基于GB3442-82的集成运放参数测试仪设计

2014-12-29 09:59:34来源: eccn

1 引言

集成运放以其价格低廉、性能优越等特点在个人数据助理、通信、汽车电子、音响产品、仪器仪表、传感器等领域得到广泛应用。随着数字技术的不断进步和集成电路市场的发展.兼有模拟和数字集成电路的SOC或混合集成电路将越来越受重视。与此同时,集成运放参数的测定也将对研发人员和技术仪器提出更高的要求,传统的运放测试仪校准方案已不能满足市场特别是国防军工的要求.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。

2 系统方案论证

2.1 信号发生器方案论证

考虑到单片函数发生器的外接电阻电容对参数影响很大,因而产生的频率稳定度较差、精度低、抗干扰能力低,且不易控制;而采用数字锁相环频率合成技术,由于锁相环本身是一个惰性环节,锁定时间长,所以频率转换时间也会增加,同时频率受VCO可变频率范围的影响,频带不能做得很宽。这里采用直接数字频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis,简称DDFS或DDS)。DDS以Nyquist时域采样定理为基础,在时域中进行频率合成,图1为其基本原理框图。DDS基于相位累加合成技术,在数字域中实现频率合成,可输出高精度的频率信号,频率范围大、精度高、控制性能好且易实现。DDS专用集成器件基于DDS原理,具有转换速度快、分辨率高、频带宽等特点,可输出稳定的高频信号,但不适合产生低频信号。因此系统中5Hz低频信号由FPGA内部的DDS提供。



2.2 测量控制电路方案论证

为在同一电路中实现不同参数的分步测量及自动量程转换,需设计通断控制电路。因此,这里采用模拟开关。因存在导通电阻,在选通时该电阻加于电路,会带来测量误差;继电器导通电阻较小,但相对于模拟开关规模大、电路分布参数,容易引起闭环测试电路的寄生振荡;考虑到精度,系统选用继电器控制不同参数测试电路的自动转换,通过添加补偿电容来避免振荡,为避免输出波形失真,系统还采用三极管共发射极电路对继电器进行控制。2.3幅值检测方案论证方案1:数字方法。由A/D转换器采样后将数据送入FPGA进行峰值检测或有效值检测,该方式可提高精度和稳定度,且避免了模拟器件不稳定或漂移等因素的影响,但受 A/D转换器采样速率的限制,所处理的信号频率达不到很高。方案2:模拟方法。包括峰值检波和有效值检波。前者通过控制电容充放电速度实现,后者基于交流信号有效值定义式,采用模拟电路实现,典型有效值检测器件如AD637。系统在测量AVD、KCMR时,输出信号的交流分量频率为5 Hz,故采用方案1;测量增益带宽积BWG时,输出频率范围为40 kHz~4 MHz,故采用方案2。

根据以上方案论证,系统总体框图如罔2所示。系统主要由信号发生、参数测试、测试电路控制和人机交互等模块组成,单片机和FPGA共同控制模块。5 Hz信号由FPGA内部DDS产生,扫频信号由AD9851产生;测量电路的输出结果经后级滤波、放大处理后由A/D转换器采样送至FPGA进行运算;单片机和FPGA通过继电器选择以测量电路和测量量程;FPGA提供键盘和显示器以实现人机交互;测量结果存储在RAM中,并能通过微型打印机打印出来。



3 理论分析与主要电路设计

3.1 信号源的实现

5 Hz信号产生的参考频率为fCLK=1 MHz,相位累加器的位数是32,频率控制字为21 475,其输出频率则为(106/232)×21475≈5.000 038 1 Hz,而相对误差的绝对值为(5.000 038 1-5)/5×100%≈0.000 762%。5 Hz信号对D/A转换速率要求不高,为提高精度,系统选用12位D/A转换器件MX7541。

40 kHz~4 MHz扫频信号由DDS专用器件AD9851产生。通过对输出正弦波的频率进行步进控制可实现扫频输出。频率分辨率设为1 kHz,如果以1 kHz为频率步进值,则需要步进(4×106-40x103)/1 000=3 960次,而要求扫描时间小于等于10 s。扫描速度应大于等于10 s/3 960=2.525次/ms。考虑到实测器件的情况,为保证测量的可靠性,采用非等步长步进,即随着频率增加,步进量增加,在接近截止频率点时减小步进频率,保证频率分辨率为1 kHz。

在AD9851输出级接截止频率为15 MHz的椭圆滤波器来抑制高频谐波干扰,并通过AD603构成的AGC电路和精密调整放大电路使输出有效值稳定在2 V。

3.2 运放参数测试电路

系统采用“被测器件一辅助运放”模式构成稳定的负反馈网络。使输出电压箝位于预置电压,从而将小电压、小电流的测量转换为伏特级电压的测量。根据VIO、IIO、KCMR、BWG等5个参数测量电路的相似性将其简化为一个标准测量电路模板.通过按键选择不同参数的测量电路,如图3所示。



3.2.1 输入失调电压VIO、输入失调电流IIO的测量

闭合S1、S3、S4、S12,S2→3、S11→3,测得辅助运放的输出电压为VIO,则有:



在重复VIO测量步骤的基础上再断开S3、S4,测得辅助运放的输出电压为VLI,则有:



在测量VIO时,Ri=100 Ω,Rj=61.6 kΩ,其精度均为0.3%,由Ri和RF造成的最大误差小于0.6%;在测量IIO时,应满足:



系统选取R=436 kΩ,IIO~(0,4μA),VIO~(0,40 mV),以上两个条件均能满足。

3.2.2 差模开环交流电压增益AVD的测量

闭合S1、S3、S4、S10、S12,S2→3、S11→1,设信号源输出电压为VS,测得辅助运放输出电压为VLO,则有:



AVD的测量误差在很大程度上取决于电路中R1、R2的匹配精度,若匹配误差为δ=(R1-R2)/R2,δ1=(Rf-Ri)/Ri,则单纯由电阻失配引起的相对误差为△A VD="20" log(δ+1),该系统占为0.6%。

[1] [2]

关键字:集成运放  参数测量  单片机

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/1229/article_10470.html
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