基于DDS专用集成器件实现运放测试仪的测量系统设计

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威廉希尔官方网站 市场的发展．兼有模拟和数字集成威廉希尔官方网站 的SOC或混合集成威廉希尔官方网站 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 测量控制威廉希尔官方网站 方案论证

为在同一威廉希尔官方网站 中实现不同参数的分步测量及自动量程转换，需设计通断控制威廉希尔官方网站 。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威廉希尔官方网站 ，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、威廉希尔官方网站 分布参数，容易引起闭环测试威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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，采用模拟威廉希尔官方网站 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、测试威廉希尔官方网站 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；测量威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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 理论分析与主要威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 和精密调整放大威廉希尔官方网站 使输出有效值稳定在2 V。

3．2 运放参数测试威廉希尔官方网站

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个参数测量威廉希尔官方网站 的相似性将其简化为一个标准测量威廉希尔官方网站 模板．通过按键选择不同参数的测量威廉希尔官方网站 ，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威廉希尔官方网站 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％。

3．2．3 共模抑制比KCMR的测量

闭合S1、S3、S4、S10、S12，S2→1、S11→3、S13→1，设信号源输出电压为VS，测得辅助运放输出电压为VIO，则有：

KCMR的测量误差在很大程度上取决于威廉希尔官方网站 中待测运放两输入端电阻的匹配精度，若匹配误差为δ1，则单纯由电阻失配引起的相对误差为△KCMR=20log（δ1+1），δ1=δ。

4 系统测量与分析

利用该系统测量OP07、μA741、LF256等，运放器件的参数可在FPGA显示器上显示，后果表明，该测试仪测量精度高，符合设计要求，其中表1是测量OP07结果。

5 结束语

该系统完成了对运放参数VIO（0～40 mV）、IIO（0～4μA）、AVD（60～120 dB）、KCMR的测量，（误差分别为1％和±2 dB），而且还实现了BWC的测量和自动量程转换功能，其中扫频信号的步进频率为1 kHz，电压有效值为（2±0．1）V。系统通过FPGA提供键盘和显示器等人机交互界面。能准确实现对测量方式的控制及相关信息的显示，且增加触摸屏控制和打印测量结果功能，具有较好的可重复性和参考性。另外，在系统中通过对硬件的处理，消除了因使用继电器由环路正反馈带来的自激效应，进一步提高了系统稳定性。

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