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本文相关ADI器件：AD9835
摘要：该集成运放综合参数测试仪是以凌阳公司SPCE061A单片机为控制核心，由检测电路、信号源、自动测试控制电路、键盘和LED显示器等组成。它能对LM741及与之引脚兼容的其他集成运放（例如μA741、F007、F741）的基本参数UIO、IIO、AVD、KCMR及BWG进行测试和数字显示，并具有语音播报、自动打印功能。利用DDS芯片AD9835产生40kHz～4MHz扫频信号以及测试仪中的5Hz信号。程序设计采用C语言与汇编语言相结合的方式，在unSP IDE 1.16.1软件环境中编程实现。
关键字：SPCE061A 集成运放 DDS
一、方案论证
1、主控制器
方案一：采用89C51单片机。89C51 I/O端口较少，与微型打印机、信号源、键盘与显示电路、A/D转换电路的接口电路比较复杂；若需要语音功能，还需增加专门的语音芯片，外围电路比较烦琐。
方案二：采用凌阳SPCE061A单片机。该单片机内置A/D转换模块，在32个I/O口中，有8个端口可以作为模拟量输入端口（其中1路为音频信号输入口），能满足对模拟信号输入的要求，简化外围电路设计；具有两路DAC、14个中断源等丰富的硬件资源；其集成开发环境中还配有语音播放函数，实现语音播放功能极为简单。另外，该芯片内置了在线仿真、编程接口，可方便地实现在线调试。
经过比较后采用方案二。
2、信号源
根据题目要求，测试用的信号源应输出5Hz、有效值为4V的正弦波信号，频率与电压误差绝对值均小于1%。要求扫频信号源输出频率范围是40kHz～4MHz，频率误差绝对值小于1%，输出电压的有效值为2V±0.2V。
方案一：利用单片集成的函数发生器MAX038可产生正弦波﹑方波﹑三角波，通过调整外部元件可改变输出频率。但采用该芯片，其参数与外部元件相关，在外接电阻、电容等的影响下，产生的频率信号稳定度差﹑精度低，且低频信号失真较大。由于其采用模拟控制方式，如果要实现扫频信号输出，不但需要加高精度D/A转换电路，而且由于频率变化范围宽，还需要增加量程切换电路和相应控制电路和软件；步长精度难以保证；制作成本较高。
方案二：采用直接数字频率合成（DDS，Direct Digital Frequency Synthesizer）技术。DDS技术是根据奈奎斯特（Nyquist）抽样定律及数字处理技术，把事先对模拟周期信号抽样得到的一系列数字信号存入存储器中，再通过DAC转换成模拟信号来完成频率合成的。由于DDS采用全数字方式实现频率合成，直接对参考正弦波时钟进行抽样和数字化，然后通过数字计算技术进行频率合成，因此具有模拟频率合成技术无法比拟的优点。DDS不仅频率转换速率快、频率分辨率高、相位噪声低、输出相位可连续变化，而且易编程，体积小、功耗低。DDS直接频率合成器件的诸多优点使其逐渐成为未来信号源发展方向。方案拟采用DDS专用集成芯片AD9835。它的串行控制方式，使电路简单、编程方便；内部有一个32位相位累加器，用于存放频率控制字，可实现1Hz的频率调节。
综上所述，采用DDS专用芯片不仅可实现精密正弦信号发生器的优化设计，而且给调试工作带来极大的方便，经反复论证，本设计采用方案二。
二、详细软硬件设计
本系统框图如图2.1所示。系统以SPCE061A为控制核心，外接键盘与显示模块、单位增益带宽测试电路、运放参数测试电路、由AD9835构成的DDS信号源以及打印机等。系统硬件连接图如图2.2。
图2.1 集成运放综合参数测试仪的系统框图
图2.2 系统硬件连接图
1、硬件设计
（1）单片机系统设计
采用凌阳公司的单片机开发系统--SPCE061A精简开发板（61板）。61板上集成了基本的外围电路，并引出了必要的一些口例如I/O口，电源插口等，可以很方便地和其他模块连接。
LED显示器采用串行工作方式，8片74HC595型高速COMS串/并行输出芯片工作在静态显示模式。
（2）运放参数测试电路
输入失调电压、失调电流等参数的测试原理如图2.3所示。
图2.3 运放参数测试电路原理图
a） 输入失调电压UIO
由于运放电路参数的不对称，使得两个输入端都接地时输出电压不为零，称之为放大器的失调。为使输出电压回到零点，必须在输入端加一个纠偏电压来补偿这种失调，这个纠偏电压就叫运算放大器的输入失调电压UIO。因此，UIO的定义为使输出电压为零时，在两个输入端之间加的直流补偿电压。输入失调电压的测量原理如图2.3所示，此时应将S1、S2闭合，将S3、S4均拨到左边位置（接地）。通常Ri值不超过100Ω，因此Rf>>Ri。这时若测得辅助运放A的输出电压为ULO，利用题目要求的公式即可推算出输入端的失调电压。
b） 输入失调电流IIO
IIO的定义为补偿失调电压后，使输出电压为零时，流入运算放大器两输入端的电流差值。测试原理仍用图2.3，将S3、S4均拨到左边位置。测试分两步进行：第一步是将S1、S2闭合，测得输出电压为ULO，这时的电路与测试输入失调电压完全相同。第二步是将S1、S2都断开，此时运放的两个输入端上除失调电压UIO之外，还有输入电流在电阻上所产生的电压，只要测得辅助运放的输出电压为UL1，利用题目要求的公式即可根据公式计算出输入失调电流值。
c） 交流差模开环电压增益AVO
开环电压增益是指放大器在无反馈时的差模电压增益，其数值等于输出电压的变化量ΔUo与输入电压的变化量ΔUI之比。由于Avo很大，输入信号很小，而且输入电压与输出电压之间还存在相位差，很容易引起较大的测试误差，因此在测试开环电压增益时都采用交流开环、直流闭环的方法。测试原理如图2.3所示，应将S3拨到左边位置，S4拨到右边位置，将S1、S2均断开。设信号源输出电压为US，测得辅助运放输出电压为UL0，利用题目要求的公式即可用公式计算交流差模开环电压增益。
d） 交流共模抑制比KCMR
共模抑制比（KCMR）定义为差模电压增益AVD与共模电压增益AVC之比，即KCMR＝∣AVD/AVC∣。KCMR的大小不仅与频率有关，还与输入信号大小和波形有关，因此测量频率不宜太高，信号不宜过大。其测试原理如图2.3所示，将S3拨到右边位置，S4拨到左边位置，将S1、S2均断开。设信号源输出电压为US，测得辅助运放输出电压为UL0，利用题目要求的公式即可算出交流共模抑制比。
（3）DDS信号源
DDS信号源由相位累加器、余弦存储器（即余弦ROM表）、数/模转换器等组成，其框图如图2.4所示。参考时钟由一个高稳定度的50MHz晶体振荡器来产生，用它来同步整个合成器的各个组成部分。
图2.4 DDS信号源的框图
DDS芯片AD9835的典型应用电路如图2.5所示。单片机与AD9835串行连接时，三个端口（IOA1～IOA3）分别作为时钟端、数据输入端和片选端，由单片机向AD9835写入控制字和数据，最终实现产生正弦信号的目的。
图2.5 AD9835的典型应用电路
（4）单位增益带宽测试电路
运放的单位增益带宽（BWG）是使开环增益Aod下降到零分贝（亦即Aod＝1，运放失去电压放大能力）时的信号频率。单位增益带宽测试电路由待测运放和电压比较器这两部分电路组成，如图2.6所示。其中VD1、C1、R1与VD2、C2、R2组成两个峰值检波电路。由DDS产生的正弦信号UIN经过被测运放进行放大，形成信号UC。运放的增益是随信号的频率变化而变化的，即输入信号的频率越低，其增益越高。UIN的频率较低时UC的值比UIN高很多，UIN与UC经过峰值检波、比较器比较之后，使输出端为低电平。随着输入信号频率的升高，运放的增益逐渐减小，UC的幅值也随之减小，当Aod下降到零分贝时，比较器的两个输入信号UA＝UB，比较器就输出一个电压正跳变，经过稳压管稳压后在输出端形成一个+5V的高电平，送至单片机，此时的频率即为被测运放的单位增益带宽。由于集成运放的Aod比较大，为便于测试，应当给被测运放引入适当的负反馈。
图2.6 单位增益带宽测试电路
2、软件设计
在主程序中，主要根据键值做相应的处理。主程序流程图如图2.7所示。
图2. 7 主程序流程图
三、测试说明
1、UIO、IIO、AVD、KCMR的测试方法
从电路中引出一条模拟信号输出线（即辅助运放输出端）与SPCE061A的IOA0端口相连，将模拟信号转换成所需要的数字信号。具体方法如下：对输入的低频模拟信号进行1kHz的采样，每500个抽样点为一组，每两个相邻抽样点之间进行信号跳变处理，取完五百个抽样点进行比较，取该组中最大值存于数组中，这样连续取16组，并取数组中数据的平均值。即可得到辅助运放输出端电压的峰-峰值。然后利用题目要求中的公式即可计算出输入失调电压、输入失调电流、交流差模开环电压增益、交流共模抑制比等参数值。
2、测试数据
测试UIO、IIO、AVD、KCMR的数据见表3.1。测量值与标准值的误差比较见表3.2，这里的标准值是由专用集成运放测试仪测得的。
表3.1 测试UIO、II0、AVD、KCMR的数据
|
次数 |
测 量 值 |
计 算 值 |
|
U L0 /V |
U LI /V |
U L0 /V |
U L0 /V |
U IO /mV |
I I0 /nA |
A VD /dB |
K CMR /dB |
|
1 |
0.623 |
2.22 |
0.602 |
1.42 |
0.523 |
1.332 |
106.0 |
98.5 |
|
2 |
0.628 |
2.31 |
0.614 |
1.41 |
0.522 |
1.301 |
105.8 |
98.6 |
|
3 |
0.624 |
2.31 |
0.620 |
1.49 |
0.520 |
1.322 |
105.7 |
98.1 |
|
4 |
0.636 |
2.18 |
0.610 |
1.48 |
0.523 |
1.299 |
105.9 |
98.2 |
|
5 |
0.621 |
2.14 |
0.618 |
1.44 |
0.524 |
1.298 |
105.8 |
98.4 |
表3.2 测量值与标准值的比较
|
测 试 芯 片 |
测 量 值 |
标 准 值 |
误 差 |
|
U IO /mV |
0.522 |
0.513 |
+1.76% |
|
I I0 /nA |
1.308 |
1.298 |
+0.77% |
|
A VD /dB |
105.8 |
104.1 |
+1.7 dB |
|
K CMR /dB |
98.4 |
99.8 |
－ 1.4 dB |
信号源的输出频率范围及输出电压有效值见表3.3。
表3.3 信号源的输出
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标准频率/Hz |
实测频率/Hz |
误差/（%） |
有效值/V |
|
1 |
0.999 |
0.01 |
2.1 |
|
100 |
99.9 |
0.1 |
2.1 |
|
1k |
0.994k |
0.6 |
2.0 |
|
10k |
9.98k |
0.2 |
2.0 |
|
100k |
100 k |
0 |
1.8 |
|
1M |
1M |
0 |
1.9 |
|
4M |
4M |
0 |
1.8 |
增益带宽的测量数据见表3.4。
表3.4 增益带宽的测量数据
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标准值 / MHz |
次 数 |
测 量 值 / MHz |
|
1.401 |
1 |
1.401 |
|
2 |
1.402 |
|
3 |
1.402 |
四、结论
（1）该集成运放参数测试仪能对UIO、IIO、AVD、KCMR四项基本参数进行准确测试。其中UIO的测试范围是0～40mV，误差绝对值小于2%。II0的测试范围是0～4μA，误差绝对值小于2%。AVD的测试范围是60～120dB，误差绝对值小于3dB。KCMR的测试范围是60～120dB，误差绝对值小于3dB。
（2）DDS信号源能输出频率为5Hz、有效值为4V的正弦信号，误差绝对值满足小于1%的设计要求。扫描信号源的频率输出范围是1Hz～5MHz，频率误差小于0.8%。输出电压有效值为2V±0.2V。用示波器观察输出波形无明显失真。
（3）测量单位增益带宽的范围是100kHz～5MHz，测量时间小于10s，频率分辨率为1kHz。
（4）该仪器还能自动打印并用语音准确播报测量结果。
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