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集成运放参数测试仪
(B题)
设计报告
参赛学校:扬州大学
学院:信息工程学院
作者:刘中奇 张传法 邱玉强
集成运放参数测试仪(B题)
摘 要:本设计采用AT89C55WD单片机和可编程逻辑器件(FPGA)作为其测试和控制核心,能够测试通用运放的基本参数并实现自动量程转换等功能。运放测试电路参照了任务书中所给电路,用单片机控制继电器进行切换,可编程逻辑器件FPGA控制A/D采样,单片机实现顶层的控制,使整个系统能够协调工作,以完成题目要求。另外,本设计也对发挥部分进行了一定的设计,完成了增益带宽测试和自动循环测试功能。设计中采用了模块化设计方法,提高了设计和调试效率。
关键词:集成运放,可编程器件(FPGA),单片机(AT89C55WD),继电器
1. 系统方案选择和论证
1.1系统基本方案
根据题目要求,系统可以划分为控制模块、测试模块和信号源模块。模块框图如图1.1.1所示。为实现各模块的功能,分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。
图1.1.1 测试仪的基本模块方框图
1.1.1各模块方案选择和论证
(1) 控制器模块
根据题目要求,控制器主要用于控制测试电路的切换、、(现场可编程门阵列)作为系统的控制核心。FPGA可以实现复杂的逻辑功能,规模大,密度高,它将所有器件集成在一块芯片上,减小了体积,提高了稳定性,并且可应用EDA软件仿真、、(AT89C55)和复杂可编程逻辑器件(FPGA)共同作为系统的控制核心。单片机实现顶层控制和数据处理,FPGA实现底层控制。在单片机的管理下,由复杂可编程逻辑器件FPGA完成具体的操作,例如对信号的采样和存储,信号源的控制;而单片机实现对FPGA及整个测试仪的管理,例如选择所要测试的运放参数;数据处理;键盘选择显示参数,等等。这样可以结合两者的优点,使两者有机的结合起来。减少每个部分的工作量。基于以上分析,因此本设计采用方案三。初步拟定控制器的组成如图1.1.2虚线框内所示。
图1.1.2 控制器框图
(2)参数测试模块
本模块主要用于运放参数的测量,输出的是模拟量。所要测试参数的电路具有一定的共同点,所以可考虑用开关进行切换,以达到不同的功能。
因此,在设计过程中主要考虑的是能否有效的切换到各参数测量电路中,对于开关的选择有以下三种方案。
方案一:用拨号开关来实现电路的切换。拨号开关是完全的用人工进行控制。由于本模块中采用了较多的切换器件,在电路中容易产生混乱,而且如果要做到完全统一调度也是非常困难的,由于是手动控制,效率是非常低的。
方案二:用模拟开关来实现电路的切换。模拟开关可以由单片机来控制其通和断,但是,模拟开关在进行切换的时候,会有一些分布参数,例如模拟开关的内阻和分布电容等参数,又因为信号的幅度很小,如果这些参数比较大,就会严重影响到信号。
方案三:用继电器来实现电路的切换。继电器可以用集成芯片SN75451来驱动继电器以实现电路的通断。12V直流驱动的继电器的触发电阻≤50mΩ(3) 信号调理模块
模拟信号输出是一低频信号,且存在有一定的干扰,特别是50Hz交流电及其高次谐波的影响较大,所以要采用具有最大平坦响应的巴特沃斯二阶RC有源低通滤波器来进行信号的条理。
当测时,扫频信号的频率范围是40kHz~ (4) 信号源模块
① 测试信号源产生模块
在进行、测试的时候,需要接输出频率为5Hz、输出电压有效值为4V
的正弦波信号,这就要求设计此模块,有以下三种方案。
方案一:用晶体振荡电路产生符合要求的正弦波信号。晶体可以产生非常稳定的正弦波信号,但是,要求的是输出频率为5Hz、输出电压有效值为4V,对于低频而言,晶体是很难做到这么精确的指标。
方案二: 用555定时器产生符合要求的正弦波信号。因为测试信号源的精度要求很高,而555定时器的电阻和电容的取值将影响到输出脉冲的宽度,随着的宽度的增加,它的精度和稳定度也将下降。由于是要求输出频率为5Hz,的宽度将会很大,这就会严重影响到精度和稳定度。
方案三:用FPGA和D/A转换器产生符合要求的正弦波信号。频率精度很高,而且
稳定度也很高。由于要求的频率很低,所以一般的D/A转换器就可胜任。符合任务中
的要求。所以,基于以上分析,拟定方案三。框图如图1.1.3所示。
图1.1.3 测试信号源产生框图
② 扫频信号源模块
由于任务要求制作一信号源,且输出频率范围为40kHz~%,电
压有效值为2V±0.2V有以下两种方案可供选择:
方案一:用专门的DDS芯片做符合要求的扫频源。由于芯片的成本很高,而且市场供应不足。所以
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