DDS集成运放测试仪研究与设计

杨春光,刘海成,邢敬娓

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

DDS集成运放测试仪研究与设计

杨春光,刘海成,邢敬娓

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

为了提高运放参数测试精度，保证选择运放元件准确性，设计一款以DDS为基础的集成运放测试仪。测试仪以ATmage16为控制核心，采用DDS扫频技术，通过设计的运放参数测量电路、峰值检波电路和人机接口电路等完成对运算放大器直流输入失调电压、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的测量和计算，应用闭环测试原理和二阶巴特沃斯低通滤波器技术，最后通过LCD显示结果。测试仪突破模拟合成法的原理，可以实现不同频率、相位的任意波形，并且各种参数均可通过编程实现，具有测量精度高、性价比高、操作简单、人机界面友好等特点。

集成运算放大器；DDS；参数；测量电路

随着电子技术的发展，测量仪表正朝着数字化和智能化方向发展[1]，集成运算放大器简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路，在集成运放的输入与输出之间接入不同的反馈网络，可实现不同用途的电路，集成运放参数影响着它的性能，不同的设计对参数的要求不同，只有精确了解每种型号运放的各个不同参数，才能有效地进行设计，不浪费指标，减小成本，而传统测试需要人工手动操作台式仪器,当需要测量多个参数且多次连续测量时,需要多名人员喊口令操作多台仪器，很难保证测试的准确性和可靠性[2]，浪费大量的人力、物力和时间，而且集成运放参数测定对研发人员和技术仪器提出更高的要求，运放测试仪的校准面临严峻挑战。因此，提高运放测试仪的测试精度，保证运放器件的准确性是目前应解决的关键问题。

1 系统方案设计

集成运放参数包括直流输入失调电压(VIO)、输入失调电流(IIO)、交流差模开环电压增益(AVD)、交流共模抑制比(KCMR)、单位增益带宽(BWG)、输入偏置电流(IIB)、最大输出电压(UOPP)、最大共模输人电压(UICM)、最大差模输人电压(UIDM)、开环带宽(BW)以及等效输入噪声(UN)等参数。设计选用了基本参数(VIO，IIO，AVD，KCMR)以及单位增益带宽(BWG)进行测量[3]。

采用闭环测试原理[4]测量集成运放的VIO，IIO时，不需要扫频信号，只需将被测运放切换到测试电路，然后采集辅助运放的输出电压，设计选用单片机内部A/D，参考源是内部默认的2.56 V，并采用一个电压衰减电路，将电压衰减为原来的1/4，这样A/D就可以采回正确的数值，计算出VIO，IIO。在测量AVD，KCMR时，设计采用一个精密整流电路，当输入信号为正时，输出信号也为正，当输入信号为负时，输出信号为负信号的绝对值。在精密整流电路后接一个二阶巴特沃斯低通滤波器[5]，滤除高频及50 Hz工频干扰，得到纯净的5 Hz正弦信号。其系统结构如图1所示。

在测量单位增益带宽时，设计采用一个高精度高频率输出的扫频信号源。并采用一个信号放大系统，对高频信号进行无失真放大，放大后的信号峰值为1.2 V。由于与测量基本参数时的扫频信号放大倍数不同，设计通过一个继电器即可方便地切换放大倍数。然后逐渐增加扫频信号源输出信号的频率，当比较器翻转时，扫频信号源的频率就是被测运放的单位增益带宽。其系统结构如图2所示。

图1 基本参数(VIO，IIO，AVD，KCMR)测量系统结构

图2 单位增益带宽测量系统结构

由于已经得到上述各个参数的测量电路，只要将被测运放放入各个参数测量电路中，利用单片机控制继电器，将被测运放切换到测量电路，实现VIO，IIO，AVD，KCMR以及单位增益带宽的测量[6]。综上所述，系统总体结构如图3所示。

图3 系统总体结构

2 硬件设计

2.1 扫频信号源设计

扫频信号源是集成运放参数测量系统中最重要的部件，提供测量AVD，KCMR的5 Hz正弦扫频信号，测量单位增益带宽时提供100 K～4 M的正弦扫频信号。目前，可提供扫频信号的方法很多，较为流行的DDS函数发生方法是一种纯数字化的方法[7]，由于DDS具有相对带宽很宽、频率转换时间短、频率分辨率高、全数字化结构便于集成等优点。突破了模拟合成法的原理，可以实现不同频率、相位的任意波形，并且各种参数均可通过编程实现。集成DDS函数发生芯片种类很多，由于输出频率范围等指标的不同，价格差异也较大，根据需要选择合适的芯片型号非常重要。根据DDS信号发生电路特点[8]及设计所要达到的指标和设计成本，选择ADI公司的AD9833作为扫频信号源的函数发生芯片,AD9833 具有功耗小 (20 mW)、外围电路简单、引脚少、可编程的特点, 通过编程能够产生方波、三角波、正弦波3种波形 , 输出频率从0～12.5 MHz，连续可调 , 信号频率分辨率可达到0.1 Hz[9]；选择S1和S2拨码开关作为信道切换路径。扫频信号源电路设计如图4所示。

图4 扫频信号源电路设计

2.2 精密整流电路

由于以ATmega16单片机为核心[10]，芯片A/D不能采集负电压，所以要将负电压变为正电压以便A/D进行采集。精密整流电路由两个运放组成，第一个运放实质上是一个反相放大器，其放大倍数为-1倍，因此,当输入电压大于等于0时，输出端电压为负的输入电压，但是当输入电压小于0时，由于有两个二极管的存在，根据运放的虚地特性会将运放输出电压拉到0，即

(1)

第二个运放组成一个反相加法器，其输入为Vi和Vo1，所以有

Vo=-Vi-2Vo1.

(2)

将式(2)代入式(1)可得

(3)

其电路原理如图5所示。

通过精密整流电路后，无论输入信号为正还是负，都输出正电压，这样单片机就可以正确地采集电压。

图5 精密整流电路原理

2.3 二阶巴特沃斯滤波电路

由前面的叙述可知，经过精密整流电路输出的信号虽然为正电压信号，但是会伴有大量的高频及较严重的50 Hz工频干扰，这样会使A/D采集的电压不准确。为了保证单片机处理数据的准确性，设计了23.4 Hz的巴特沃斯有源低通滤波电路，主要是保护5 Hz的信号不被衰减，也可以让50 Hz及以上的干扰信号进行衰减。

根据二阶巴特沃斯低通滤波器的截止频率计算公式：f=1/2πRC，这里R=6.8 K，C=10-6F，所以f≈1/2×3.14×6.8×103×10-6≈23.4 Hz。二阶巴特沃斯低通滤波器的电路原理如图6所示。

图6 23.4 Hz低通滤波器电路原理

将各个电路连起来就组成了基本参数测量电路，并形成了测量运放参数电路原理图。

3 软件设计

系统核心处理器为ATmega16，其任务是对系统进行控制并对采集数据进行处理。根据系统工作特点，程序采用结构化的软件设计方法[11]。上电后单片机首先对整个系统进行初始化，再读取按键信息，针对用户的需要选择进行基本参数测量或是单位增益带宽测量。对于基本参数测量时要根据需要测量哪个参数来选择是否需要输出扫频信号。与基本参数测量不同，单位增益带宽的测量要将多个频率的正弦信号逐一输出，形成扫频信号。两者虽然都是正弦信号，但是针对不同的参数测量需要会对正弦信号的输出做不同的处理。最后将各个参数的计算结果在液晶屏上将所需信息显示出来。系统主程序流程如图7所示。

图7 主程序流程

4 结束语

设计的测试仪突破了模拟合成法的原理，可以实现不同频率、相位的任意波形，并且各种参数均可通过编程实现，不仅人机界面友好，而且操作简单，所有功能都可通过4个按键进行选择，与市场上所出售的同类系统相比，系统功能更全面，克服了单纯具备基本参数测量功能的测试仪器或是单纯具有单位增益带宽测量功能的测试仪器的局限性，测试仪会根据用户所选择的测量方式自动调节测量电路和液晶界面，以最佳的方式将所测量的结果输出。

[1] 郝玉君，甘露.基于C8051F020 的集成运放参数测试仪设计[J].湖南农机，2010，37(3)：33.

[2] 殷贤华，梁光发.基于VXI总线通用型集成运放测试系统设计[J].计算机测量与控制,2010,187(12)：2735.

[3] 任瑞治.基于虚拟仪器的集成运放参数测试仪设计[D].长春：吉林大学,2006:22-27.

[4] 刘冲,于利红.集成运算放大器参数测试仪校准技术研究[J].宇航计测技术,2009，29(2)：38-39.

[5] 刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社,2008：251-258.

[6] 刘冲,于利红.集成运算放大器参数测试仪校准技术研究[J].宇航计测技术,2009，29(2)：38-39.

[7] 宋雁鹏.基于单片机和DDS的高频信号源的设计[J].电子世界,2015(13):131.

[8] 彭海军.基于DDS的信号相位同步设计技术[J].国外电子测量技术,2016，4：95.

[9] 张萍.基于DDS 的低频信号发生器的设计[J].自动化技术及应用,2016，35(6)：106.

[10] 费继友，陈东东.基于ATmega16 单片机的太阳能充电器设计[J].大连交通大学学报,2016，6：99.

[11] 冯喜,梁观胜.基于 ATmega16 单片机的数控稳压电源设计[J].电子测试,2016，21：13.

[责任编辑：郝丽英]

Design and research of parameter tester for integrated operational amplifier based on DDS sweep signal source

YANG Chungong,LIU Haicheng,XING Jingwei

(College of Electrical and Information Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050,China)

In order to improve the integrated operational amplifier parameters of the test accuracy, and guarantee the accuracy, a parameter tester for integrated operational amplifier based on DDS sweep signal source is designed.This tester, based on ATmage16, controls the core with DDS frequency sweep technique, through parametermeasuring circuit and peak detection circuit and man-machine interface circuit to measure and calculate DC input offset voltage, input offset current, AC differential mode open-loop voltage gain, the exchange of common mode rejection ratio and other parameters.It makes the application of closed loop testing principle and second-order butterworth low-pass filter technology，and the design selecting LCD as display unit. The tester, breaking through the simulation of the synthesis principle, can realize the arbitrary waveform of different frequency and phase, and various parameters can be realized by programming,which has the features of high accuracy, cost-effective, easy operation, friendly-interface and so on.

integrated operational amplifier; DDS; parameter; measurement circuit

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.03.009

2016-11-28

哈尔滨市优秀学科带头人项目(2015RAXXJ036)

杨春光(1975-)，女，讲师，研究方向：电器测试与磁场理论.

TM932

A

1671-4679(2017)03-0033-05