集成运放参数测试

1集成运放参数测试仪设计报告学校：南京师范大学组号：13组员姓名：张银柱组员姓名：杨锋组员姓名：陈潇2摘要本系统采用STM32系统为核心器件，主要实现对通用型集成运算放大器输入失调电压、输入失调电流、交流差模开环电压增益和交流共模抑制比四项基本参数的测量。由于水平有限，现只是利用已有信号源，输出给参数测试电路测量，主要完成硬件部分的搭建工作与输出的显示。关键词：STM32，运放，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，硬件电路，显示ABSTRACTThesystemusestheSTM32systemasthecorecomponents,themainachievementofthegeneral-purposeintegratedop-ampinputoffsetvoltage,inputoffsetcurrent,ACvoltagedifferential-modeopen-loopgainandACCMRRfourbasicparametersofthemeasurement.Asthelevelislimited,thereareonlyusingthesignalsource,theoutputparametersofthetestcircuittomeasure,mainlytocompletetheworkwiththehardwarepartofthebuildoutputoftheshow.KeyWord:STM32，amplifier，inputmaladjustedvoltage，inputmaladjustedcurrent，Exchangeopenloopgaindifferential-modevoltage，CMRAC，hardwarecircuit，display3第1章设计任务及要求1.1设计任务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。被测运放键盘与显示控制电路运放参数测试电路信号源图1通用型集成运放参数测试仪框图1.2设计要求1.2.1基本要求（1）能测试VIO(输入失调电压)、IIO(输入失调电流)、AVD(交流差模开环电压增益)和KCMR(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)：VIO：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；IIO：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；AVD：测量范围为60dB～120dB，测试误差绝对值小于3dB；KCMR：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AVD、KCMR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4V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VIO、IIO、AVD和KCMR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。1.2.2发挥部分（1）增加电压模运放BWG(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±0.2V；（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VIO、IIO、AVD、KCMR和BWG的顺序测量、显示并打印以上5个参数测量结果；4第2章方案比较与论证2.1信号源制作方案及论证2.1.1信号源制作方案暂时使用现有的信号源2.2运放参数测试电路方案及论证2.2.1运放参数测试电路方案方案一：将IOV（输入失调电压），IOI（输入失调电流），VDA（交流差模开环电压增益）和CMRK（交流共模抑制比），四项基本参数的测试原理图，将各原理图分别搭建起来，再根据所提供的标准方法来测量，从而得到标准值，而自动测量部分再加上STM32系统来分别控制三个模块电路，该方法的优点是各功能模块电路分开了，并没有干扰的存在，而且操作简单测量方便，但是由于三个电路模块所用的元器件相同，存在资源的浪费，而且对各功能模块的分开操作，使得“自动测量”这一意义不存在了，对工业自动化并没有运用价值。也失去了我们发挥创新的部分，因而本设计我们未采用。+-+-被测运放辅助运放RfR1RiRiR2K1K2RRVLRf数字电压表(4位半以上)aVIO、IIO电参数测试原理图+-+-被测运放辅助运放RfR1RiRiR2信号源RLRf数字示波器VLOVsbAVD电参数的测试原理与测试原理图5cKCMR电参数的测试原理与测试原理图图2集成运放各参数测试原理图方案二：考虑到各功能的模块许多元器件相同，为了避免资源的浪费，同时为了使自动化的实现更方便，我们考虑将这三个功能模块电路组合起来，放在一块电路板上，通过用STM32系统控制继电器的状态来切换测量电路实现各功能模块。电路图如下图3.1MR30KR130KR2100R3100R310KR420k(10k)20k(10k)100k(90k)100k(90k)S1-1S2-1S4S1-2S2-221S321S5+-辅助运放-+被测运放1MR信号源VL0VsSTM32开发板图3运放参数测试设计电路+-+-被测运放辅助运放RfR1RiRiR2RLRf数字示波器信号源VSVL06第3章系统硬件设计3.1总体设计思路对于一个系统的设计首先要对系统的任务及要求有一个明确的了解，再根据所提供的相关信息帮助，将整个系统功能分成各个功能模块，从而实现系统整体功能。该系统的设计任务如下图4：图4通用型集成运放参数测试仪框图根据系统设计的模块划分模块来设计该系统，而该测试仪核心模块为运放参数测试电路及信号源的设计（暂且用现成的信号源）。再分析设计任务，及设计要求，我们考虑用STM32系统开发板来作为控制电路，用I/O口控制小型继电器的通断，从而实现各功能电路的切换。同时，利用STM32系统开发版内部自带的A/D转换器，进行A/D采样，将模拟量转换为数字量，再将其通过其自带显示器显示，则整个系统的硬件设计基本完成。系统硬件组成框图如图5:图5系统硬件组成框图信号源参数测试电路Stm32开发板控制显示电路被测运放运放参数测试电路信号源显示控制电路73.2各模块设计及参数运算3.2.1参数测量电路模块1MR30KR130KR2100R3100R310KR420k(10k)20k(10k)100k(90k)100k(90k)S1-1S2-1S4S1-2S2-221S321S5+-辅助运放-+被测运放1MR信号源VL0VsSTM32开发板图6参数测量电路模块1.测量输入失调电压控制S1-1、S1-2闭合，S4断开，S3接2，S5接2，用数字示波器测出辅助运放的输出电压VL0，则有：输入失调电压3IOL03fRV=VR+R（3-1）2.测量输入失调电流控制S1-1、S1-2断开，S4断开，S3接2，S5接2，用数字示波器测出辅助运放的输出电压VL1，则有：输入失调电流3L1L0IO=3fRVIR+RR－Ｖ（3-2）3.测量交流差模开环电压增益控制S1-1、S1-2闭合，S4闭合，S3接2，S5接1，设信号源输出电压为Vs，测得辅助运放输出电压为VL0，则有交流差模开环电压增益S3fVDL03VR+RA=20lgdBVR（3-3）4.测量交流共模抑制比控制S1-1、S1-2闭合，S4闭合，S3接1，S5接1，设信号源输出电压为Vs，测得辅助运放输出电压为VL0，则有交流共模抑制比S3fCMRL03VR+RK=20lgdBVR（3-4）85.实现自动控制以及量程切换(1)考虑到测量量程问题，因而我们将fR分成10K与90K电阻，并要求这两个电阻的阻值严格满足要求，因而我们考虑用可调电位器来实现，选用20K及100K的电位器来实现，从而较易达到阻值的要求，同时利用一个开关来切换量程，以使R3/(R3+Rf)的值存在10倍的关系，实现两个量程的变换（0~4mv及4mv~40mv的变换）；同理在测输入失调电流时也同样存在开关的切合。根据提供的参数，我们将R3设为100欧姆，fR接成两电阻（10k与90k）的串联，R接成1兆欧，R1=R2=30千欧。考虑到辅助放大器测试方法的要求,要求辅助运放的开环增益大于60dB,输入失调电压和失调电流值小。OP07的精度高失调电压和失调电流较小，且不需要自校准电路，所以选择OP07作为辅助运放。(2)为了实现自动控制，我们只是将各开关换成了继电器，由于继电器的可控性，通过stm32I/O口来控制继电器的通断来实现各功能电路的切换，在标准电路后面与stm32连上，实现电路参数测试的自动化。从而大大简化了电路的烦琐程度。3.2.2继电器驱动电路7KR5T5S8550IN4148D1VCCJ1AGPIOCN212321S6JIB图7继电器的驱动电路如图7，STM32的I/O口无法直接驱动继电器，必须要接三极管来驱动，当GPIO输出低电平继电器吸合，当GPIO输出为高电平，继电器的衔铁放开。3.2.3测试结果的显示测量VIO以及IIO时只需将OP07输出的信号接到开发板的AIN1上，经过A/D转换将模拟量转换为数字量，然后通过软件处理与运算将结果显示在开发板的屏幕上。测量AVD和KCMR时需同时将信号源输出信号接到AIN0以及将OP07输出信号接到AIN1上，然后软件处理后将结果显示在开发板的屏幕上。9第4章软件设计软件方面主要是要实现测量电路的切换控制，自动测量，量程的切换，采集数据的处理以及测量结果的显示。我们使用触摸屏来控制切换测量电路和切换量程以及显示测量结果。使用开发板自带的ADC来采集数据。4.1程序设计框图图8程序设计框图4.1.1系统的初始化配置主要包含GPIO、ADC、TIM以及触摸屏的初始化配置，源程序如下：voidGPIO_Configuration(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;/*配置未使用的IO为模拟输入*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_GPIOD|RCC_APB2Periph_GPIOE|RCC_APB2Periph_GPIOF|RCC_APB2Periph_GPIOG,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_All;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);GPIO_Init(GPIOD,&GPIO_InitStructure);GPIO_Init(GPIOE,&GPIO_InitStructure);GPIO_Init(GPIOF,&GPIO_InitStructure);GPIO_Init(GPIOG,&GPIO_InitStructure);屏幕界面设计控制界面及结果显示界面采集数据，数据处理及显示结束开始系统初始化配置配置GPIO、ADC、TIM和触摸屏触摸屏中断控制电路的切换以及量程的切换10RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Per