的性能以及自身的情況，選擇使用相對簡單的STC89C52單片機。信號發(fā)生器的選擇方案一：

3、利用傳統(tǒng)的模擬分立元件或單片壓控函數(shù)發(fā)生器MAX038，可產(chǎn)生三角波、方波、正弦波，通過調(diào)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(shù)發(fā)生器，參數(shù)也與外部元件有關(guān)，外接電阻電容對參數(shù)影響很大，因而產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度較差、精度低、抗干擾能力差、成本也較高。方案二：采用ICL8038芯片產(chǎn)生信號。優(yōu)點是電路簡單，波形好，控制方便，缺點是頻率有限。由于需要的頻率不寬，綜合以上考慮，選擇電路簡單，波形好，控制方便，精度和抗干擾能力更強的ICL8038作為信號發(fā)生器。顯示模塊的選擇方案一：采用液晶顯示模塊SVM12864（LCD）。占用I/O口多，控制復(fù)雜，但可以顯示

4、漢字和簡單圖形等，功能強大方案二：采用液晶顯示模塊1602。占用I/O口少，控制簡單，每行可顯示16個字符。雖然SVM12864功能相對強大，但是采用1602更為合理。因為需要顯示的參數(shù)不多，且都是英文字母和數(shù)字，因此選擇控制簡單的1602液晶顯示模塊。五、測量原理2.1 失調(diào)電壓Vios理想運放當(dāng)輸入電壓為零時，其輸出電壓也為零，但實際運放電路當(dāng)輸入電壓為零時，其輸出端仍有一個偏離零點的直流電壓Vios。這是由于運放電路參數(shù)不對稱所引起的（在室溫25度 和標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下）為了使這一輸出直流電壓Vios 為零，必須先在輸入端加一個直流電壓作為補償電壓! 以抵消偏離零點的輸出電壓。這個加在輸入端

5、的電壓即為輸入失調(diào)電壓Vios（顯然Vios越小，說明運算放大器參數(shù)的對稱性越）2.2 失調(diào)電流Iio運放的輸入偏置電流是指運放輸入級差分對管的基極電流IB1，IB2， 其中IB1指同相輸入端基極電流，IB2指反相輸入端基極電流運放的輸入失調(diào)電流是指當(dāng)運放輸出電壓為零時，兩個輸入端靜態(tài)電流的差值，即Iio=IB1- IB2（顯然：Iio的存在將使輸出端零點偏移! 信號源阻抗越高，失調(diào)電流的影響越嚴(yán)重）2.3 共模抑制比K C M R表征運放對共模信號抑制能力的參數(shù)叫共模抑制比! 用KCMR表示。KCMR定義為差模電壓增益Avd 和共模電壓增益Avc 之比，即KCMR = Avd/Avc。運放對

6、共模信號有很強的抑制能力。 24 開環(huán)放大倍數(shù)的測量即輸出電壓與輸入電壓的比值。六、電路設(shè)計3.1 失調(diào)電壓VIO測量電路輸入失調(diào)電壓的測量原理如圖1所示：圖中直流電路通過RI和RF接成閉合環(huán)路， 通常RI的取值不超過100歐測量電路：測量方法：根據(jù)輸入失調(diào)電壓的定義得：3.2 失調(diào)電流IIO測量電路測量電路：和上面一樣，則：3.3 共模抑制比KCMR 測量電路測試原理如圖所示,由于RFRI，電路對差模信號的增益很大，該閉環(huán)電路對差模信號的增益AvD= RF/RI。共模信號的增益AvC= （VO/VS)。因此，只要從電路上測出VO 和VS，即可求出共模抑制比KCMR = Avd/Avc34 開

7、環(huán)放大倍數(shù)的測量 測量電路如圖。實際的測量電路：由于考慮到輸出處會有自激震蕩產(chǎn)生，因此在OP177的輸出口和正向輸入端加上一個電容，用以消除自激震蕩的影響。實現(xiàn)各個測量電路的轉(zhuǎn)換，我使用繼電器、通過單片機對引腳的置位來改變開關(guān)的通斷以及接通的相應(yīng)電路。S1、S2閉合，S3、S4接地時，測量失調(diào)電壓；S1、S2斷開，S3、S4接地時，測量失調(diào)電流；S1、S2閉合，S3接信號源，S4接地時，測量共模抑制比；S1、S2閉合，S3接地，S4接信號源時，測量開環(huán)放大倍數(shù)。以下為其他模塊的電路：1整流轉(zhuǎn)換電路：2單片機控制及液晶顯示模塊電路：3信號發(fā)生電路電路總圖:畫圖原理圖中存在的問題： 由于原理圖的元

8、件庫中沒有ADS1110、繼電器、ICL8038等元件，因此這些元件都需要自己手動畫元件，這也是畫圖中存在的最大問題。要將該元件的引腳與實際元件的引腳要對應(yīng)?？梢哉f，在畫原理圖的過程中沒有存在很大的障礙。六、軟件仿真仿真軟件使用的是multisim2001。在明確了軟件以后，就著手進行各個部件的仿真。由于集成運放性能參數(shù)測試儀的核心內(nèi)容為測量電路部分，控制以及整流部分對于電路來說只是起到一個輔助和提高測量準(zhǔn)確度的作用，因此，仿真內(nèi)容的重點也在于此。本次仿真只針對測量電路進行，驗證測量電路方案的準(zhǔn)確與否。下面就對四部分測量電路進行仿真。仿真內(nèi)容中的被測量集成運算放大器為LM741，將測量結(jié)果與L

9、M741元件的提供參數(shù)作對比，即可以對比測量的參數(shù)與元件所給的參數(shù)是否相同或接近，從而確定測量電路是否正確，以及電路測試參數(shù)的準(zhǔn)確性。下面開始仿真。1輸入失調(diào)電壓的仿真：如圖所示，即為輸入失調(diào)電壓的仿真電路以及輸出量。輸出電壓為VE=0.513V，Ri=100歐，Rf=51K歐則根據(jù)輸入失調(diào)電壓計算公式：（VE即為如圖所示的輸出電壓）輸入失調(diào)電壓為1.00mV 。LM741的元件手冊提供的輸入失調(diào)電壓的標(biāo)準(zhǔn)值為1mV，則測量結(jié)果在LM741提供的參數(shù)范圍之內(nèi)。可以采用這個測量電路測量輸入失調(diào)電壓。2輸入失調(diào)電流仿真：如圖所示，即為輸入失調(diào)電流的仿真結(jié)果以及輸出量根據(jù)輸出失調(diào)電流的測量公式Ri=

10、100歐，Rf=51K歐，VE2就是圖中電壓表所示的電壓值。VE2也為測量的值，11.979VVE1為輸入失調(diào)電壓測試電路中的輸出值。VE1=0.513V計算得輸入失調(diào)電流Iio=44.0nA。LM741的元件手冊提供的輸入失調(diào)電流的范圍20nV-200nV，則測量結(jié)果44.0nA在LM741提供的參數(shù)范圍之內(nèi)?？梢圆捎眠@個測量電路測量輸入失調(diào)電流。3開環(huán)電壓增益的仿真。電路如圖：根據(jù)開環(huán)放大倍數(shù)的計算公式計算結(jié)果在誤差范圍內(nèi)。Vs為輸入信號的電壓值，VE為輸出的電壓值，R1=R2=30K歐，Ri=100歐，Rf=51K歐。Vs=4V,VE=6.548mV。由于輸入信號電壓顯示的是最大值，因此

11、計算時必須將它轉(zhuǎn)化為有效值，則Vs=2.83V。代入公式計算后，計算得AVD=106.88dbLM741的元件手冊提供的開環(huán)放大倍數(shù)的范圍50db-200db，則測量結(jié)果106.88db在LM741提供的參數(shù)范圍之內(nèi)?？梢圆捎眠@個測量電路測量開環(huán)放大倍數(shù)。4共模抑制比測量仿真測量結(jié)果如圖根據(jù)共模抑制比的測量公式：Vs有效值為2.83V，Ri=100歐，Rf=51K歐。代入公式，計算得KCMR=93.1dbLM741的元件手冊提供的共模抑制比的最小值為70db，標(biāo)準(zhǔn)值為90db，則測量結(jié)果93.1db接近標(biāo)準(zhǔn)值，在LM741提供的參數(shù)范圍之內(nèi)?？梢圆捎眠@個測量電路測量開環(huán)放大倍數(shù)。仿真過程中存在

12、的問題：在開始時，我碰到了電阻參數(shù)不匹配的問題，一級運放的電阻原來為100K歐，但是仿真結(jié)果與指標(biāo)差別很大，因此我就將該電阻減小為51K歐，并將其他相關(guān)電阻均減小1倍，之后得出的參數(shù)就符合指標(biāo)了。由于沒有考慮到輸出處會有自激震蕩產(chǎn)生，結(jié)果造成共模抑制比的測量中存在了很大誤差，在多次測試，最后決定在OP177的輸出口和正向輸入端加上一個電容，消除了自激震蕩的影響，保證了輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性。電路仿真的心得：通過對上述四個測量電路的仿真，我得出的結(jié)論是，這些測量電路測量出來的結(jié)果符合設(shè)計要求?？梢哉f，此測試儀的最核心部分測試電路完全可以采用上面所述的四個測量電路的方案。但是，在測試過程中也存在一些小問

13、題，通過仿真也發(fā)現(xiàn)了原先測量電路中存在的不足之處，例如：由于沒有考慮到輸出處會有自激震蕩產(chǎn)生，結(jié)果造成共模抑制比的測量中存在了很大誤差，最后在OP177的輸出口和正向輸入端加上一個電容，消除了自激震蕩的影響，保證了輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過對電路的仿真，我得以修正和優(yōu)化原先的測量電路，使得測量電路更加完整、精確，為成功做板以及硬件和軟件的調(diào)試打下堅實的基礎(chǔ)！七元件清單下列元件為需要購買的元件清單王凱的元件清單中文名稱功能英文名稱封裝數(shù)量備注串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器16位AD轉(zhuǎn)化ADS1110SOT23151單片機單片機STC89C52R2DIP401可調(diào)三端穩(wěn)壓集成電路三端穩(wěn)壓LM337TO-2201可調(diào)三

14、端穩(wěn)壓集成電路三端穩(wěn)壓LM317TO-2201波形發(fā)生器波形發(fā)生器ICL8038DIP141運算放大器放大OP177DIP81繼電器開關(guān)5直流吸合電壓5V三極管放大8050TO-92B5按鍵按鍵4*3mm5100歐電阻電阻0.25WAXIAL0.42510K歐電阻電阻0.25WAXIAL0.4251K歐電阻電阻0.25WAXIAL0.4230K歐電阻電阻0.25WAXIAL0.4215K歐電阻電阻0.25WAXIAL0.4182K歐電阻電阻0.25WAXIAL0.41200K可調(diào)歐電阻電阻0.25WAXIAL0.4110K歐電阻電阻0.25WAXIAL0.4810K歐可調(diào)電阻電阻0.25WAX

15、IAL0.411K歐電阻電阻0.25WAXIAL0.41電容無極電容100nFRAD0.11電容無極電容30pFRAD0.12電容無極電容3300pFRAD0.11電容有極電容1uFRB.2/.42電容有極電容100uFRB.2/.41電容有極電容0.1uFRB.2/.416MHz晶體震蕩器晶體震蕩器6MHzXTAL11二極管二極管1N4148DIODE0.42液晶顯示模塊液晶顯示16021插針插針40顆芯片插座插芯片DIP401三端穩(wěn)壓集成塊穩(wěn)壓7805TO-2201三端穩(wěn)壓集成塊穩(wěn)壓7812TO-2201三端穩(wěn)壓集成塊穩(wěn)壓7912TO-2201精密可調(diào)電位器5K可調(diào)電位器SIP31運算放大

16、器放大OP07DIP82八系統(tǒng)硬件設(shè)計 電路的PCB設(shè)計測量電路模塊主要芯片為兩塊集成運放（其中一塊為待測的運放）和四個繼電器。電源模塊主要部分是穩(wěn)壓器7805、7812、7912以及6個電解電容。液晶顯示和控制模塊主要部分為單片機、液晶顯示1602和四個控制按鍵五個三極管等。信號發(fā)生模塊主要芯片是波形發(fā)生器ICL8038，運放。整流轉(zhuǎn)換模塊主要部分是ADS1110和一塊運放。PCB總圖 PCB板的設(shè)計心得：我的這塊板的大小為12.5CM12.2CM，和其他同學(xué)的分模塊制板再通過連線連接的方案相比，我的這塊板要小很多。對于元件的排列和布置，我本著“屬于同一模塊的元件盡量排列在一起”的原則布置，

17、最后再將四個模塊靠近，這樣不僅做到了各模塊排列清晰，一目了然，而且這樣排列更能方便各模塊的分開調(diào)試。圖中，左下角為液晶顯示和電路控制模塊，右上角為測量電路模塊，右邊為整流轉(zhuǎn)換模塊，右下角為信號發(fā)生電路，上方為電源穩(wěn)壓模塊。我的PCB方案將所有元件和模塊集成在一塊板上，避免了各個模塊間的連線調(diào)試以及模塊間協(xié)同工作的可靠性的問題，做到了實用性和美觀的統(tǒng)一。因為不需要考慮高頻信號的干擾，所以元件間的距離間隔可以盡量調(diào)小，并且大膽使用了一定量的跳線。最后，我在板的地線上覆銅，不僅進一步減少了干擾，而且使板更為美觀，同時也為焊板降低了一定的難度。以實際做出來的板的效果來看，總體說來，我所畫的這塊PCB板

18、的效果還是很好的，在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題也不多，而且只要簡單修改就可以正常工作，我對此很滿意的。畫板過程中碰到的問題：有些元件的封裝，例如ADS1110、繼電器，在封裝庫內(nèi)并沒有給出；另外還有一些元件封裝在封裝庫內(nèi)沒有合適的，例如部分電解電容，所以這些元件的封裝都需要自己另外畫。元件引腳的位置、焊盤的大小必須與實際元件一致，否則會造成元件無法安插的板上的問題，而且焊盤的大小要適當(dāng)加大，在布線的過程中，應(yīng)盡量把線布粗，電源線和地線還要另外加粗。另外，為了能將板盡量地做小，我將原理圖中的四個模塊緊密排列，全部集成在一塊板上。由于所有的模塊都集成在一塊板上，所以做出的這塊板還是存在一點的不方便，比如

19、，一旦某個模塊出現(xiàn)問題，要做出修改就要相對麻煩一些，有時甚至?xí)婕暗狡渌K，在實際的電路調(diào)試中我就盡量少地把改動涉及到其他模塊。 九系統(tǒng)的軟件設(shè)計 1程序設(shè)計流程圖： 2程序清單：程序采用C語言編譯，根據(jù)單片機的特性，我盡量不使用浮點數(shù)。#includesbit K0=P24;/定義開關(guān)K0的引腳編號sbit K1=P25;/定義開關(guān)K1的引腳編號sbit K2=P26;/定義開關(guān)K2的引腳編號sbit K3=P27;/定義開關(guān)K3的引腳編號sbit SD0=P00;/對應(yīng)繼電器1的輸出口引腳sbit SD1=P01;/對應(yīng)繼電器2的輸出口引腳sbit SD4=P02;/對應(yīng)繼電器5的輸出口

20、引腳sbit SD2=P03;/對應(yīng)繼電器3的輸出口引腳sbit SD3=P04;/對應(yīng)繼電器4的輸出口引腳sbit SCL=P05;sbit SDA=P06;sbit E=P30;sbit RW=P31;sbit RS=P32;unsigned char code JP=0xc6,0xce,0xdd,0xbc,0xde,0xdd,0xa4,0xbc,0xdd,0xc3,0xde,0xb8,0xda,0x21,0x00;unsigned char code EN=zaku,kohaku;unsigned char code SRSTDY=V_offset=;unsigned char code

21、 SRSTDL=I_offset=;unsigned char code KHZY=A_ol=;unsigned char code GMYZB=CCMR=;void initial(void);void clear(void);void display(unsigned char pos,unsigned char word);void set(unsigned char cmd);void delay(unsigned char t);void k0(void);void k1(void);void k2(void);void k3(void);unsigned char c;void m

22、ain(void) unsigned char i; P2=0xff; c=0x80; initial(); i=0; while(JPi) display(0x80+i,JPi);i+; i=0; while(ENi) display(0xc0+i,ENi);i+; while(K0&K1&K2&K3); clear();if(K0&K1&K2&K3)/檢測是否有按鍵按下 delay(0xff);delay(0xff);if(!K0) k0(); if(!K1) k1(); if(!K2) k2(); if(!K3) k3(); goto L;void initial() /液晶模塊初始化

23、clear(); set(0x38); set(0x0c); set(0x10); clear();void clear(void) /復(fù)位子程序 unsigned char t0; t0=0x40; P1=0x01; RS=0; RW=0; E=0; while(t0-) delay(0xff); E=1;void display(unsigned char pos, unsigned char word) /液晶顯示子程序 set(pos); P1=word; RS=1; RW=0; E=0; delay(16); E=1;void set(unsigned char cmd) P1=cm

24、d; RS=0; RW=0; E=0; delay(16); E=1;void delay(unsigned char t)/延時子程序 while(t-);void k0(void) /測量失調(diào)電壓 unsigned char i; delay(0xff); SD0=1; SD1=1; SD2=1; SD3=1; SD4=0; while(SRSTDYi) display(0x80+i,SRSTDYi);i+; int a,b,c;c=100*a;b=c/(51000+100);display (0xc0,b);/在第二行顯示輸入失調(diào)電壓 void k1(void)/測量失調(diào)電流 unsig

25、ned char i; delay(0xff); while(SRSTDLi) display(0x80+i,SRSTDLi);i+; SD0=1; SD1=1; SD2=0; SD3=0; SD4=0; delay(0xffff); SD0=1; SD1=1; SD2=0; SD3=0; SD4=1; int a,b,c,d,e;d=100*a;e=100*b;c=(d-e)/(51000+100);display (0xc0,c);/在第二行顯示輸入失調(diào)電流的結(jié)果 void k2(void) /測量開環(huán)增益 unsigned char i; delay(0xff); while(KHZYi

26、) display(0x80+i,KHZYi);i+; SD0=0; SD1=1; SD2=1; SD3=1; SD4=0; int a,b,d,c; c=a*100; b=511*c/283; /d=20*log 10 b; display (0xc0,d);/在第二行顯示開環(huán)增益的結(jié)果 void k3(void)/測量共模抑制比 unsigned char i; delay(0xff); while(GMYZBi) display(0x80+i,GMYZBi);i+; SD0=1; SD1=0; SD2=1; SD3=1; SD4=0; int a,b,c; c=1000*a; b=(51000+100)*c/; display (0xc0,b);/在第二行顯示共模抑制比十系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)方案要求，系統(tǒng)調(diào)試分三大過程，硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、軟件和硬件聯(lián)調(diào)。1 硬件調(diào)試：由于電路的各個模塊都集成于一塊板上，為方便電路中各模塊的調(diào)試，我采