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  甘肃省大学生电子设计竞赛设计报告 

　

　

　

　

　

           

 

   题        目： B题集成运放参数测试仪    

  学        校：      西北师范大学        

  参赛队员姓名： 周德泰 ，王国民 ，张文杰

  有效联系方式：       13519408136      

　

　

　

　

                        集成运放参数测试仪(B题)设计与总结报告

　

　

摘    要

本作品（集成运放参数测试仪）是以Microchip公司的PIC16F877单片机为测量控制核心，对集成运放的V_IO(输入失调电压)、I_IO(输入失调电流)、A_VD (交流差模开环电压增益)和K_CMR (交流共模抑制比)四项基本参数和电压模运放BW_G (单位增益带宽)进行单项和自动测量(含自动量程转换)。关于求解A_VD和K_CMR参数中的对数运算，采用了基于串行存储器24LC64芯片的分段查表换算方案。采用了基于Altera公司的FLEX10K20可编程逻辑器件和DDS专用芯片相结合和的方案实现了测试需要的5HZ正弦波信号和40kHz～4MHz的正弦波扫频信号。本作品同时完成了测试参数的显示、存储、自动程控测量与基于微型面板打印机的打印功能。

经过测试，该作品V_IO的测量范围达到0～40mV，误差绝对值小于4%读数；I_IO的测量范围达到0～4μA，误差绝对值小于3%读数；A_VD 的测量范围达到60dB～120dB，误差绝对值小于3dB；K_CMR的测量范围达到60dB～120dB，误差绝对值小于3dB；5Hz信号源的频率与电压值误差绝对值均小于1%；扫频信号源，要求输出频率范围为 40kHz～4MHz，频率误差绝对值小于1%，输出电压的有效值为2V±0.2 V，电压模运放BW_G的测量时间≤10秒。完全达到设计要求。

本作品设计方案正确，测试过程合理，测试数据准确。不仅完成了基本部分和发挥部分的设计要求，同时，还增加了基于DS1302芯片技术的实时时钟和日历的显示、调整功能，以及200个样片测量数据的手动、自动存储功能，和存储数据的调阅功能。

关键词： 集成运放  参数 测量  PIC单片机 DDS 可编程逻辑器件

 

Abstract

Based on the singlechip PIC16F877 of Microchip Company for measure and control, the product （IOA Parameters-testing Apparatus）is designed with the aim to test the four basic parameters of IOA, such as V_IO (Input offset voltages), A_VD (Input offset current), A_VD (Alternative difference-mode open loop voltage gain), K_CMR (Common-mode rejection ratio) and BW_G (Unit gain band width) in a way of single testing or automatic testing (including auto-switch measurement range). In order to solve the logarithm operation in A_VD and K_CMR testing, we choose the subsection checking-table conversion methods using the serial memory 24LC64. The combined scheme with FLEX10K20 Programmable Logic Device (PLD) of Altera Company and DDS special chip is applied in our assignment due to the need for 5HZ sine wave signal and 40kHz～4MHz sweep frequency sine wave signal. The product will not only fulfill the function of display, storage and automatic program-control testing but also type the results using a minisize-panel typewriter.

     After testing, the absolute error of V_IO、I_IO、A_VD and K_CMR are smaller than 3% of the real value. On the other hands, the absolute error of the frequency and voltage of 5Hz signal source are smaller than 1% as well. All the results show that we have reached the most design requirements of this assignment successfully

      In conclusion, the design scheme of this product is appropriate and the process of testing is reasonable, so the testing results are correct. The design is finished perfectly with a result of not only realizing the basic parts of design requirements but also for advanced requirements. At the same time, we develop our product with the function of display and adjust the real time and calendar by using DS1302 singalchip technology. Furthermore, the functions of checking and storage 200 sample testing parameter manually or automatically are also fulfilled in our product.

Key words: Integrated Operational Amplifier (IOA), parameters-testing, PIC singlechip, DDS Programmable Logic Device (PLD)                                  

 

 

目       录

一、系统设计..............................................(5)

  1.1设计题目要求.........................................(5)

  1.2方案论证与比较.......................................(6)

1.2.1 控制运算模块............................ ...........(6)

1.2.2 运放参数测试模块....................................(7)

1.2.3 5Hz正弦信号产生模块.................................(7)

1.2.4 40kHz～4MHz扫频信号产生模块…………………………………(7)

1.2.5 电源方案…………………………………………………………(8)

  1.3. 总体思路………………………………………………………(9)

二、系统硬件设计与实现……………………………………………(9)

2.1  V_IO、I_IO电参数测试………………………………………………(9)

    2.1.1  V_IO、I_IO电参数测试原理图………………………………(9)

2.1.2  V_IO失调电压测试原理………………………………………(10)

2.1.3  I_IO失调电流测试原理………………………………………(10)

2.2  A_VD电参数测试………………………………………………(11)

2.3  K_CMR电参数测试……………………………………………(12)

2.4  PIC单片机控制模块…………………………………………(13)

2.5  测量及被测电路模块………………………………………(14)

2.6  继电器控制模块……………………………………(15)

2.7  5Hz正弦信号产生模块……………………………………(16)

2.8  40kHz～4MHz扫频信号产生模块……………………………(16)

三、系统软件设计与实现………………………………………(18)

3.１ 主程序流程……………………………………………(18)

3.2  中断程序流程…………………………………………(19)

  3.3  平均值算法流程………………………………………(20)

3.4　对数算法流程…………………………………………(21)

3.5  A/D模块流程图…………………………………………(22)

四、系统测试及数据分析…………………………………(23)

4.1 测试仪器………………………………………………(23)

4.2 主要元器件………………………………………………(23)

4.3 LM741指标测试………………………………………….(23)

4.4 误差分析……………………………………………………(23)

4.4.1 误差来源…………………………………………………(24)

4.4.2 解决方案…………………………………………………(24)

4.5  结论………………………………………………………(24)

五总结……………………………………………………………(24)

六．参考资料……………………………………………………(25)

七．附录　……………………………………………………(26)

附1：本仪器使用说明……………………………………(26)

附2  打印结果格式说明示意图…………………………(29)

附3：①PIC部分程序………………………………………(30)

②VHDL部分程序…………………………………(37)

 

一、系统设计

1.1 设计题目要求

1.1.1 设计任务（基本要求）

    设计并制作一台能测试通用型集成运算放大器参数的测试仪，示意图如图1所示

     

                         图1 设计任务

　

1.1.2 技术要求

   1、基本要求

（1） 能测试V_IO(输入失调电压)、I_IO(输入失调电流)、A_VD (交流差模开环电压增益)和K_CMR (交流共模抑制比)四项基本参数，显示器最大显示数为 3999；

（2）各项被测参数的测量范围及精度如下(被测运放的工作电压为±15V)：

V_IO：测量范围为0～40mV（量程为4mV和40mV），误差绝对值小于3%读数+1个字；

I_IO：测量范围为0～4μA（量程为0.4μA和4μA），误差绝对值小于3%读数+1个字；

A_VD：测量范围为 60dB～120dB，测试误差绝对值小于3dB；

K_CMR：测量范围为 60dB～120dB，测试误差绝对值小于3dB；

（3）测试仪中的信号源(自制)用于A_VD、K_CMR参数的测量，要求信号源能输出频率为5Hz、输出电压有效值为4 V的正弦波信号，频率与电压值误差绝对值均小于1%；

（4）按照本题附录提供的符合GB3442-82的测试原理图(见图2~图4)，再制作一组符合该标准的测试V_IO、I_IO、A_VD 和K_CMR参数的测试电路，以此测试电路的测试结果作为测试标准，对制作的运放参数测试仪进行标定。

    2、发挥部分

（1）增加电压模运放BW_G (单位增益带宽)参数测量功能，要求测量频率范围为

 100kHz～3.5MHz，测量时间≤10秒，频率分辨力为1kHz；

为此设计并制作一个扫频信号源，要求输出频率范围为 40kHz～4MHz，频率误差绝对值小于1%；输出电压的有效值为2V±0.2 V；

（2）增加自动测量(含自动量程转换)功能。该功能启动后，能自动按V_IO、I_IO、A_VD 、K_CMR 和BW_G的顺序测量、显示并打印以上5个参数测量结果；

（3）其他。

1.2方案论证与比较

1.2.1  控制运算模块

方案一：基于8051单片机的主控单元

采用8051系列单片机为控制核心,外接A/D转换器，频率计数器，键盘，7段数码管等外设，8051MCU处理各种外设的输入，组织各外设的协调工作。输入电压经A/D转化送入8051 P1口，8051读取P1口数据送入内部寄存器，等待运算处理。当8051检测到A_VD等于1时控制频率计工作，频率计测量当前频率并送入8051，8051再经过处理显示并打印。此种方案实现电路复杂，8051内部资源有限，软件编程量大，因此设计过程中没有采用此方案。

方案二：基于PC机的主控单元

   利用单片机组织各电路的输入，实现与PC的通信，传递各种数据给PC，用PC机实现各数据的运算操作，并显示在显示器上，以PC 作为人机界面。这种方案外部电路复杂，但编程量小。作为仪器， 不便使用PC。

方案三：基于PIC16F877单片机的主控单元

利用PIC16F877单片机作为主控芯片，利用MPLAB 2.0软件进行编译。PIC系列8位微控制器是业内率先采用精简指令集计算机（RISC----Reduced  Instruction  Set Computer）结构的高性能价格比的嵌入式控制器（Embedded Controller）。具有高速度，低工作电压，低功耗，较大的输入输出驱动能力，小体积等特点，其存储结构基于哈佛双总线技术，数据和指令传输总线完全分开，避免了CISC结构中经常出现的处理瓶颈问题。PIC16F877有丰富的内部硬件资源，其10位8个通道的A/D转换模块可方便用于测量输入电压。CCP（捕捉/比较/脉冲调制）模块内部的施密特触发器可将输入正弦波转换为方脉冲,便于测量扫频信号的频率。

本设计采用方案三

2.4 PIC单片机控制模块

如图7所示

                 

                      图 7  PIC单片机最小系统图

2.5测量及被测电路模块

                     图9 测量及被测电路

三、系统软件设计与实现

3.1主流程图

    此流程图为PIC单片机程序的主流程图,系统上电初始化后寄存器state=6,显示当前时间,依据状态寄存器的值进入相应被测电参数的测量程序，测试并显示测量结果。依据寄存器ED的值，进入打印，参数设置，保存等过程。寄存器state和ED的值是通过按键来改变的。              

四、系统测试及数据分析

4.1 测试仪器

① 50MHz高频示波器 DS5062C 数字示波器

② 4 1/2数字万用表 UT-56

③ 交流毫伏表 NW2172

④ 频率计HL-F1000L(1Hz~1G)

⑤ 失真度仪NW4116B

⑥ 信号源 NW1640B调频调幅函数信号发生器

⑦ 电源：LPS-3003L-3A

4.2 主要元器件

PIC16F877,AD9850,AD0832,LM741, EPF10K20TC144-3，EPC2LC20，DS1302，24LC64，ICL7650，ULN2003，74LS373，74LS164，3.6V电池，12MHz晶振，50MHz有源晶振，32.768KHz晶振,24字符微型打印机，12V双刀双掷继电器

4.3 LM741指标测试

参数         数据	VIO (mV)	IIO(nA)	AVD(dB)	KCMR(dB)	BWG(MHZ)
1	0.26	320.7	84.5	87.3	1.0005
2	0.25	320.7	84.2	86.2	1.0006
3	0.26	320.5	85.2	89.2	1.0008
4	0.27	320.4	87.2	85.3	0.9801
5	0.28	320.5	84.6	86.5	1.0005
6	0.24	320.5	86.2	84.2	1.0006
7	0.25	321.4	89.2	89.7	1.0211
8	0.26	320.7	84.3	87.5	1.0005
9	0.25	320.8	83.6	86.9	1.0023
平均值	0.258	320.69	85.44	86.97	1.0007
标准板测定值	0.25	331.5	82.4	86.7	1.2001
最终测定值	0.26	320.6	84.7	87.1	1.0002
绝对误差	0.01	－9.9	2.3	0.4	0.1999
相对误差	4.0%	－2.9 %			16.64%

4.4误差分析

4.4.1误差来源：

1、模数转换精度，参考电压没有采用高精度的基准电压，而采用电源电压；

2、电路设计过程中，采用模拟和数字混合设计，接地包括数字地、模拟地以及条件所限制作工艺差，采用万能板焊接电路，电路布线等问题，造成误差；  

3、测试仪器自身的系统误差，实验手段不完善造成的误差；

4、周围环境的影响，电源干扰，温度漂移

5、测量误差。

4.4.2解决方案：

1、校准仪器的刻度，选择正确的测量方案；

2、专门设计PCB板，设计中尽量做到布局紧密，避免交叉布线，提高抗干扰能力；

3、注意仪器的正确使用条件和方法，如仪器的放置位置、工作状态、使用频率范围、电源供给、接地方法、附件和导线的使用和连线都注意符合规定并正确合理；

4、测量时尽量注意恒温或采取散热、空气调节等；

5、在测量过程中，尽力作到严格要求、准确测量。

4.5结论

本作品设计方案正确，测试过程合理，测试数据准确。不仅完成了基本部分和发挥部分的设计要求，还自行设计了时钟、日历、数据存储和调阅等新增功能。

五.总结

本系统采用Microchip公司的PIC16F877单片机控制，对集成运放的五项主要参数进行了准确的测量，测量结果通过七段数码管显示、并可通过微型面板打印机打印测量数据。 使用FPGA技术实现了5Hz的测试信号源，采用AD9850芯片通过DDS技术实现了输出频率范围为 40kHz～4MHz的扫频信号源。同时采用了各种优秀的软件滤波算法减小测量误差，使测量精度高，抗干扰能力强，显示直观，界面友好，操作简单。全部实现了题目的要求。

在设计制作过程中，我们充分体会到了创造的乐趣和分工合作的重要性，在动手的过程中，不但增强了实践能力，增强了综合应用知识的能力，而且在理论上有了更深入的认识。作品的成功，提高了我们进行电子设计的兴趣，增强了我们从事电子设计的信心。          

附录：

附1集成运放测试仪使用指南

本仪器使用说明：

一、             上电自动初始化，

本仪器采用220V电源供电，功率为20W。

二、              功能键说明：

本系统设有功能键6个，分别为[PARA]键、[AUTO]键、[PRINT]键、[DIS/OK]键、[DOMN]键、[UP]键，基本功能分别为：

[PARA]键为参数设置键；

[AUTO]键为程控自动测量键；

[PRINT]键为打印键，兼有样片数据保存功能；

[DIS/OK]键为显示测量切换与确认键；

[DOMN]键为向下选择键；

[UP]键为向上选择键。

另有10个数字键0---9主要完成对各项参数的设置，当[DIS/OK]键设置为允许修改参数时，0---9数字键有效，否则10个数字键无效。

三、  具体操作说明：

1、系统参数设置操作

 （1）、当按动[PARA]键时，显示“1 p-no”，此时可通过按动[DOWN]键在各设置参数“1 p-no”， “2 beta”, “3 HOUR” “4 date” “5 data”间切换。

当显示为“1 p-no”时，若按动[DIS/OK]键则显示样片参数存储序号“001”，如要修改需再次按动[DIS/OK]键，利用0---9数字键进行设置；否则按动[PARA]键退出；

（2）、当按动[DOMN]键显示“2 beta” 时，若要修改“beta”值按动[DIS/OK]键，显示“beta”值，修改操作同上；

（3）、当按动[DOMN]键显示“3 HOUR” 时， 若要修改时间， 按动[DIS/OK]键，显示当前时间，若要修改，操作同上；

（4）、当按动[DOMN]键显示“4 date”时,按动[DIS/OK]键，显示当前日期，若要修改，操作同上；

（5）、当按动[DOMN]键显示为“5 data”时,按动[DIS/OK]键，依次显示所存储的样片数据，若按动[PARA]键则退出并显示当前时间；[UP]键和[DOWN]键上下切换。

2、参数测量操作

当前为时钟显示时，按动[DIS/OK]键，则分别显示被测参数：“Vio”、“Iio”、“Avd”、“Kcmr”、 “BWg”。

3、打印，存储操作

（1）当按动[PRINT]键，数码管显示为“PRINT”时，若按动[DIS/OK]键则执行打印操作，否则按动[PARA]键退出；

（2）当按动[PRINT]键，数码管显示为“SAVE”时, 若按动[DIS/OK] 键则执行样片保存操作，数字键修改存储单元，再次按动[DIS/OK] 键执行保存操作。

4、程控操作

当按动[AUTO]键时，显示为“AUTO” ，随后分别测量并显示被测参数：“Vio”、“Iio”、“Avd”、“Kcmr”、“BWg”，测量完毕自动打印并保存。程控操作完毕，自动返回时间显示界面。

另附键盘示意图！ 

谢谢使用！

键盘示意图：

KEY13 （7）	KEY9 （8）	KEY5 （9）	KEY1 （PARA）
KEY14 （4）	KEY10 （5）	KEY6 （6）	KEY2 （AUTO）
KEY15 （1）	KEY11 （2）	KEY7 （3）	KEY3 （PRINT）
KEY16 （0）	KEY12 （UP）	KEY8 （DOWN）	KEY4 （DIS/OK）

 

附2  打印结果格式说明示意图：

 

 

 

附3：PIC部分程序

 ;**********************************************************

;*  ICT_877.ASM

;**********************************************************

;*  the vo io avd value

;**********************************************************

       list p=16f877

       ; Include file, change directory if needed

       include "p16f877.inc"

       ; Define the varry

       ; Start at the power on reset vector

       ORG       0x000

       GOTO    S_MAIN

       ORG       0x004

       BCF PCLATH,4

       BSF PCLATH,3      ;SELECT PAGE 1

       GOTO    IntSrv